现代医学电子仪器原理与设计(3、7、8小结).ppt
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1、总复习总复习第三章第三章 信号处理信号处理第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第八章第八章医用电子仪器的电气安全医用电子仪器的电气安全5/25/20241第三章第三章 信号处理信号处理基本要求基本要求差动放大电路分析方法差动放大电路分析方法差动放大应用电路差动放大应用电路前置级共模抑制能力的提高前置级共模抑制能力的提高第一节第一节生物电放大器前置原理生物电放大器前置原理2第三章第三章 信号处理信号处理1.基本要求基本要求(1)高输入阻抗高输入阻抗理论上,源阻抗和电极阻抗都是频率的函理论上,源阻抗和电极阻抗都是频率的函数,并且随频率的增加成下降趋势。数,并且随频率的增加成下降
2、趋势。(2)高共模抑制比高共模抑制比放大器的共模抑制比的定义:放大器的共模抑制比的定义:共模抑制比共模抑制比(CMRR)是指差分放大器对同时是指差分放大器对同时加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。加到两个输入端上的共模信号的抑制能力。3第三章第三章 信号处理信号处理(3)低噪声、低漂移低噪声、低漂移措施:措施:(a)差动输入形式)差动输入形式(b)电路对称结构,严格挑选器件,抑制零)电路对称结构,严格挑选器件,抑制零点漂移点漂移(c)采用调制式直流放大器)采用调制式直流放大器(d)设置)设置“复零复零”电路,将基线在特殊情况电路,将基线在特殊情况下下复零复零(4)设置保护电路设置保护电路包括
3、包括人体安全保护电路人体安全保护电路和和放大器输入保护放大器输入保护电路电路。4第三章第三章 信号处理信号处理2.差动放大电路分析方法差动放大电路分析方法外回路电阻的匹配条件为:外回路电阻的匹配条件为:5第三章第三章 信号处理信号处理理想闭环差模增益:此时,共模增益Ac1=0,所以放大器的共模增益上述理想状态能达到,影响因素有两个。上述理想状态能达到,影响因素有两个。6第三章第三章 信号处理信号处理1.由电阻失配所造成的由电阻失配所造成的CMRRR由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑由外电路电阻失配限定的放大器的共模抑制比为:制比为:结论:电阻失配造成的结论:电阻失配造成的CMRRR与电阻匹配
4、误与电阻匹配误差差和放大器的闭环差模增益和放大器的闭环差模增益Ad有关。并且电有关。并且电阻匹配误差越小,闭环差模增益越大,放大阻匹配误差越小,闭环差模增益越大,放大器的共模抑制能力越大。器的共模抑制能力越大。7第三章第三章 信号处理信号处理2.器件本身的共模抑制比器件本身的共模抑制比CMRRD定义:定义:CMRRD为放大器开环差动增益为放大器开环差动增益Ad与共与共模增益模增益Ac之比,即之比,即 共模输出电压共模输出电压uoc折合到放大器输入端的共折合到放大器输入端的共模误差电压,即模误差电压,即8第三章第三章 信号处理信号处理结论:共模输入电压因为转化成差模电压而形结论:共模输入电压因为
5、转化成差模电压而形成共模干扰电压。成共模干扰电压。原因:放大器的运算放大器件本身的共模抑制原因:放大器的运算放大器件本身的共模抑制比不为无穷大。比不为无穷大。放大电路的总的共模增益为放大电路的总的共模增益为整个放大电路的总共模抑制比为9第三章第三章 信号处理信号处理3.差动放大应用电路差动放大应用电路(一)同相并联结构的前置放大电路(一)同相并联结构的前置放大电路10第三章第三章 信号处理信号处理第一级电压增益第一级电压增益结论:(结论:(1)第一级的输出回路里不产生共模)第一级的输出回路里不产生共模电流,电路的共模抑制能力与外回路电阻是电流,电路的共模抑制能力与外回路电阻是否匹配完全无关。(
6、否匹配完全无关。(2)并联结构的电路能方)并联结构的电路能方便地实现增益的调节。(便地实现增益的调节。(3)电路具有完全对)电路具有完全对称形式,有利于克服失调、漂移的影响。称形式,有利于克服失调、漂移的影响。11第三章第三章 信号处理信号处理第一级输出端存在共模误差的输出电压:第一级输出端存在共模误差的输出电压:第一级电路的共模抑制比为第一级电路的共模抑制比为CMRR1212第三章第三章 信号处理信号处理两级放大电路的差动增益为则两级放大电路的总共模抑制比为则两级放大电路的总共模抑制比为13第三章第三章 信号处理信号处理(二二)同相串联结构的前置放大电路同相串联结构的前置放大电路外电阻匹配为
