第五章生物医学遥测-2

1、生物医学电子学生物医学电子学第五章第五章 生物医学遥测生物医学遥测Biomedical Electronics第三节第三节 脉冲数字调制脉冲数字调制第四节第四节 生物遥测方式生物遥测方式第五节第五节 心电遥测心电遥测第三节第三节 脉冲数字调制（脉冲数字调制（PCM） 模拟脉冲调制模拟脉冲调制是用脉冲的某一个参数的变化来传递各采样是用脉冲的某一个参数的变化来传递各采样值。如果系统的频带不够宽或传送过程中混入噪声和干扰，值。如果系统的频带不够宽或传送过程中混入噪声和干扰，那么在接收端解调后的信号就存在一定的失真，影响信号的那么在接收端解调后的信号就存在一定的失真，影响信号的传输质量。从理论上说，这

2、样的失真对信号的影响是无法消传输质量。从理论上说，这样的失真对信号的影响是无法消除的，这是除的，这是模拟信号传输的根本弱点模拟信号传输的根本弱点。 数字脉冲调制数字脉冲调制所传输的是各采样的量化值。数字信号用所传输的是各采样的量化值。数字信号用多种不同的脉冲或脉冲的不同组合来代表。接收端只要在各多种不同的脉冲或脉冲的不同组合来代表。接收端只要在各种干扰下能正确判断发送的是哪一种波形或脉冲组合，波形种干扰下能正确判断发送的是哪一种波形或脉冲组合，波形本身的失真还不足以影响这种判断，就不会影响传输的准确本身的失真还不足以影响这种判断，就不会影响传输的准确性，这是性，这是数字脉冲调制优于模拟脉冲调制

3、的地方数字脉冲调制优于模拟脉冲调制的地方。脉冲数字调制脉冲数字调制(PCM) 所传递的一组组脉冲所传递的一组组脉冲(称为称为电码电码)，代表每，代表每个抽样的量化值，接收机恢复原信号时只需判断脉冲的有无或个抽样的量化值，接收机恢复原信号时只需判断脉冲的有无或者脉冲的极性，故噪声、干扰的影响相对变小，即使脉冲波形者脉冲的极性，故噪声、干扰的影响相对变小，即使脉冲波形发生了较大的失真，也可以进行发生了较大的失真，也可以进行“鉴别鉴别”，判断电码波形所代，判断电码波形所代表的符号，恢复原数字信号，所以表的符号，恢复原数字信号，所以PCM具有具有自身的抗干扰性能自身的抗干扰性能。 图为图为PCM系统，

4、模拟信号首先系统，模拟信号首先进行采样，使连续信号离散，再进进行采样，使连续信号离散，再进行量化并编码，形成二进制数字信行量化并编码，形成二进制数字信号，调制后发射出去。号，调制后发射出去。 取样后的信号相当于取样后的信号相当于PAM信号，仍是模拟信号。量化后的信号，仍是模拟信号。量化后的多电平信号要进行编码，最常用的是二进制编码。数字信号在多电平信号要进行编码，最常用的是二进制编码。数字信号在传输中不会使噪声积累，只要噪声不足以在接收设备内产生误传输中不会使噪声积累，只要噪声不足以在接收设备内产生误码，经过传输之后，可以作到和发出的数字信号完全一样。码，经过传输之后，可以作到和发出的数字信号

5、完全一样。 接收的过程和发送相反，接收端收到接收的过程和发送相反，接收端收到PCM信号后，先译码，信号后，先译码，恢复为量化信号，再经过低通滤波器，得到原模拟信号。恢复为量化信号，再经过低通滤波器，得到原模拟信号。 数字信号和模拟信号的调制与解调，工作原理上是一样的，数字信号和模拟信号的调制与解调，工作原理上是一样的，只是各自有不同的特点和问题。数字信号调制有三种方式：只是各自有不同的特点和问题。数字信号调制有三种方式：幅幅移键控移键控(ASK)、频移键控、频移键控(FSK)和相移键控和相移键控(PSK)。它们本质上。它们本质上就是前面所介绍的调幅、调频和调相。就是前面所介绍的调幅、调频和调相

6、。 1、幅度键控信号的波形及其解调、幅度键控信号的波形及其解调 数字信号数字信号A与载波与载波u0(t)相乘，得相乘，得到调幅信号到调幅信号u(t)。和模拟信号调幅原。和模拟信号调幅原理和电路设计没有什么区别。利用检理和电路设计没有什么区别。利用检波器检出调幅信号的包络，如果检波波器检出调幅信号的包络，如果检波器中的滤波电路器中的滤波电路RC时间常数太大，时间常数太大，即频带较窄，那么检波后的输出包络即频带较窄，那么检波后的输出包络将有一定的失真，方波的前、后沿变将有一定的失真，方波的前、后沿变坏，对模拟信号的很难消除，但对数坏，对模拟信号的很难消除，但对数字信号的恢复没有什么影响。例如用字信

7、号的恢复没有什么影响。例如用施米特触发器限定一个判决电平施米特触发器限定一个判决电平Ep，Ep=U2，这称为数字信号序列的，这称为数字信号序列的 “整形整形”或或“再生再生”。波。两种振荡经相加器产生频率键控信号。由于波。两种振荡经相加器产生频率键控信号。由于f1和和f2 是两是两个独立的振荡电路，初始相位是随机的，所以在个独立的振荡电路，初始相位是随机的，所以在+1、- 1两种两种状态转换时，振荡的相位是不连续的。用前述直接调频的方状态转换时，振荡的相位是不连续的。用前述直接调频的方法，如控制可变电抗元件组成的振荡回路实现调频，或者采法，如控制可变电抗元件组成的振荡回路实现调频，或者采用可控

