生物医学测量与仪器 第二章 生物电放大器

1、What is accuracy?什么是准确度？ What is zero drift?什么是零点漂移？ Why should we use statistical control in medical measurement?为什么要在医学测量中运用统计控制？,MEDICAL INSTRUMENTATION: Application and Design 医学仪器 应用和设计,2017,School of Life Science and Technology,Biopotential生物电势 Resting Biopotential; Action Biopotential 静息电位，动作

2、电位 Electrode电极 Electrolyte电解质 Polarization极化 Depolarization; Repolarization; Hyperpolarization 去极化，复极化，超极化 Amplifier放大器 Inverting amplifier; Non-inverting amplifier; Differential amplifier 反向放大器，同向放大器，差分放大器 Motion Artifact运动伪影,Chapter 2 Biopotential Amplifiers第二章 生物电放大器,2.1 Biopotential 生物电势 2.2 Bio

3、potential Electrodes 生物电极 2.3 Basic requirement of BA生物放大器的基本要求 2.4 Commonly used amplifier circuits常用放大电路 2.5 Parameters参数,2.1 Biopotential生物电势,1. History历史,埃及鲶鱼 早在古埃及时期，尼罗河中的鲶鱼就被发现能够发出最大可至350V的电压脉冲。,加尔瓦尼（1791）首先发现了当肌肉或支配其的神经接触金属拱的时候，青蛙肌肉发生收缩。加尔瓦尼将这一现象解释为放电器官将储存在肌细胞内的电能释放出来的过程。,2. Definition定义 Biop

4、otential: Ionic voltages produced as a result of the electrochemical activity of excitable cells. 生物电势:由可兴奋细胞的电化学反应产生的离子电压。 excitable cells:可兴奋细胞 1) are components of nervous, muscular or glandular tissue 神经、肌、腺组织的组成部分 2) Can produce bioelectric potentials as a result of electrochemical activity. 能由

5、电化学反应产生生物电势,Cell membrane细胞膜 -Slightly permeable Na+，Na+渗透性弱; -Freely permeable to K+ and Cl，K+、Cl 渗透性强（自由渗透）,Diffusion Gradient 扩散梯度 Electrostatic force of repulsion 静电斥力,3. Origin of biopotential生物电势的来源,Resting Membrane Potential: （静息膜电位） Potassium gradient moves positive charge from interior to e

6、xterior.钾离子由内向外顺梯度移动 Membrane acts like a leaky capacitor.细胞膜的作用类似漏电电容 An electric field across the capacitor inhibits the outward flow of positive charge.电容产生的电场阻止了正电荷的外流 An equilibrium potential is established.最终建立平衡电势,Nernst Equation:能斯特方程,R = 8.31 J/(molK) Gas Constant气体常数 F = 96500 C/equiv. Far

7、adays Constant法拉第常数,Goldman, Hodgkin, Katz (more accurate):高曼，霍奇金，卡茨（更精确）,PM表示M离子的渗透系数 M表示M离子的浓度，单位mol/L,例 对青蛙骨骼肌而言，主要离子的胞内胞外浓度的典型值如下所示：,假设在室温（20 ）条件下，青蛙骨骼肌渗透系数取典型值（PNa= 2*10 -8cm/s， PK = 2*10 -8cm/s， PCl =2*10 -8cm/s），试运用高曼方程计算该细胞膜的静息平衡电压。,Action potential动作电位,a transient and rapid sequence of chan

8、ges in the membrane potential 细胞膜电位短暂、迅速的一系列的变化 Changes in Ion Permeability allows inward Na flux and triggers an increased outward K flux through voltage gated ion channels离子渗透性改变使Na+内流，并引发K+通过电压门控离子通道外流 Causes transient change in Membrane Potential造成膜电位的瞬时变化 The change in ion permeability is trigg

9、ered by transient depolarization of the membrane细胞膜的瞬时去极化导致离子通透性的变化,Vm,Vm,Vm,Vm,0,+40,Time,Depolarization 去极化 Na+ influx Na+内流,C 不可极化电极 等效电路 运动伪迹 (常用) 电极,高放大倍数1000倍或更高 高共模抑制比 高输入阻抗至少10M 校准 具有隔离和保护电路,2.3 生物电势放大器,2.3.1 基本要求,2.3.2 常用的放大器电路,理想运放,两个基本原则 规则1: 当运算放大器的输出在其 线性范围内, 两个输入端具有相同的电压 规则 2: 无电流流入运算放

10、大器的任一输入端子.,(1) Inverting amplifiers (反相放大器),电路,杠杆模拟,输入 输出特性,(2) Non-inverting amplifier(同相放大器),电路,输入 输出特性,杠杆模拟,?,电压跟随器,(3) One-op-amp differential amplifiers (单运放差分放大器),例题. 上图的差分放大器电路中R1 = R3 = 10 k ，R2 = RF =20 k. 求解下列三种情况下的输出电压, VI1 端的输入阻抗, VI2 端的输入阻抗： VI1 = 0, VI1 = VI2，VI1 = +VI2.,解:,(4) Three-o