7、放大电路的差动闭环增益为14第三章第三章 信号处理信号处理1.分析电阻失配的影响分析电阻失配的影响由于由于,并且,并且,得到,得到15第三章第三章 信号处理信号处理2.器件本身共模抑制比的影响器件本身共模抑制比的影响A1的输出端形成的共模电压为的输出端形成的共模电压为A2的输出(即放大电路的共模输出)为的输出(即放大电路的共模输出)为16第三章第三章 信号处理信号处理放大器的总共模抑制比为放大器的总共模抑制比为 结论:同相串联结构的放大电路共模抑制结论:同相串联结构的放大电路共模抑制能力的提高,取决于所用的器能力的提高,取决于所用的器A1、A2本身的本身的共模抑制比是否相等,并且受外回路电阻的
8、共模抑制比是否相等,并且受外回路电阻的匹配精度影响。匹配精度影响。17第三章第三章 信号处理信号处理集成仪器放大器的技术参数主要包括以下几种:集成仪器放大器的技术参数主要包括以下几种:1.输入阻抗输入阻抗2.共模抑制比(共模抑制比(CMRR)3.偏置电流偏置电流4.输入失调电压输入失调电压5.输入噪声输入噪声18第三章第三章 信号处理信号处理4.前置级共模抑制能力的提高前置级共模抑制能力的提高(一)屏蔽驱动(一)屏蔽驱动(二)右腿驱动技术(二)右腿驱动技术19第三章第三章 信号处理信号处理第二节第二节 隔离级设计隔离级设计隔离:隔离:信号从浮地部分传递到接地部分,两部信号从浮地部分传递到接地部
9、分,两部分之间没有电路上的直接联系。分之间没有电路上的直接联系。实现电气隔离有两种方案:电磁耦合;光电耦实现电气隔离有两种方案:电磁耦合;光电耦合。合。第三节第三节 生理放大器滤波电路设计生理放大器滤波电路设计 滤波电路最常采用由集成运算放大器和滤波电路最常采用由集成运算放大器和RC网络组成的有源滤波器。它的功能是允许网络组成的有源滤波器。它的功能是允许指定频段的信号通过,而将其余频段的信号加指定频段的信号通过,而将其余频段的信号加以抑制或使其急剧衰减。以抑制或使其急剧衰减。20第三章第三章 信号处理信号处理常用的设计方法有常用的设计方法有公式法公式法、图表法图表法和和计算机计算机辅助设计法辅
10、助设计法。计算机辅助设计法:计算机辅助设计法:滤波软件设计法和网络在线设计工具。滤波软件设计法和网络在线设计工具。Microchip Technology Inc:FilterLabNational Semiconductor Corporation:WEBENCH Active Filter Designer21第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀第一节第一节电刺激治疗类仪器设计原理电刺激治疗类仪器设计原理频率小于频率小于1kHz时的电流对人体细胞组织的时的电流对人体细胞组织的作用主要是以刺激效应为主。作用主要是以刺激效应为主。决定组织兴奋后能否接受下一个刺激而产决定组织
11、兴奋后能否接受下一个刺激而产生兴奋的生兴奋的关键关键是是组织绝对不应期的长短组织绝对不应期的长短。大多数哺乳动物动物神经肌肉组织产生刺大多数哺乳动物动物神经肌肉组织产生刺激兴奋的激兴奋的最佳频率最佳频率都是在都是在100Hz左右左右。当刺激频率大于当刺激频率大于1MHz后,几乎没有任何后,几乎没有任何刺激作用了。这时人体承受电流的能力随频率刺激作用了。这时人体承受电流的能力随频率逐步增大,其产生的效应主要是热效应。逐步增大,其产生的效应主要是热效应。22第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀电电刺刺激激系系统统脉冲发生器脉冲发生器产生使神经去极化产生使神经去极化的脉冲序列;的
12、脉冲序列;导联线导联线把脉冲传输到刺激部位;把脉冲传输到刺激部位;电极电极把脉冲安全、有效地传输把脉冲安全、有效地传输到可兴奋组织。到可兴奋组织。一、刺激方式与效应一、刺激方式与效应(一一)电刺激的类型电刺激的类型23第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀按电刺激部位分为三类按电刺激部位分为三类:表面刺激;表面刺激;经皮刺激;经皮刺激;植入式刺激。植入式刺激。表面刺激表面刺激特点:特点:电刺激系统三部分都在体外,电极放电刺激系统三部分都在体外,电极放在在皮肤上皮肤上或要刺激的肌肉的或要刺激的肌肉的运动点附近运动点附近,也,也可放在可放在特定的穴位上特定的穴位上。应用:应用:神