8、的多谐振荡器作为调频电路，都可以获得用可控的多谐振荡器作为调频电路，都可以获得FSK信号。信号。 2、频移键控、频移键控 图为二进制频率键图为二进制频率键控信号波形及调频实现电路框图。控信号波形及调频实现电路框图。利用频率为利用频率为f1、f2的两个正弦振荡、的两个正弦振荡、按照数字信号序列出现按照数字信号序列出现+1、- 1规规律轮流工作，从而产生二进制频律轮流工作，从而产生二进制频率键控信号。门率键控信号。门(1)和门和门(2)的启闭的启闭由数字信号序列控制，由数字信号序列控制，+1时，跟时，跟随器随器T输出一个正脉冲，门输出一个正脉冲，门(1)打开，打开，门门 (2)关闭，得到频率关闭，

9、得到频率f1的输出；的输出；- 1时，门时，门(2)打开，门打开，门(1)关闭，输出关闭，输出频率为频率为f2 的另一正弦的另一正弦频率键控信号的解调频率键控信号的解调 一般有两种形式：鉴频和零一般有两种形式：鉴频和零点解调。如点解调。如双失谐回路鉴频器双失谐回路鉴频器是常用的解调电路。右图是零是常用的解调电路。右图是零点鉴频电路框图和波形。在每点鉴频电路框图和波形。在每个周期，正弦振荡的瞬时值必个周期，正弦振荡的瞬时值必有两次等于零。零点数目可表有两次等于零。零点数目可表示出调频波的变化。假设示出调频波的变化。假设FSK信号是一个相位连续的键控脉信号是一个相位连续的键控脉冲冲u（t），经限幅

10、、微分和全），经限幅、微分和全波整流之后，得到一个单极性波整流之后，得到一个单极性尖顶窄脉冲序列。用这些窄脉尖顶窄脉冲序列。用这些窄脉冲去触发单稳态触发器，产生冲去触发单稳态触发器，产生幅度为幅度为E、宽度为、宽度为的矩形脉的矩形脉冲序列。在同样的时间内，矩冲序列。在同样的时间内，矩形脉冲的数目等于频率键控信形脉冲的数目等于频率键控信号的零点数。号的零点数。令令n1、n2分别表示振荡频率为分别表示振荡频率为f1和和f2时单位时间内的零点数，时单位时间内的零点数，则则n1= 2f1 、n2 = 2f2，那么，那么f1时触发器输出电压平均值为时触发器输出电压平均值为可见可见f1和和f2的差别越大，

11、的差别越大，U越大。相应地，区别越大。相应地，区别0、l 码就越码就越容易。容易。 用相干解调和差动解调也能够获得用相干解调和差动解调也能够获得FSK信号的解调。信号的解调。 相干解调相干解调是指利用乘法器，输入一路与载频相干（同频是指利用乘法器，输入一路与载频相干（同频同相）的参考信号与载频相乘。同相）的参考信号与载频相乘。 差动相干解调差动相干解调是保留前一接收波形的相位，作为鉴别后是保留前一接收波形的相位，作为鉴别后一接收波形相位相对变化的依据。一接收波形相位相对变化的依据。 3、相位键控信号、相位键控信号 图为相位键控信号的波形。图为相位键控信号的波形。通过数字信号序列对载波相位进通过

12、数字信号序列对载波相位进行控制而产生。图行控制而产生。图(c)为为绝对调相绝对调相波形波形，已调高频振荡的相位与未，已调高频振荡的相位与未调载波的相位，在码元取调载波的相位，在码元取“l”时时相同，在码元取相同，在码元取“0”时相差时相差180。图图(d)为为相对调相波形相对调相波形，它的调制，它的调制规律：各码元的载波相位不是以规律：各码元的载波相位不是以固定的、未调载波的相位作基准，固定的、未调载波的相位作基准，而是以相邻的前一个码元的载波而是以相邻的前一个码元的载波相位为基准来确定相位的取值。相位为基准来确定相位的取值。如图，码元为如图，码元为“1”时，它的载波时，它的载波相位和相邻的前

13、一码元载波的相相位和相邻的前一码元载波的相位相同位相同(0相移相移)；当码元变为；当码元变为“0”时，其载波相位和前一码元的相时，其载波相位和前一码元的相位差位差180 。数字调相信号通常用相干解调数字调相信号通常用相干解调方式解调。如图，当调相信号方式解调。如图，当调相信号u(t) 为为0相移时，它和相干相移时，它和相干信号信号u1(t)相乘，并把高频分量相乘，并把高频分量滤除掉以后得到正脉冲，可以滤除掉以后得到正脉冲，可以判决为判决为“1”；当调相信号为；当调相信号为180相移时，得到负脉冲，相移时，得到负脉冲，可判决为可判决为“0”。由于接收机的。由于接收机的相干信号的初相位是不确定的，

14、相干信号的初相位是不确定的，可能是可能是“0”，也可能是，也可能是，这，这就造成解调后的正、负脉冲极就造成解调后的正、负脉冲极性混乱，所以相干解调只用于性混乱，所以相干解调只用于相对调相信号的解调。可以看相对调相信号的解调。可以看到，解调系统中，关键是相干到，解调系统中，关键是相干信号信号(即载波即载波)的产生。的产生。数字调相信号不含载波数字调相信号不含载波f0分量，分量，因此无法从因此无法从u(t)中直接提取载中直接提取载波信号。但如果把调相波进波信号。但如果把调相波进行全波整流，所产生的波形行全波整流，所产生的波形中将包括频率为中将包括频率为2 f 0的谐波分的谐波分量，用滤波或锁相电路

15、把它量，用滤波或锁相电路把它提取出来，经过分频即获得提取出来，经过分频即获得频率为频率为f0的相干振荡。把的相干振荡。把2 f0的振荡分频为的振荡分频为f0的相干载波时，的相干载波时，相干载波的初相位虽然并不相干载波的初相位虽然并不确定，可能是确定，可能是 0 相，也可能相，也可能是是相，但对于相干解调是无相，但对于相干解调是无关紧要的。关紧要的。 第四节第四节 生物遥测方式生物遥测方式 随着半导体集成技术的进展，为医用遥测提供了更广泛应随着半导体集成技术的进展，为医用遥测提供了更广泛应用的可能。性能优良的新型、超小型遥测装置不断地引入医学、用的可能。性能优良的新型、超小型遥测装置不断地引入医

