生物医学传感与检测 第四章 医学信号中的干扰和噪声t12.ppt

第四章 医学信号中的干扰和噪声 4.0 引言 4.1 电子测量中的电磁干扰 4.2 测量系统的噪声 4.0 引言 人体的生物医学信号测量条件很复杂，这是因为： 1. 由于生物医学信号一般都很微弱，所以测试系统必须具有较高的灵敏度，也就更容易把干扰引入测试系统。 2. 工频50Hz干扰几乎落在所有生物电信号的频带范围之内。 3. 生物体本身属于电的良导体，而且目标大，难以屏蔽，很容易受外部干扰。 4.1 电子测量中的电磁干扰 4.1.1 干扰的引入 4.1.1.1 干扰源 能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作的物体或设备称为干扰源。 比如太阳辐射，发动机点火，瞬变电压，周围的50Hz干扰最为直接。 在电子系统之间，实现不互相干扰，协调混同工作的考虑，称为电磁兼容性设计EMC。 4.1.1.2 干扰耦合途径 1. 传导耦合：经导线传播把干扰引入测试系统。 2. 经公共阻抗耦合：在测试系统内部各单元电路之间，或两种测试系统之间存在公共阻抗。 3. 电场和磁场的耦合：E/H377欧，主要是电场的能量，E/H377欧，主要是磁场的能量。 （2） 电容性耦合 在电子系统内部元件和元件之间，导线和导线之间以及导线与元件，导线，元件与结构件之间都存在着分布电容。 (1) 若 R1/ω(C+C2) U2s=[C/(C+C2)]U1s （2）若 R1/ω(C+C2) U2s= |JωRC| U1s （3） 电感性耦合 为了减小Us可以用以下方法： a. 远离干扰源 b. 采用绞合线的走线方式 c. 尽量减小耦合电路面积 4.1.2 生物电测量中的干扰 也称为电容性耦合 电磁环境中，通过电场干扰源与人体之间的分布电容，使人体本身携带干扰电压。 2. 差膜干扰 （1）导联线的形成容性耦合 从肢体或胸部提取体表心电信号所用的导联线，通常约1米。在强电磁场环境中，通过长的导联线与其他带电体之间的分布电容，足以引入周围环境中的各种干扰。 （2）人体表面形成容性耦合 4.1.2.2 生物电测量中磁场的电感性耦合 4.1.3 抑制干扰的主要方法 （一） 合理接地 1.安全接地 在生物医学测量中，安全接地可分为三种：电源接地，保护接地，等电位接地。 2.工作接地 可以分为一点接地和多点接地，一点接地还可以分为串联方式和并联方式。 3. 敏感电路的接地设计 （a）输入回路的一点接地原则 （b）信号源与地隔离原则 （c）屏蔽线，屏蔽罩的一点接地 （二）屏蔽 所谓屏蔽，泛指在两个空间区域加以金属屏蔽，用以控制从一个区域到另一个区域电场或磁场的传播。 用屏蔽体把干扰源包围起来，使电磁场不向外扩散，称为主动屏蔽。 屏蔽体用以防止外界电磁辐射，称为被动屏蔽。 4.1.4 其他抑制干扰的措施 （一）隔离 用隔离的方法使两部分电路相互独立，不成回路，从而切断从一个电路进入另一个电路的干扰的通道，通常在生物信号测量中，用光电耦合和变压器耦合方法实现隔离。 4.2 测量系统的噪声 通常为与外部干扰相区别，把测量系统内部由器件、材料、部件的物理因素产生的自然扰动称为噪声。可见噪声是电路固有的，其他混入的非本项测量所需要的人体其他生理信号，也构成测量的干扰噪声，而系统内部的噪声往往为测量精度的限制性因素，在控制电路中，随机噪声造成误输出，增大测量误差等。 4.2.1 噪声的一般性质 噪声电压或噪声电流是随机的，噪声的随机过程不可能用个确定的时间函数来描述。 如果在很宽的频率范围内噪声具有恒定的功率谱密度，这种噪声称为白噪声。 如果噪声的功率谱密度不是常数，称为有色噪声。 功率谱密度随频率减小而上升，称之为粉红色噪声 功率谱密度随频率升高而增加，称之为蓝噪声。 电压（或其它物理量）的均方值设为平均功率 平均功率 4.2.2 生物医学测量系统中的主要噪声类型 （一）1/f噪声 由于生物信号的频带范围大都属于低频，超低频段，1/f 噪声造成生物信号提取过程中的主要障碍。 S（f）=K/f K为f 在1Hz时的谱密度值，为常数。 在f1~f1带宽内噪声的平均功率，即噪声电压均方值为 例2 （二）热噪声 热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。 热噪声的谱密度为： S（f）=4kTR 热噪声是普遍存在的。 （三）散粒噪声 在半导体器件中，载流子产生与消失的随机性，使得流动着的载流子数目发生波动，时少时多，由此引起电流瞬时涨落称为散粒噪声。 谱密度为：S（f）=2qIDC 4.2