2.1生物電放大器.ppt

1、2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,1,第2章生物電測(cè)量?jī)x器2.1生物電放大器,阮肖暉高級(jí)工程師溫州醫(yī)學(xué)院國(guó)有資產(chǎn)與設(shè)備管理處rxh,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,2,本節(jié)目錄,2.1.1生物電信號(hào)的特點(diǎn)2.1.2生物電放大器的基本要求與特點(diǎn)2.1.3生物電放大器設(shè)計(jì)2.1.4生物電放大器的技術(shù)指標(biāo)2.1.5信號(hào)的采集（信號(hào)處理）,參考書：現(xiàn)代醫(yī)學(xué)電子儀器原理與設(shè)計(jì)余學(xué)飛,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,3,2.1生物電放大器2.1.1生物電信號(hào)的特點(diǎn),幅度?。盒碾?5mV，腦電誘發(fā)電位0.1V頻率低：DC3000Hz背景噪聲強(qiáng)，信噪比小：50Hz干擾為主受電極影響信號(hào)內(nèi)涵豐富：如腦電波,202

2、0/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,4,生物電信號(hào)的幅值和頻率,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,5,心電圖electrocardiogram，ECG0.18mVDC100Hz,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,6,肌電圖electromyography，EMG20V30mV103000Hz,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,7,腦電圖electroencephalogram，EEG5200V0.560Hz,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,8,胃電圖Electrogastrogram，EGG50V2mV0.00120Hz,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,9,視網(wǎng)膜電（electroretinogram,ERG

3、）50200VDC20Hz,將一電極放置在角膜上，另一電極放置于最靠近眼球后部的眶緣部分，當(dāng)視網(wǎng)膜受到快速變化的光刺激時(shí)，通過放大裝置將視網(wǎng)膜電位變化記錄下來，即為視網(wǎng)膜電圖,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,10,眼電圖electro-oculogram,EOG0.053.5mVDC50Hz,于暗、明適應(yīng)條件下在被檢者內(nèi)、外眥角各置一電極所檢測(cè)到的電流隨眼球的轉(zhuǎn)動(dòng)而變化，記錄下來的電位就是眼電圖。,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,11,電極為了測(cè)量和記錄生物機(jī)體的生物電位或電流而安置在機(jī)體和測(cè)量?jī)x器之間的導(dǎo)電界面（電極理化反應(yīng)），其作用是把機(jī)體內(nèi)的離子流（生物電位）轉(zhuǎn)換成電路中的電子流（生物電

4、信號(hào)）。,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,12,生物電檢測(cè)電極示意圖,機(jī)體外,機(jī)體內(nèi),電極,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,13,常見醫(yī)用電極的種類、特點(diǎn)與作用按用途分類：皮膚表面電極：用以從體表上測(cè)量ECG、EEG和EMG電位。體表電極的形狀很多，有用于肢體的金屬板電極、用橡皮膏粘貼的金屬盤電極、吸杯電極、浮動(dòng)型表面電極、按扣式電極以及特殊形式的表面電極等。針型電極：用以刺破皮膚，記錄局部肌肉組織的EMG電位等。微電極：是用于測(cè)量細(xì)胞附近和細(xì)胞內(nèi)生物電位的微型電極。這種電極的尖端直徑僅為0.55微米。,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,14,皮膚表面電極,浮式電極：導(dǎo)電膏隔離皮膚與電極,吸杯電

5、極,金屬板電極,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,15,盤狀電極,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,16,針形電極（肌電圖）,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,17,微電極,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,18,按電極材料分類：Ag/AgCl電極：醫(yī)用Ag/AgCl電極采用燒結(jié)法制成不銹鋼電極導(dǎo)電硅膠電極干電極,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,19,粘合劑,絕緣膜,電極板,干電極：通過人體與金屬電極板的電容耦合檢測(cè)生物電信號(hào),導(dǎo)電硅膠電極,外殼,電極線,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,20,2.1.2生物電放大器的基本要求與特點(diǎn),生物電放大器基本要求(P10)生物電放大器技術(shù)特點(diǎn)：采用差分放大器高增