16、学、生理学测量。生理学测量。 数字集成电路技术的发展，数字集成电路技术的发展，脉冲数字调制系统脉冲数字调制系统已经开始用已经开始用于航天医学的研究。于航天医学的研究。 国内已成功地用国内已成功地用PCM系统实现了对飞行员的心电、脑电、系统实现了对飞行员的心电、脑电、肌电、体温等多种生理参数的遥测。肌电、体温等多种生理参数的遥测。 美国宇航局在美国宇航局在1975年即采用年即采用CMOS集成电路设计出七路集成电路设计出七路PCM生理遥测系统，进行宇宙飞行员的生理状态的监测、记生理遥测系统，进行宇宙飞行员的生理状态的监测、记录。录。 PCM是生物遥测的理想方式。但由于线路结构比较复杂，是生物遥测的

17、理想方式。但由于线路结构比较复杂，在医学遥测系统中，大量采用模拟调制方式，包括高频正弦和在医学遥测系统中，大量采用模拟调制方式，包括高频正弦和脉冲的模拟调制。本节着重讨论模拟调制方式的生物遥测。脉冲的模拟调制。本节着重讨论模拟调制方式的生物遥测。5.4.1 5.4.1 调制方式的选择调制方式的选择 频率调制频率调制(FM)是生理遥测中应用最早的调制方式。又称是生理遥测中应用最早的调制方式。又称为单调频方式，即将生理信号用传感器提取出来，经过放大为单调频方式，即将生理信号用传感器提取出来，经过放大以后直接对载波进行频率调制。这种方式原理简单，实现容以后直接对载波进行频率调制。这种方式原理简单，实

18、现容易，至今仍然是生物遥测中较多采用的调制方式。易，至今仍然是生物遥测中较多采用的调制方式。 体内埋藏式体内埋藏式(又称植入式又称植入式)生理遥测发射装置多数选用这生理遥测发射装置多数选用这种单调频方式。但是这种方式抗干扰能力不够强，发射器与种单调频方式。但是这种方式抗干扰能力不够强，发射器与生物体或周围导体的相对位置发生变化时，造成载波频率谐生物体或周围导体的相对位置发生变化时，造成载波频率谐振电路的负载变化可能引起载波频率与振幅的变化，在接收振电路的负载变化可能引起载波频率与振幅的变化，在接收端难以区分这种干扰。端难以区分这种干扰。 单调幅方式只简单用于实验跟踪的情况，由于发射机和接单调幅

19、方式只简单用于实验跟踪的情况，由于发射机和接收机之间距离的变化会使信号的振幅发生变化，造成解调后收机之间距离的变化会使信号的振幅发生变化，造成解调后波形较大的失真，一般不单独使用。波形较大的失真，一般不单独使用。 为了提高抗干扰能力，一般采用双重调制方式。为了提高抗干扰能力，一般采用双重调制方式。 双重调频方式双重调频方式(FM-FM) 是先将生理信号对副载波进行调是先将生理信号对副载波进行调频，然后再把已调频的副载波对高频载波进行第二次调频。频，然后再把已调频的副载波对高频载波进行第二次调频。副载波的调制和解调分别在发射机和接收机的内部进行，干副载波的调制和解调分别在发射机和接收机的内部进行

20、，干扰信号不容易进入测量通道，因此这种双调频的方式具有较扰信号不容易进入测量通道，因此这种双调频的方式具有较强的抗干扰能力。强的抗干扰能力。 调频调幅方式调频调幅方式(FM-AM）是先将生理信号对副载波进行调）是先将生理信号对副载波进行调频，然后再用调频波对高频载波进行调辐。显然，这种双调频，然后再用调频波对高频载波进行调辐。显然，这种双调制可以缩减接收机的频带，提高信噪比。用脉冲调制方式时制可以缩减接收机的频带，提高信噪比。用脉冲调制方式时的双重调制如调脉宽调频的双重调制如调脉宽调频(PDM-FM)，等等。，等等。 医学测量的遥测系统，通常要同时传输多种生理信号。医学测量的遥测系统，通常要同

21、时传输多种生理信号。把多路的信号合并为一个传递信息，称为把多路的信号合并为一个传递信息，称为多路传输多路传输。多路化。多路化的设计，首先是根据被传送的各个信号的频带和振幅变化的的设计，首先是根据被传送的各个信号的频带和振幅变化的范围而确定的。其次可选择的多路化方式分为范围而确定的。其次可选择的多路化方式分为时间分割多路时间分割多路化方式化方式(time division)和和频率分割多路化方式频率分割多路化方式(frequency division)，分别简称为时分制和频分制。，分别简称为时分制和频分制。 1、时分制、时分制 按照采样定理把采样的各按照采样定理把采样的各个信号点在时间上错开，排

22、个信号点在时间上错开，排列之后进行传输。分配给各列之后进行传输。分配给各通道的时间间隔区段包含各通道的时间间隔区段包含各通道的采通道的采 样值。多路信号复样值。多路信号复原时，首先必须分离各通道原时，首先必须分离各通道的信号，需要进行同步信号的信号，需要进行同步信号的传输，原理图如图。的传输，原理图如图。 同步信号相对较宽，以便同步信号相对较宽，以便在接收端能容易地被识别。在接收端能容易地被识别。解调后的同步信号使解调接收与发射端同步分离出各通道信号。解调后的同步信号使解调接收与发射端同步分离出各通道信号。同步信号的作用是使通道选择定位，在信号的多路传输过程中，同步信号的作用是使通道选择定位，

23、在信号的多路传输过程中，其作用至关重要。可以利用锁相环路，对多路复合传输信号进其作用至关重要。可以利用锁相环路，对多路复合传输信号进行判断。在捕获到复合信号时，通道选择为同步状态，否则处行判断。在捕获到复合信号时，通道选择为同步状态，否则处于搜索状态。于搜索状态。 时分制中，采样间隔取决于频带最宽的信号，所以多时分制中，采样间隔取决于频带最宽的信号，所以多路传输的频带的利用率比较低。但如果各路信号频带相同，路传输的频带的利用率比较低。但如果各路信号频带相同，则可以充分利用频带。则可以充分利用频带。 设一个采样周期设一个采样周期T之内有之内有n 路信号传送，那么时分制多路信号传送，那么时分制多路