13、经与肌肉的医疗康复。神经与肌肉的医疗康复。局限性:局限性:不能可靠的刺激皮肤下面的组织,不能可靠的刺激皮肤下面的组织,也不能刺激深层肌肉。也不能刺激深层肌肉。24第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀经皮刺激经皮刺激特点:特点:电极置于体内,并靠近要刺激的部位。电极置于体内,并靠近要刺激的部位。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。导联线穿过皮肤连接外部脉冲发生器。应用:应用:短期或长期的刺激需要,但不是短期或长期的刺激需要,但不是永久性的。永久性的。植入式刺激植入式刺激特点:特点:刺激器的三部分通过外科手术永久植刺激器的三部分通过外科手术永久植入人体,植入完成后皮肤完全缝合。植
14、入部入人体,植入完成后皮肤完全缝合。植入部分和体外部分的联系是通过非接触进行的。分和体外部分的联系是通过非接触进行的。25(二二)电刺激与电兴奋的基本因素电刺激与电兴奋的基本因素刺激波形刺激波形方波序列方波序列刺激序列参数刺激序列参数频率、幅度和脉宽频率、幅度和脉宽刺激频率尽可能小以防止肌肉疲劳并节约刺刺激频率尽可能小以防止肌肉疲劳并节约刺激能量。激能量。决定刺激频率的主要因素是决定刺激频率的主要因素是肌肉的融合频率肌肉的融合频率,即可以即可以获得平滑肌响应的频率获得平滑肌响应的频率。(12Hz50Hz)对于表面电极,调节肌肉力量的常规方法是对于表面电极,调节肌肉力量的常规方法是保保持刺激脉冲
15、的频率和脉宽不变,改变刺激脉冲持刺激脉冲的频率和脉宽不变,改变刺激脉冲的幅度的幅度。第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀26第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀 1.1.强度阈强度阈若电刺激的作用时间一定,则刺激强度必须达若电刺激的作用时间一定,则刺激强度必须达到某一最低值,才能引起组织兴奋,此值称为到某一最低值,才能引起组织兴奋,此值称为刺激强度的阈值刺激强度的阈值(简称强度阈)。(简称强度阈)。2.2.时间阈时间阈若刺激强度一定,能引起组织兴奋的最短刺激若刺激强度一定,能引起组织兴奋的最短刺激时间(脉冲宽度),即称为组织兴奋的时间(脉冲宽度),即称为
16、组织兴奋的时间阈时间阈值值。273.3.强度强度-时间曲线时间曲线强度阈与时间阈之间存在强度阈与时间阈之间存在一定的关系,这种关系用一定的关系,这种关系用强度强度-时间曲线来表示,时间曲线来表示,如图如图7-47-4所示。所示。(1)(1)典线上的每一点代表一个阈刺激。典线上的每一点代表一个阈刺激。(2)基强度:基强度:刺激时间无论多长,必须有一个最刺激时间无论多长,必须有一个最低的强度阈值,即基强度。低的强度阈值,即基强度。利用时:利用时:以基强度作为刺激强度引起组织兴奋以基强度作为刺激强度引起组织兴奋所需要的最短刺激时间。所需要的最短刺激时间。第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器
17、与高频电刀28第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(3)时值:时值:用基强度的用基强度的2倍作为刺激强度,所倍作为刺激强度,所引引起组织兴奋所需要的最短刺激时间。起组织兴奋所需要的最短刺激时间。结论:结论:(1)为得到有效刺激,通常采用电流)为得到有效刺激,通常采用电流I=2IR R,脉宽略大于时值的信号,此时产生,脉宽略大于时值的信号,此时产生兴奋所需能量最小。兴奋所需能量最小。(2 2)不同组织的强度)不同组织的强度-时间曲线形状相同,时间曲线形状相同,但各自的基强度和时值不相同。但各自的基强度和时值不相同。29第七章第七章心脏治疗仪器与高频电刀心脏治疗仪器与高频电刀(
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