6、益低噪聲高輸入阻抗合適的通頻帶電氣隔離和保護(hù),2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,21,1、采用差分放大器：用途：測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的生物電的電位差值。因此差分放大器放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)由于生物電信號(hào)在兩個(gè)電極上是不同的，是差模信號(hào)，工頻干擾信號(hào)在兩個(gè)電極上的幅度和相位基本上是相同的，是共模信號(hào)。,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,22,2、高增益：生物電信號(hào)非常弱?。和ǔ７糯笃鞯脑鲆孢_(dá)500倍至100萬(wàn)倍左右，針對(duì)不同的信號(hào)應(yīng)選擇不同的增益。3、低噪聲：由于信號(hào)弱小，放大器本身的噪聲幅度必須遠(yuǎn)低于信號(hào)幅度，尤其是放大器的前置級(jí)噪聲，它會(huì)與信號(hào)一起經(jīng)后級(jí)放大器放大，因此，前置放大器的元件必須采用

7、低噪聲的。,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,23,4、高輸入阻抗：生物電信號(hào)的信號(hào)源內(nèi)阻很高，提高放大器的輸入阻抗可以提高信號(hào)拾取的比例。高輸入阻抗能減少因各電極阻抗不一致造成的共模干擾。因此，提高輸入阻抗也能提高信噪比。,高輸入阻抗測(cè)量示意圖,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,24,5、合適的通頻帶：利用濾波器（高通+低通）來完成。高通濾波器用來消除電極電位漂移；低通濾波器可以用來消除各種高頻噪聲。陷波器：消除工頻噪聲。通頻帶越窄，噪聲越小。,低通濾波器,高通濾波器,50Hz陷波器,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,25,6、電氣隔離和保護(hù)：生物電放大器都有隔離放大器一級(jí)，使得連接病人的放大器輸

8、入級(jí)與放大器后級(jí)完全電氣隔離的。分信號(hào)通路隔離和電源通路隔離，前者使用隔離變壓器、光電管隔離器、電容隔離等；后者使用隔離變壓器或DC-DC變換器。電氣隔離的主要目的是防止病人受到電擊，同時(shí)抑制電源干擾。,醫(yī)療儀器,220V交流電,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,26,2.1.3生物電放大器設(shè)計(jì),生物電放大器的基本結(jié)構(gòu)和原理前置放大器的設(shè)計(jì)共模抑制的消除方法電氣隔離和大電流保護(hù),2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,27,生物電放大器的基本結(jié)構(gòu)和原理前置放大器：1015倍高增益、高輸入阻抗、低噪聲、差模放大高通濾波器隔離放大器：101000倍低通濾波器高電壓保護(hù)電路,高通濾波器,低通濾波器,前置放大器

9、,隔離放大器,+,高電壓保護(hù),2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,28,2.1.3.1前置放大器,生物電放大器的前置級(jí)均由差分放大器構(gòu)成最基本的理想差分放大器兩個(gè)三極管及相對(duì)應(yīng)的電阻參數(shù)一致。輸出電壓Vo等于兩晶體管集電極輸出電壓之差Vo=Vo1Vo2。零點(diǎn)漂移抑制差模信號(hào)放大：等于三極管增益共模信號(hào)輸出：0共模抑制比：無窮大,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,29,典型的前置放大器構(gòu)成原理：三個(gè)差分放大器構(gòu)成兩級(jí)放大電路（也稱三運(yùn)放結(jié)構(gòu)）差模放大：Gd=Gd1Gd2共模抑制：GC=GC1GC2=GC2（GC1=1）,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,30,前置放大器噪聲的抑制噪聲的產(chǎn)生生物體阻抗和引