24、遥测系统的总采样频率为路遥测系统的总采样频率为f=nT，表示每秒的采样个数。，表示每秒的采样个数。采样周期内的采样周期内的n路脉冲构成一帧，帧速率即同步脉冲信号路脉冲构成一帧，帧速率即同步脉冲信号的频率。的频率。 时分制遥测系统通常采用双重调制，一次调制为信号对时分制遥测系统通常采用双重调制，一次调制为信号对各路脉冲进行调制，二次调制是多路复合信号对载频进行各路脉冲进行调制，二次调制是多路复合信号对载频进行调制，如调制，如PAM-AM、PPM-FM、PDM-FM、PDM-AM、PCM-ASK、PCM-PSK等，根据要求及实际实现的可能性等，根据要求及实际实现的可能性来选择。来选择。 2、频分制

25、、频分制 图图为为频率分割多路传输系统原理。采用了频率分割多路传输系统原理。采用了FM-FM双重双重调制。把各副载波调制。把各副载波l， 2，等分配到各个信号通道，各路等分配到各个信号通道，各路信号分别对每道副载波进行调频。各通道在频谱上是依次排信号分别对每道副载波进行调频。各通道在频谱上是依次排列的，所以每个副载波的调制信号的频谱不可能和相邻信道列的，所以每个副载波的调制信号的频谱不可能和相邻信道的调制信号的频谱相重叠。的调制信号的频谱相重叠。 如何高效率地利用整个频带，是频率分割多路系统的主如何高效率地利用整个频带，是频率分割多路系统的主要问题。要问题。 为防止路际干扰，在调制后的每一路已

26、调波再经过带通为防止路际干扰，在调制后的每一路已调波再经过带通滤波器限定各自的频率范围后，相加形成多路化信号进行传滤波器限定各自的频率范围后，相加形成多路化信号进行传输。在接收端采用与发射端相应的带通滤波器，其中心频率输。在接收端采用与发射端相应的带通滤波器，其中心频率为各副载波频率，只允许对应的信号通过，而衰减其他各路为各副载波频率，只允许对应的信号通过，而衰减其他各路信号，实现已调副载波的分离。分离之后由副载波解调恢复信号，实现已调副载波的分离。分离之后由副载波解调恢复各路遥测生理信号。各路遥测生理信号。 频分制也采用双重调制，在生物医学遥测中，考虑生理频分制也采用双重调制，在生物医学遥测

27、中，考虑生理信号的低频率特点，信号占有的频带不宽，在遥测路数不多信号的低频率特点，信号占有的频带不宽，在遥测路数不多而要求抗干扰性能较好的情况下，大量采用而要求抗干扰性能较好的情况下，大量采用双调频双调频方式。方式。 频分制多路传输系统中的带通滤波器特性不可能是理想频分制多路传输系统中的带通滤波器特性不可能是理想的矩形特性，路际干扰总是存在的，并随着遥测路数的增加的矩形特性，路际干扰总是存在的，并随着遥测路数的增加而更加突出，这成为限制频分制系统路数的主要因素。一般而更加突出，这成为限制频分制系统路数的主要因素。一般FM-FM的路数不宜超过的路数不宜超过10，采用单边带调制，可以适当增，采用单

28、边带调制，可以适当增加路数。系统中的各种非线性变化落入各通带内也会造成干加路数。系统中的各种非线性变化落入各通带内也会造成干扰，应尽量避免。扰，应尽量避免。 5.4.2 频段的选择频段的选择 生物遥测射频载波选择在甚高频段生物遥测射频载波选择在甚高频段(VHF)。此频段比中。此频段比中频、高频段干扰小，传递信号的强度没有昼夜的区别；对于频、高频段干扰小，传递信号的强度没有昼夜的区别；对于天线的依赖性不大，天线的尺寸很小，这使生物遥测方便、天线的依赖性不大，天线的尺寸很小，这使生物遥测方便、易行，人体对这一频段内的电磁波吸收量很小，高于甚高频易行，人体对这一频段内的电磁波吸收量很小，高于甚高频段

29、上限频率段上限频率250MHz时，人体对电磁波的吸收量明显变大，时，人体对电磁波的吸收量明显变大，已不适用于生物遥测。国外医用遥测波段为已不适用于生物遥测。国外医用遥测波段为36.7-37.9MHz和和146- 176MHz，国内一般也选择这一频段。在植入式发射机，国内一般也选择这一频段。在植入式发射机从人体内向外发射高频调制波时，须穿透人体组织才能到达从人体内向外发射高频调制波时，须穿透人体组织才能到达外部的接收器。在这种情况下，应当考虑工作频带的穿透特外部的接收器。在这种情况下，应当考虑工作频带的穿透特性，通过实验，选定合适的甚高频段频率。性，通过实验，选定合适的甚高频段频率。 5.4.3

30、关于发射功率关于发射功率 发射功率的大小取决于遥测距离。体内植入式生理信号发射功率的大小取决于遥测距离。体内植入式生理信号的遥测装置的发射机放置在体内，在体外接收的遥测装置的发射机放置在体内，在体外接收(不可能作远不可能作远距离传输距离传输)，作用距离很小，发射功率十分小，有的仅几十，作用距离很小，发射功率十分小，有的仅几十微瓦。用于临床监护、运动监护时，发射机在体外，发射微瓦。用于临床监护、运动监护时，发射机在体外，发射功率由需要传输的距离决定。床旁监护作用距离在功率由需要传输的距离决定。床旁监护作用距离在500m的的范围之内，运动监护监测作用距离可达几千米，如我国运范围之内，运动监护监测作