11、p-amp differential amplifiers (三运差分放大器),特征： 高输入阻抗 高共模抑制比 漂移抑制能力强 通过调节R1能够改变增益,例子,Solution:,2.3.3 Nonideal characteristics,1. Frequency response (频率响应),(1) Open-loop gain (开环增益) 杂散电容或结电容限制高频响应的方式与简单的RC低通滤波器减少高频增益的方式相同 (2)Compensation (补偿) 在电路图的指定端子上增加一个外部电容，将会使RC滤波器角频率降到非常低，会导致斜率符号变化和-90度的相移。,(3) Clo

12、se-loop gain (闭环增益) 使用负反馈调节的放大器电路，其增益不会超过运算放大器的增益，频率响应大大增强。 (4) Loop gain (环路增益) 放大器电路的环路增益是通过从环中任意一点打开反馈环，添加一个信号，并且测量环的增益。,(5) Gainbandwidth product (增益带宽积) 运算放大器的增益带宽积等于增益和带宽在某一特定频率的乘积，在之前的计算中，运算放大器的增益带宽积的典型值是4MHz。 (6) Slew rate (压摆率) 输出电压的最大变化速率 若某输入高振幅正弦波的频率超过压摆率Sr ，则会发生失真。 额定输出的最大频率,2. Offset v

13、oltage (失调电压) 两个运算放大器输入端驱动晶体管的基极，并且每个射极-基极电压差会有轻微差别。 调零:向端子添加外部零点电位器，通过一个晶体管输入端对电位器的调整增加射极电流，通过另一个晶体管能降低射极电流，这样就改变了两个晶体管的射极-基极电压直到失调电压降为0。,3. Bias Current (偏置电流) 两个运算放大器的输入驱动的晶体管、基极或栅极电流必须一直流动来保持晶体管导通。为了尽量减小误差，一般使用例如10 k这样的小反馈电阻。 差动偏置电流: 两个输入偏置电流之间的差异比任意一个单独的偏置电流小得多。,2.3.4 Characteristics of BA,1. 增

14、益,从电生理活动得到的具有几微伏到几毫伏的信号电压必须被放大到适合用于驱动显示和记录设备的水平。 大多数BA必须具有1000或更大的增益。 放大器的增益以分贝(dB)来衡量 增益(dB) = 20 lg (线性增益),2. 频率响应,放大器的带宽是上限截止频率和下限截止频率的差值，上下限截止频率的增益是中频平稳状态下增益的0.707倍。截止点被称为半功率点，也是-3dB点，因为截止点的增益比中频平稳状态下的增益低3dB。 -3 dB = 20 lg(0.707),3. 共模抑制,人体是很好的导体，因此会作为天线吸收环境中的电磁辐射。,一种常见的电磁辐射是50/60 Hz波，并且其谐波来源于电力

15、线，由电源线辐射。其他频谱分量是由荧光照明灯、电子器械、计算机等添加进去的。,4. 噪声和漂移,噪声和漂移是在测量过程中附加的会干扰原有生物电的不需要的信号。 噪声和漂移都是在放大器电路中产生的。 噪声: 频率分量超过0.1Hz的无用信号; 在测量峰峰值(uVp-p) 或均方根值(uVRMS)时，会把其当作差动输入电压。 漂移: 频率低于0.1Hz的基线缓慢变化; 描述为基线的峰-峰值变化。,5. 恢复,在某些情况下，如运动引起的电极的高偏置电压，电流刺激，除颤脉冲等等，会造成生物电势放大器操作的瞬时中断。 这是由于高振幅瞬态输入信号引起的放大器的饱和，放大器在有限时间内保持饱和，然后漂移回原

16、始基线。 这段生物电势放大器在饱和刺激结束后回到正常操作状态所需要的时间就被称为恢复时间。,6. 输入阻抗,生物电势放大器的输入阻抗必须足够高，以免测量时电生理信号显著地衰减。,7. 电极极化,电极和电解液之间发生电子离子交换，产生名为半电池电势的电压。生物电势放大器的前端必须要能够处理直流极化成分中极其微弱的信号。 这些直流信号能够使放大器饱和，阻止低电平交流分量的检测。 美国医疗仪器促进协会颁布的标准规定：ECG放大器必须能够承受由皮肤电极接触造成的高达300 mV的直流电流分量。,各个生物电信号的频率范围,2.3.5 Bandpass selection for BA,Low pass

17、filter (低通滤波器),High pass filter (高通滤波器),ECG 放大器,summary,2.3 生物电势放大器 2.3.1 Basic requirement 2.3.2 Commonly used amplifier circuits (1) Inverting amplifiers (反相放大器) (2) Non-inverting amplifier(同相放大器) (3) One-op-amp differential amplifiers(单运算差分放大器) (4) Three-op-amp differential amplifiers(三运算差分放大器),2.3.3 Nonideal characteristics 1. Frequency response (频率响应) (1) Open-loop gain (开环增益) (2) Compensation (补偿) (3) Close-loop gain (闭环增益) (4) Loop gain (环路增益) (5) Gainbandwidth product (增益带宽积) (6) Slew rate (压摆率),2. Offset voltage (失调电压) 3. Bias Current (偏置电流) 2.3.4 characteri