10、入導(dǎo)線阻抗產(chǎn)生熱噪聲K波爾茲曼常數(shù)，T絕對(duì)溫度，RS信號(hào)源通路阻抗，B帶寬放大器元件內(nèi)部的電流和電壓噪聲信號(hào)通路的總噪聲,內(nèi)部電壓噪聲,內(nèi)部電流噪聲,引入熱噪聲,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,31,噪聲抑制降低生物體接觸阻抗和引入導(dǎo)線阻抗選用低噪聲元器件和放大器限制帶寬高通濾波器RL和CL組成低通濾波器RH和CH組成帶寬公式：,帶寬濾波器,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,32,2.1.3.2共模抑制的消除方法,共模干擾定義：進(jìn)行生物電測(cè)量時(shí)，被測(cè)體因受到外界交變電磁場(chǎng)的作用，而在人體表各部位上產(chǎn)生的幅度、頻率和相位均相同的交流感應(yīng)電位。最常見的是50Hz工頻干擾,心電的50Hz工頻干擾,20

11、20/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,33,0.1,1,10,100,1k,10k,100k,1M,10M,100M,1G,/Hz,50,EEG,EMG,EOG,ENG,ERG,PCG,SEP,AEP,ECG,VEP,50Hz工頻干擾,雷電,電刷火花,燈管放電,無線電,宇宙射線,醫(yī)用遙測(cè),高頻治療/電刀/電療,信號(hào)及干擾源的頻率分布,ENGelectronystagmography眼球震顫電流描記,PCGphonocardiogram心音圖,AEPauditoryevokedpotential聽覺激發(fā)電位,SEPsomatosensoryevokedpotential身體感覺激發(fā)電位,2020/6/16

12、,溫州醫(yī)學(xué)院,34,50Hz工頻干擾引入的途徑途徑一：通過人體分布電容耦合id。途徑二：通過導(dǎo)線分布電容耦合id1、id2。,50Hz工頻干擾形成示意圖,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,35,人體分布電容引入的工頻干擾idZ1,Z2為皮膚和放大器間導(dǎo)線電阻及皮膚接觸電阻的等效阻抗，ZG為接地電極與皮膚間的等效阻抗，id流經(jīng)ZG建立共模電壓Vc：由于id流經(jīng)Z1,Z2，由于Z1,Z2的不同形成差模干擾電壓：放大器總輸出（差模信號(hào)、共模干擾、差模干擾）：,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,36,id共模干擾的消除增加CMRR增加輸入阻抗Zin減少電極阻抗Z1、Z2：皮膚電阻的處理：磨去角質(zhì)層，清潔油

13、脂、毛發(fā)使用導(dǎo)電膏：以礦物油、合成脂類油、硅油作基礎(chǔ)油，加入導(dǎo)電、抗氧、抗腐、抑弧等特殊添加劑，經(jīng)研磨、分散、改性精制而成的軟狀膏體。使用同牌號(hào)、規(guī)格的電極和引線，Z1Z2,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,37,導(dǎo)線分布電容引入的干擾id1、id2。id1、id2流經(jīng)ZG共模干擾電壓Vc：id1、id2流經(jīng)Z1、Z2，產(chǎn)生的差模干擾：這兩部分干擾在放大器輸出端的總輸出Vout：,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,38,id1、id2干擾的消除減少Z1、Z2減少id1、id2：減少電極引線引入工頻干擾（屏蔽）屏蔽整體屏蔽：屏蔽室接地引線屏蔽：屏蔽層接地,整體屏蔽,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,3

14、9,引線屏蔽及干擾的引入缺點(diǎn)：C1、C2的存在導(dǎo)致共模干擾Ic引入,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,40,屏蔽驅(qū)動(dòng)：屏蔽層的干擾信號(hào)作為共模信號(hào)進(jìn)入前置放大器后經(jīng)D5變成幅度相同、相位相反的信號(hào)在反饋至屏蔽層以抵消干擾信號(hào)。,屏蔽層干擾的解決方法：屏蔽驅(qū)動(dòng),2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,41,其他共模干擾消除措施：右腿驅(qū)動(dòng)電路：D1和D2組成的電路的共模增益為1，在a、b處的共模信號(hào)Vc與被測(cè)體上的共模信號(hào)Vc相等，Vc=Vc。Vc=idbRo+Vo，且：,Vc,Vc,直接接地時(shí)Vc=idbRO使用右腿驅(qū)動(dòng)可使共模干擾減少（1+2Rf/Ra）倍。,因此：,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,42