31、用距离可达几千米，如我国运动员攀登珠穆朗玛峰的心电遥测，其信号是在峰顶发射，动员攀登珠穆朗玛峰的心电遥测，其信号是在峰顶发射，由峰下的营地接收的。发射功率由峰下的营地接收的。发射功率P和传输距离和传输距离r与电磁场强与电磁场强度度E的关系为的关系为rPkE 对于某种接收灵敏度的遥测接收机，相应地对应一定的对于某种接收灵敏度的遥测接收机，相应地对应一定的电磁场强度，当增加遥测距离电磁场强度，当增加遥测距离r时，必须增加发射功率时，必须增加发射功率P。 生物遥测中，发射功率的增加受到三方面的限制：生物遥测中，发射功率的增加受到三方面的限制： (1)耗电的限制。生物遥测中的发射机都采用电池供电，减耗

32、电的限制。生物遥测中的发射机都采用电池供电，减小功耗是一项重要的设计原则。功率高，耗电大，发射机必小功耗是一项重要的设计原则。功率高，耗电大，发射机必然体积加大，工作时间缩短。然体积加大，工作时间缩短。 (2)发射功率过大，强辐射同时被人体吸收，在人体处于活发射功率过大，强辐射同时被人体吸收，在人体处于活动状态时，高频场强随之变化，形成高频感应电势进入发射动状态时，高频场强随之变化，形成高频感应电势进入发射机形成干扰，在发射机输入放大中，通过非线性变换，产生机形成干扰，在发射机输入放大中，通过非线性变换，产生低频失真。低频失真。(3)强射频谐波分量造成相邻频段的干扰，产生公害。强射频谐波分量造

33、成相邻频段的干扰，产生公害。 因此，对发射机、接收机的主要设计要求是提高其灵敏因此，对发射机、接收机的主要设计要求是提高其灵敏度度, 在不增加辐射场强的情况下在不增加辐射场强的情况下,加大遥测距离。加大遥测距离。 体内埋藏式发射机在用电池方式工作时，一般用化学电体内埋藏式发射机在用电池方式工作时，一般用化学电池，如水银电池，它的能量密度相当高，能量为池，如水银电池，它的能量密度相当高，能量为1.67Wh，贮，贮存寿命至少两年，而且在电能几乎完全用完之前，输出电压存寿命至少两年，而且在电能几乎完全用完之前，输出电压保持不变，电源内阻很小。现在已有各种性能优良的化学电保持不变，电源内阻很小。现在已

34、有各种性能优良的化学电池。核能电池也已开始用于临床。池。核能电池也已开始用于临床。第五节第五节 心电遥测心电遥测 在人体的生理参数测量中，常以心电信号作为类似时基在人体的生理参数测量中，常以心电信号作为类似时基的重要参考信号。生物遥测中，心电信号的遥测是生理遥测的重要参考信号。生物遥测中，心电信号的遥测是生理遥测中的主要应用指标。心电信号遥测对临床心电图监护、动态中的主要应用指标。心电信号遥测对临床心电图监护、动态观察来说，成为非常重要的手段。心电遥测技术在生物遥测观察来说，成为非常重要的手段。心电遥测技术在生物遥测中起步早，相对比较成熟。中起步早，相对比较成熟。 、调制心电遥测一般采用、调制

35、心电遥测一般采用双重调制双重调制方式。典型的方式。典型的发射机电路如图，由心电放大器、压控振荡器、调频发射电发射机电路如图，由心电放大器、压控振荡器、调频发射电路组成。压控振荡器实现第一次调频，调频发射电路完成第路组成。压控振荡器实现第一次调频，调频发射电路完成第二次调频。二次调频。 心电遥测发心电遥测发射机电路射机电路 放大器的设计已经讨论。用体表放大器的设计已经讨论。用体表Ag-AgCl电极，为了获电极，为了获得较好的提取效果又便于四肢运动，电极安放在胸部，取胸得较好的提取效果又便于四肢运动，电极安放在胸部，取胸前导联心电信号。压控振荡器电路要求心电放大器的电压增前导联心电信号。压控振荡器

36、电路要求心电放大器的电压增益为益为103左右，由两级放大实现。压控振荡器是变流式压控多左右，由两级放大实现。压控振荡器是变流式压控多谐振荡器。谐振荡器。T1、T2组成组成多谐振荡器多谐振荡器，T3、T4是是恒流源恒流源，其电，其电流随控制电压流随控制电压(即心电放大器输出电压即心电放大器输出电压)的变化而改变，从而的变化而改变，从而改变多谐振荡器的充放电周期，实现改变多谐振荡器的充放电周期，实现频率调制频率调制。压控振荡器。压控振荡器为心电信号提供为心电信号提供高频载波高频载波。心电遥测发心电遥测发射机电路射机电路 压控振荡器的中心频率设计为压控振荡器的中心频率设计为f0=1300Hz，即心电

37、放大，即心电放大器的输入电压为零伏时，多谐振荡器的振荡频率为器的输入电压为零伏时，多谐振荡器的振荡频率为1300Hz。当心电放大器处于工作状态时，压控振荡器的振荡频率将偏当心电放大器处于工作状态时，压控振荡器的振荡频率将偏离中心频率，偏移量与心电信号的幅度成正比，心电信号电离中心频率，偏移量与心电信号的幅度成正比，心电信号电压的变化转换为频率的变化，实现了心电信号的第一次调频，压的变化转换为频率的变化，实现了心电信号的第一次调频，即即副载波调频副载波调频。 压控振荡器的频率线性调制范围设计并通过实际测量为压控振荡器的频率线性调制范围设计并通过实际测量为600Hz2100Hz，最大频偏为，最大频

38、偏为f=750Hz，频率偏移范围，频率偏移范围达达2f=1500Hz。若取调制系数。若取调制系数mf =10，则能够容纳的信号频，则能够容纳的信号频率为率为这对于心电信号的测量来说，已经能够满足要求。这对于心电信号的测量来说，已经能够满足要求。Hzmfff1502 如果压控振荡器输入电压为如果压控振荡器输入电压为0.5 5.5V，则压控振荡器的，则压控振荡器的控制灵敏度为控制灵敏度为调节压控振荡器恒流管调节压控振荡器恒流管基极限流电阻基极限流电阻R(43k)可以改变控可以改变控制灵敏度。制灵敏度。 多种压控振荡器的电路可作为心电遥测电路的副载波调多种压控振荡器的电路可作为心电遥测电路的副载波调

