针对医学信号的基本模拟调理方法及其说明

医学信号在检测的过程中会受到各种各样的干扰，而干扰的起因是多种多样的，常见的干扰可分为磁场干扰、电场干扰和电磁场干扰等，所以就需要对医学模拟信号进行一些基本的调理。

磁场干扰来源于变压器、电动机和荧光灯的镇流器等设备，这些设备中的线圈通以交流电时，就会产生一个交变磁场，在交变磁场中的其他导线环路，或其他线圈都会感应出电动势。根据法拉第电磁感应定律，这种干扰的强度与电路或线圈的环路面积成正比。磁场干扰直接影响医学信号的测量，必须采取措施予以抑制。一般来说，磁场干扰的频率较低，作用距离较近，作用较强。

抑制磁场干扰的方法主要有以下几种：

1、屏蔽或除去干扰源。可能的话，用铁磁材料做成的盒子（屏蔽盒）将可能的干扰源封闭起来，或者移去已确定的干扰源，或者可用屏蔽盒将电路或比较敏感的部分（一般是传感器、信号输入部分和前级放大器）屏蔽起来。

2、减少电路或敏感部分的环路面积。

3、改变电路或敏感部分的方位，使其环路的方向与干扰磁场的方向平行。

电场的干扰主要来源于交流电源，其中50Hz的工频干扰最普遍，50Hz的交流电场主要通过位移电流引入测量系统的输入端及其引线，如传感器及其引线。交流反馈电线与引线之间都具有电容性质，因此50Hz的电场将通过容性耦合形成电场干扰。

抑制电场干扰的方法主要有以下几种：

1、屏蔽或去除干扰源。可能的话，移去已确定的干扰源。

2、输入引线可以采用屏蔽线。将电路或比较敏感的部分（一般是传感器、信号输入部分和前级放大器）用金属材料制成的屏蔽盒屏蔽起来。注意屏蔽线的屏蔽层和屏蔽盒要良好接地，否则，屏蔽线或屏蔽盒不但不能够抑制电场干扰，反而使干扰更严重。

3、尽量采用差动式方式输入。输入引线采用屏蔽的双绞线或多股线。

4、如果电场干扰源在测量系统内部。尽可能采用屏蔽线替换原来普通的交流反馈电线。

5、采用屏蔽电缆驱动技术。

6、要求较高时，可采用悬浮电源（或电池）供电。

7、采用光电隔离或磁隔离技术。

电磁场干扰的主要来源是各类无线电发射装置、各种工业干扰、无线电干扰和系统内部的高频电磁场干扰。电磁场干扰的特点是频率高，频率可以是固定频率，也可以是不固定的，作用距离远，幅值不稳定。

对高频电磁场干扰抑制的主要措施有：

1、在电路中或电源中，采用高频滤波器或滤波电容。

2、采用电磁屏蔽。

3、抑制电场干扰和磁场干扰的方法都是抑制电磁场干扰的有效方法。

对于医学模拟信号的放大与滤波等信号处理电路而言，一般来说，前级电路的输出阻抗越小越好。对后级电路而言，前级的输出阻抗相当于后级电路的信号源内阻。前级输出阻抗过大，必将影响后级电路的幅频特性以及增益和稳定性。

后级电路的输入阻抗则是前级电路的负载。电路的负载过重，必然要影响前级电路的性能，严重时前级电路甚至不能工作。现在的器件工作电压越来越低、功耗越来越小，这方面必须引起足够的重视。

在医学模拟信号检测的前向信号通道经常需要有多级放大器和滤波器。通常情况下，干扰信号的幅值远大于有用信号的幅值。放大器和滤波器应该交错分布，否则，虽然有用信号经过多级放大后并未超出后面的放大器和滤波器的动态范围，但由于干扰信号早已超出放大器和滤波器的动态范围，从而产生非线性失真。一般来说，一旦产生了非线性失真，就再也无法消除。当产生一定大小的非线性失真时就会导致测量系统不能正常工作。

以下是对医学信号调理的前置放大电路和滤波电路的说明。

一、医学信号调理的前置放大电路设计

医学信号的放大电路设计应满足以下基本要求：①在测量过程中不允许影响正常的生理过程；②测得的生理信号不失真；③最大可能地将信号与各种干扰相分离；④一旦有电击事故等危险情况发生必须对病人提供有效的保护。

在以上基本要求中，①②④均与前置放大电路的优劣有关，而③主要靠后级的滤波电路实现，但仍依赖于前置级的成功设计。

二、医学信号滤波电路设计

在医学信号的滤波设计中，一般均采用有源滤波器。较适合医学信号特征的有巴特沃斯（Butterworth）滤波器、贝塞尔（Bessel）滤波器等。对于注重频度有较好截止特征的场合，选用巴特沃斯滤波器；当注重相位的场合，则可增设陷波器电路。