15、,使用濾波器：限制帶寬。50Hz陷波器：當(dāng)生物電信號(hào)的頻段包括50Hz時(shí)，50Hz陷波器去除工頻干擾。采用有源雙T陷波濾波器。,有源雙T陷波濾波器,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,43,引線絞合處理：絞合方式減少50Hz交變電磁場(chǎng)的感應(yīng)干擾引入。,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,44,2.1.3.3電氣隔離和大電流防護(hù),一、電氣隔離目的：消除干擾和噪聲、保證電氣安全包括：信號(hào)隔離、電源隔離原理：儀器與病人相連的部分與儀器使用市電的電路部分電氣隔離。,醫(yī)療儀器,220V交流電,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,45,電氣隔離示意圖當(dāng)人體因某種原因與市電接觸，電流i不能與儀器的接地構(gòu)成回路，因此病人

16、相對(duì)安全。,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,46,隔離方法：模擬隔離和數(shù)字隔離模擬隔離：A/D轉(zhuǎn)換之前，可用于電源隔離和信號(hào)隔離隔離變壓器：電磁感應(yīng)，調(diào)制-解調(diào)電容隔離：小電容（隔直），調(diào)制-解調(diào)光電隔離數(shù)字隔離：A/D轉(zhuǎn)換之后，用于信號(hào)隔離光電隔離,模擬信號(hào)調(diào)制（500kHz）,隔離器件,同步解調(diào),2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,47,隔離變壓器：常用于電源隔離,電容隔離：常用于信號(hào)隔離將信號(hào)進(jìn)行高頻調(diào)制耦合通過小電容，隔離直流和低頻電流（50Hz）,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,48,光電隔離：兩個(gè)光電二極管CR1和CR3是配對(duì)的，產(chǎn)生相同的光電效應(yīng)，i2=i1=ii。A1和A2供電電源

17、不同,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,49,二、大電流防護(hù)作用：同時(shí)使用除顫器或電刀等設(shè)備時(shí)，會(huì)在電極之間形成高壓沖擊，造成儀器設(shè)備的破壞。所以，生物電放大器還需設(shè)置高壓輸入保護(hù)。,除顫器,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,50,保護(hù)電路/元件的V-I特性曲線限壓元件二極管穩(wěn)壓二極管氣體放電管（氖泡）,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,51,2.1.4生物電放大器的技術(shù)指標(biāo),共模抑制比：差模增益/共模增益100dB頻率響應(yīng)：儀器保持線性輸出時(shí)允許其輸入頻率變化的范圍反映放大器對(duì)不同頻率信號(hào)的不同靈敏度截止頻率：靈敏度下降到70.7%時(shí)的頻率頻率響應(yīng)范圍：靈敏度頻率響應(yīng)范圍內(nèi)的信號(hào)增益噪聲（信噪比：信號(hào)功率與噪聲功率之比SNR）0.5100Hz范圍內(nèi)噪聲1Vp-p,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,52,輸入阻抗：信號(hào)放大器的輸入電阻，1000M時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)t是RC電路中電容的電壓下降到初始值的1/e36.8%經(jīng)歷的時(shí)間。在RC電路中,其時(shí)間常數(shù)=R*C時(shí)間常數(shù)反映的是儀器的低頻截止頻率（fL），用記錄一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的階躍信號(hào)幅度下降到=36.8%時(shí)所需的時(shí)間（t）來反映fL。舉例：心電圖機(jī)對(duì)于1mv定標(biāo)信號(hào)，t3.2s,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,53,RC電路,2020/6/16,溫州醫(yī)學(xué)院,54,2.