39、频电路。频电路。 压控振荡器的输出幅度是恒定的，经过分压送入压控振荡器的输出幅度是恒定的，经过分压送入调频发调频发射电路射电路，完成第二次调频。调频发射电路为，完成第二次调频。调频发射电路为149MHz调谐振荡调谐振荡器，用器，用149MHz晶体振荡稳频。晶体管晶体振荡稳频。晶体管T基极电流的变化产基极电流的变化产生振荡频率的变化，高频频偏为生振荡频率的变化，高频频偏为f=10KHz，谐振线圈同，谐振线圈同时具有辐射发射的能力，因此该发射机不必另设天线。时具有辐射发射的能力，因此该发射机不必另设天线。高频调频发射电路也有多种形式，常用于心电遥测的是高频调频发射电路也有多种形式，常用于心电遥测的

40、是利用利用变容二极管变容二极管的调频发射电路，可产生的调频发射电路，可产生50KHz的频偏。的频偏。VHz/3005 . 05 . 56002100、解调、解调 心电遥测的解调电路框图如图。通过心电遥测的解调电路框图如图。通过0.7m拉拉杆天线收到杆天线收到149MHz的调频信号后，经过放大、射频鉴频，的调频信号后，经过放大、射频鉴频，得到频率变化范围为得到频率变化范围为600 - 2100Hz的副载波信号，完成的副载波信号，完成第一第一次调频信号的解调次调频信号的解调。接收机获得的副载波信号，一方面直。接收机获得的副载波信号，一方面直接进入鉴频器进行接进入鉴频器进行第二次解调第二次解调，另一

41、方面可送入录音机进，另一方面可送入录音机进行记录，以便长期保存遥测的信息，在需要的时候分析。行记录，以便长期保存遥测的信息，在需要的时候分析。 （）遥测信号的（）遥测信号的第一次鉴频第一次鉴频，因载波频率很高，不能直，因载波频率很高，不能直接鉴频。采用两次混频，用石英振荡器作为本振，接鉴频。采用两次混频，用石英振荡器作为本振，94MHz第一第一本振信号与本振信号与149MHz混频后得到第一中频混频后得到第一中频55MHz。65.7MHz第第二本振信号与二本振信号与65MHz混频后得到第二中频混频后得到第二中频10.7MHz，再经过限，再经过限幅、振幅鉴频而获得幅、振幅鉴频而获得600 - 21

42、00Hz的副载波信号。的副载波信号。 （）（） 第二次鉴频即第二次鉴频即副载波鉴频副载波鉴频，将副载频信号还原成心，将副载频信号还原成心电图。通常采用脉冲均值鉴频器实现电图。通常采用脉冲均值鉴频器实现,先通过低通滤波去除高频先通过低通滤波去除高频干扰，再经过放大、整形、单稳等功能电路，得到等幅、等宽干扰，再经过放大、整形、单稳等功能电路，得到等幅、等宽的脉冲序列，其重复频率与调频波相同，最后由心电信号的高的脉冲序列，其重复频率与调频波相同，最后由心电信号的高频分量限定低通滤波器的上限截止频率，恢复心电波形。频分量限定低通滤波器的上限截止频率，恢复心电波形。图为单片集成锁相环（能够完成两个电信号

43、相位同步的图为单片集成锁相环（能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统）自动控制闭环系统）CD4046实现心电遥测中副载波振荡和副实现心电遥测中副载波振荡和副载波鉴频的电路。载波鉴频的电路。锁相环路锁相环路包含一个低功耗、高线性度的压包含一个低功耗、高线性度的压控振荡器，外接电容控振荡器，外接电容Cr、Rr决定压控振荡器的中心振荡频率决定压控振荡器的中心振荡频率f0。放大后的心电信号从放大后的心电信号从CD4046的的“9”脚输入，选择合适的对应脚输入，选择合适的对应于于VCO的的f0的中心电压，使的中心电压，使VCO振荡频率随输入心电信号的振荡频率随输入心电信号的幅度线性变化，实现副载波

44、的线性调频。副载波调频信号经幅度线性变化，实现副载波的线性调频。副载波调频信号经R和和C组成的无源低通滤波器除去杂散的高频分量。组成的无源低通滤波器除去杂散的高频分量。 载波载波调频振荡器调频振荡器由功率管、变容二极管和石英晶体振荡器组由功率管、变容二极管和石英晶体振荡器组成。副载波调频信号电压加到变容二极管改变载波调频振荡器的成。副载波调频信号电压加到变容二极管改变载波调频振荡器的频率实现载波调频。双调频信号直接由谐振线圈辐射出去。频率实现载波调频。双调频信号直接由谐振线圈辐射出去。 由于生物遥测选择超高频段，因此通常利用超短波调频收音由于生物遥测选择超高频段，因此通常利用超短波调频收音机实

45、现生物遥测接收。副载波的解调也采用锁相环路机实现生物遥测接收。副载波的解调也采用锁相环路CD4046，副载波调频信号从副载波调频信号从“14”脚输入，进入环路的鉴相器输入端，从脚输入，进入环路的鉴相器输入端，从锁相环路的压控振荡器控制信号端输出，得到副载波的解调输出。锁相环路的压控振荡器控制信号端输出，得到副载波的解调输出。 由于采用了锁相环路，中心频率稳定性很高，解调输出有由于采用了锁相环路，中心频率稳定性很高，解调输出有良好的低噪声性能。因此心电遥测系统为了获得心电信号的高良好的低噪声性能。因此心电遥测系统为了获得心电信号的高保真度，常采用这种电路方案。保真度，常采用这种电路方案。 图中给

46、出了图中给出了信号丢失报警电路信号丢失报警电路,设置在遥测系统中的接收端，设置在遥测系统中的接收端，用于病情的自动报警。报警电路由比较器和集成时基电路用于病情的自动报警。报警电路由比较器和集成时基电路(555)构成的多谐振荡器两部分组成。副载波调频信号经过由一个二构成的多谐振荡器两部分组成。副载波调频信号经过由一个二极管和电阻、电容组成的整流滤波电路后，得到一个直流电平，极管和电阻、电容组成的整流滤波电路后，得到一个直流电平，该直流电平与副载波调频信号的强弱成正比。该直流电平与副载波调频信号的强弱成正比。 把这一直流电平送到电压比较器与基准电压把这一直流电平送到电压比较器与基准电压(由由R1、

47、R2分分压取得压取得)进行比较。在正常接收状态下，此直流电平高于基准进行比较。在正常接收状态下，此直流电平高于基准电平，比较器输出低电平，由电平，比较器输出低电平，由(555)组成的多谐振荡器处于停振组成的多谐振荡器处于停振状态。如若信号丢失或者信号微弱，则该电平下降，且低于基状态。如若信号丢失或者信号微弱，则该电平下降，且低于基准电平，此时比较器输出高电平，使准电平，此时比较器输出高电平，使(555)产生频率为产生频率为1KHz的的自激振荡，带动扬声器发出自激振荡，带动扬声器发出1KHz的报警声。与此同时，接在的报警声。与此同时，接在比较器输出端的发光二极管导通发光，从而实现信号丢失时的比较

48、器输出端的发光二极管导通发光，从而实现信号丢失时的声、光报警。声、光报警。第六节第六节 植入式遥测植入式遥测 微电子技术的发展促进电子器件的高可靠性、低微电子技术的发展促进电子器件的高可靠性、低功耗、小型化，从而为植入人体内的遥测装置提供了功耗、小型化，从而为植入人体内的遥测装置提供了实现的条件。随着与人体组织具有相容性的生物材料实现的条件。随着与人体组织具有相容性的生物材料的逐渐完善，以及外科手术、特别是显微外科水平的的逐渐完善，以及外科手术、特别是显微外科水平的提高，使工程研究的成果不断有可能用于临床，人体提高，使工程研究的成果不断有可能用于临床，人体内小型埋藏式医疗器械不断涌现，其诊疗价

49、值日益提内小型埋藏式医疗器械不断涌现，其诊疗价值日益提高。利用植入人体的电子装置，可以获得体内各种生高。利用植入人体的电子装置，可以获得体内各种生理信号的检测，而且能够实现自然状态下的动态测量，理信号的检测，而且能够实现自然状态下的动态测量，充分发挥了生物遥测的优越性。充分发挥了生物遥测的优越性。5.6.1 植入式遥测的特点植入式遥测的特点 和体表生理信号的遥测系统不同，植入式遥测有下述三和体表生理信号的遥测系统不同，植入式遥测有下述三个特点。个特点。 1植入人体的测量系统，必须具有植入人体的测量系统，必须具有无毒、无菌、无腐蚀无毒、无菌、无腐蚀及生物组织相容的及生物组织相容的表面封装表面封装

50、；具有足够的；具有足够的机械强度机械强度，对于，对于长期停留在体内的遥测装置，应确保在体内保持完好、不长期停留在体内的遥测装置，应确保在体内保持完好、不损伤破裂、经久耐用；体积小、重量轻，尺寸、外形要与损伤破裂、经久耐用；体积小、重量轻，尺寸、外形要与植入器官、部位相适应。植入器官、部位相适应。 2可靠性高、功耗低可靠性高、功耗低。放置于人体内的电子系统必须具。放置于人体内的电子系统必须具有长时间的稳定可靠工作的性能。植入式遥测装置的供电有长时间的稳定可靠工作的性能。植入式遥测装置的供电方式分为体内供电和体外供电两种，体内供电时，电子装方式分为体内供电和体外供电两种，体内供电时，电子装置与电源

51、一起植入人体内，电源占装置重量和体积的主要置与电源一起植入人体内，电源占装置重量和体积的主要部分，而且直接影响系统的可靠性、稳定性。部分，而且直接影响系统的可靠性、稳定性。 一般植入体内的有源遥测装置采用高能量密度的一般植入体内的有源遥测装置采用高能量密度的化学电化学电池或核电池池或核电池，例如水银电池重约，例如水银电池重约13g，容量达，容量达12A.h，能量密，能量密度为度为0.54W.hcm3，用于心脏起博器可维持，用于心脏起博器可维持45年。锂电池年。锂电池用于心脏起博器的寿命可达用于心脏起博器的寿命可达5年以上。电池应有良好的密封性，年以上。电池应有良好的密封性，避免漏气或放射性污染

52、。避免漏气或放射性污染。体外供电体外供电的方式即在体外发射能量，的方式即在体外发射能量，通过电磁感应或射频耦合向体内传送能量，在体内检波得到通过电磁感应或射频耦合向体内传送能量，在体内检波得到直流电压。直流电压。 植入式遥测线路的设计由它的测量功能决定，目前大量应植入式遥测线路的设计由它的测量功能决定，目前大量应用的是为测量某一种生理参数的某一功能的电路，如用单一用的是为测量某一种生理参数的某一功能的电路，如用单一晶体管实现哈特莱、考毕兹振荡，电路简单，工作稳定可靠。晶体管实现哈特莱、考毕兹振荡，电路简单，工作稳定可靠。多功能或较为复杂的体内遥测系统，用低功耗的专用集成电多功能或较为复杂的体内

53、遥测系统，用低功耗的专用集成电路予以实现，电路设计的自由度较大。路予以实现，电路设计的自由度较大。 不论采用哪一种方式的植入体内装置，系统的功耗与其不论采用哪一种方式的植入体内装置，系统的功耗与其可靠性都是密切相关的，功耗低将有利于可靠性的提高。功可靠性都是密切相关的，功耗低将有利于可靠性的提高。功耗大能导致多种因素影响系统的稳定、可靠性能。耗大能导致多种因素影响系统的稳定、可靠性能。 3. 通常植入式发射机用通常植入式发射机用调频方式调频方式(FM)，抗干扰能力强。生，抗干扰能力强。生物参数的遥测大都用这种方式，例如利用热敏电阻测量体内物参数的遥测大都用这种方式，例如利用热敏电阻测量体内温度

54、，用温度，用pH电极测量电极测量pH值等。值等。 载波频率的选择，应考虑电磁波在体内传播的特点。载波频率的选择，应考虑电磁波在体内传播的特点。一方面由于人体内脏器、血液和组织的介质特性不同而一方面由于人体内脏器、血液和组织的介质特性不同而产生复杂的反射、透射和吸收、极化等复杂现象，介质损耗产生复杂的反射、透射和吸收、极化等复杂现象，介质损耗也随载波频率加大而增加；也随载波频率加大而增加；另一方面，人体组织对于发射的高频信号存在一定的另一方面，人体组织对于发射的高频信号存在一定的“穿透性穿透性”，发射机载波频率与之有密切关系。植入体内的，发射机载波频率与之有密切关系。植入体内的天线的效率比空气中

55、无障碍状态下的效率低得多。因为机体天线的效率比空气中无障碍状态下的效率低得多。因为机体组织是一种电阻率变化很大的容积导体，组织内的发射天线组织是一种电阻率变化很大的容积导体，组织内的发射天线好象是处于金属屏蔽中，是一种不完全的屏蔽，还有一部分好象是处于金属屏蔽中，是一种不完全的屏蔽，还有一部分电磁波发射出来，所以组织内部的发射天线的植入深度电磁波发射出来，所以组织内部的发射天线的植入深度(实际实际大都是发射机的谐振线圈大都是发射机的谐振线圈)是应该考虑的一个问题。是应该考虑的一个问题。如果植入皮下，有大约一半的电磁波发射到空气中。如果植入皮下，有大约一半的电磁波发射到空气中。如果植入体内，则应

56、清楚天线离体表的距离与穿透深度之如果植入体内，则应清楚天线离体表的距离与穿透深度之间的关系。显然植入深度小于穿透深度时，才能保证空气间的关系。显然植入深度小于穿透深度时，才能保证空气中有足够的电磁场强度，为体外接收机所接收。穿透深度中有足够的电磁场强度，为体外接收机所接收。穿透深度l 可由下式粗略估算：可由下式粗略估算：式中式中 为磁导率，为磁导率，为电阻率，为电阻率，f是频率。例如，在动物实验是频率。例如，在动物实验中，当体内遥测天线位于动物体内的中心处时，动物体的中，当体内遥测天线位于动物体内的中心处时，动物体的最大体宽应不超过最大体宽应不超过22.5cm。2/1)/(fl5.6.2 固定

57、植入的颅内压力遥测固定植入的颅内压力遥测固定植入遥测用于长时间连续监视体内生理参数的变固定植入遥测用于长时间连续监视体内生理参数的变化情况，如脑外科手术后的危重病人的颅内压力的监测。化情况，如脑外科手术后的危重病人的颅内压力的监测。 植入式颅内压遥测方法是在颅骨上钻一孔，然后植入植入式颅内压遥测方法是在颅骨上钻一孔，然后植入一个微型发射装置，装置固定好后，缝合头皮，这样可以一个微型发射装置，装置固定好后，缝合头皮，这样可以防止引起颅内和手术切口的感染，比较安全，而且人的头防止引起颅内和手术切口的感染，比较安全，而且人的头部能够自由移动。部能够自由移动。 图为颅内压遥测电路。采用图为颅内压遥测电

58、路。采用电容式压力传感器电容式压力传感器(p），），传感器的敏感膜片与硬脑膜传感器的敏感膜片与硬脑膜相接触，以测定硬脑膜外压相接触，以测定硬脑膜外压力。传感器的电容量为力。传感器的电容量为1pF，在在50mmHg柱的压力下变化柱的压力下变化量为量为1pF，这样必须要求装，这样必须要求装置中有关输入端的分布电容置中有关输入端的分布电容应远小于应远小于1pF 。图示，传感器电容被图示，传感器电容被接入由晶体管接入由晶体管1组组成的哈特莱振荡器，成的哈特莱振荡器，振荡器的振荡频率选振荡器的振荡频率选择为择为8-10MHz。在压。在压力作用下，传感器电力作用下，传感器电容量的变化控制振荡容量的变化控制

59、振荡频率变化，从而实现频率变化，从而实现压力信号对振荡频率压力信号对振荡频率的调制。调频信号经的调制。调频信号经过过T1管发射极分压，管发射极分压，送入晶体管送入晶体管T2构成的构成的功率放大级，进行高频功率放大。功率放大级，进行高频功率放大。 T2的发射极的的发射极的LC回路也调回路也调谐在谐在8-10MHz，此电感即作为发射装置的天线线圈，已调频，此电感即作为发射装置的天线线圈，已调频的压力信号以的压力信号以8-10MHz的频率向体外发射。的频率向体外发射。 遥测装置采用体外供电方遥测装置采用体外供电方法。体外法。体外240kHz射频振荡射频振荡器用器用LC调谐电路发射出去，调谐电路发射出

60、去，电感作发射天线。体内设电感作发射天线。体内设有接收天线和稳压电源电有接收天线和稳压电源电路，接收天线的电感和电路，接收天线的电感和电容构成调谐回路，用来选容构成调谐回路，用来选频接收体外发射的频接收体外发射的240kHz电波，经两个二极管整流、电波，经两个二极管整流、两个稳压管和一个三极管两个稳压管和一个三极管作为调整管的稳作为调整管的稳压电路，得到比较稳定的直流电压，为体内的振荡、发射电路压电路，得到比较稳定的直流电压，为体内的振荡、发射电路供电。供电。 体外发射能量的电路安放在小盒中，用绷带固定在头部，体外发射能量的电路安放在小盒中，用绷带固定在头部，调节其发射线圈使其与颅内的装置之间