视觉诱发电位测量系统研究

视觉诱发电位测量系统研究 重庆大学 硕士学位论文 视觉诱发电位测量系统的研究 姓名:刘青峰 申请学位级别:硕士 专业:光学工程 指导教师:张流强 20090530 重庆人学硕十学位论文 中文摘要 摘 要 视觉诱发电位是视网膜受到刺激后在大脑视皮质产生的生物电活动，它能探 测视路中从视网膜到视皮质的功能性损伤。视觉诱发电位检查技术具有非损伤性、 客观性、定性、定量、可重复性的特点，在眼科疾病的诊断和鉴别中具有重 要作 用。由于研究视觉诱发电位的需要，针对视觉诱发电位测量系统的研究和开发具 有重要的意义。 视觉诱发电位属低频、微弱信号，测量过程中易受到强的背景噪声和干扰的 影响，信号的放大成为了视觉诱发电位测量和分析中最为关键的环节。本文从介 绍视觉诱发电位的特性出发，分析了用生物电极提取视觉诱发电位的等效电路模 型，研究了来自系统内部噪声和外部干扰对视觉诱发电位测量的影响，探讨了高 源阻抗微弱信号测量的影响因素，分析了元器件的分散性对电路性能的影响，利 用保护、右腿驱动、隔离等技术设计了低噪声、高共模抑制比的视觉诱发电位放 大电路系统，用ORCAD,PSpice软件对所设计的电路进行了仿真验证，以微控制 器LPC2148作为控制单元设计了数据采集与控制系统，设计了VEP测量电路系统 的印刷电路板，最后以图像翻转刺激方式对所设计的电路系统展开了实验，记录 出了人体的图像翻转视觉诱发电位。 000,-,200 实验结果明，VEP测量系统的增益范围:10 000，带宽:l,300Hz， 短路等效输入噪声峰峰值范围:2,4 pV，共模抑制比:106(7dB，经过64次 叠加 平均，成功测试出了人体的视觉诱发电位。 关键词:视觉诱发电位，放大，测量，ORCAD,PSpice 重庆人学硕十学位论文 英文摘要 ABSTRACT the VisualEvoked electricalof visual Potentials VEPs areproducedby activity the caildetectfunctional cortexin to or stimulationof retina(It responselightpattern tothevisualcortex(VEPexaminationisa lossinthevisual fromretina pathway and isthe measurement;it nondestructive，objective，qualitative，quantitativerepeatable influentialroletothevisualdisease anddistinction(Forof is diagnosis studyVEP,it researchand VEPmeasurement vital to develop system。 significance for Visionevoked abelow andweak VEP potentialsfrequencysignal，measurement and isthemost abe to noise subjectstrongbackground interference(Amplification in and VEEThis has the and critical presentedprinciple stepmeasuringanalyzing paper characteristicof the circuitmodelofVEPwith up VEP,analyzedequivalent pickedby intemalandexternalinterferencetoinfluenceonthe the noise bioelectrode，researched outcomeof the factorfor weak VEP,discussedinfluencinghi(ghimpedancesignal thedevice’svaluedeviationfromnormaltoinfluencethecircuit measurement，analyzed a and circuitwith lownoisehi曲CMRRamplificationguarding, performance，designed drivenled thecircuit fightcircuit，isolationetc，simulatedsystemusingORCAD,PSpice simulation thedata andcontrol with software，designedacquisition system microcontroller the circuitboardofmeasurement LPC2148，anddesignedprinted the reversal recorded system(Finally,performedexperimentbypattern stimulation，and theresultsof reversalVEP( pattem The resultsshowthattheVEPmeasurement is performance experimental system that is10000,200 isl一300Hz， short-circuitsequivalentinput gain 000，bandwidth noise valueis is106(7dB(Itis 64 voltagepeak-peak 20“CMRR undergoes beabletosucceed VEE averaging recording Evoked Keywords:Visual n 学位论文独创性声明 文 研究 ，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名: 亏悔啐 签字日期:少彳、易、7 导师签名: 积,0o t f 签字日期:w。1f，6 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意《中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》 以 下简称‘‘章程’’ ，愿意将本人白々随士学位论文 交中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 CNKI 库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》以及《重庆大学博硕学位论文全文数 据库》中全文发表。《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文 全文数据库》可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入CI,IKI 《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名: 导师虢丞:单丛: uf‖,日 备注:审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容: 该论文属于涉密论文，其密级是――，涉密期限至――年一月一日。 说明:本声明及授权书堂煎装订在提交的学位论文最后一页。 重庆人学硕十学位论文 1绪论 1绪论 视觉系统是人类感知客观世界最重要的器官之一，据估计，人类从外界获得 信息的总量中来自视觉系统高达70,。通过视觉电生理的研究认识到:视网膜是 视觉系统的感受部分和视觉的初级加工区;视路是传递视觉信号的通路;大脑视 皮质是最后形成视觉的中枢。视信息在视觉系统中的传递是以生物电的发送形式 进行的，最后在大脑形成视觉【l】。视觉电生理检查技术以测定视觉形成过程中生物 电变化为观察指标，能从不同角度反映视觉系统在不同水平上的功能状态，具有 非损伤性、客观性、定性、定量、可重复性的特点，在眼科疾病的诊断和鉴别、 诊断疾病的预后、疗效评价、视觉功能评定等方面具有重要作用。目前，视觉电 生理已成为眼科临床检查的重要手段之一，提供从视网膜至视皮层的视功能测试 。 1(1论文的背景和意义 现代临床视觉电生理学的任务是应用视觉电生理的方法来揭示视觉系统受到 疾病侵害时生物电改变的规律，它的表达方式不同于传统的心理物理范畴的视功 EvokedPotential，VEP ， 电图 Electro―oculography，EOG 、视觉诱发电位 Visual 其中视网膜电图在全视野ERG的基础上，先后出现了局部ERG、图像ERG和多 焦ERG;视觉诱发电位主要可分为闪光视觉诱发电位 FVEP 和图形视觉诱发电 位 PVEP 。视觉电生理为眼底、视路和视觉中枢疾病的诊断和鉴别提供客观的 依据‘1捌。 视觉诱发电位技术自问世以来，对诸多视觉疾病如视路病变、青光眼、黄斑 病变、屈光不正、弱视等进行了多种刺激、测试条件下的研究，如今，视觉诱发 电位已逐步应用于视力、色觉及对比敏感度等视功能的客观测定。 随着社会的不断发展与进步，健康已经成为人类越来越关注的问，视觉作 为人类获取信息的重要器官，视觉系统疾患将直接威胁着人体的正常生活，而视 觉系统的病变是渐近的，早期发现和治疗，是临床眼科学、预防医学、流行病学 的重要课题。当前，针对视觉诱发电位的脑机接口的研究已成为国内外研究热点， 脑电信号的单次提取、诱发电位的研究，这些课题是极具挑战性又意义重大的工 作。 由于视网膜电位的检测电极位置特殊，不适合日常使用，且视网膜电位受眨 眼和眼球运动影响很大，皮层下视觉诱发电位检测难度大，这两种视觉诱发电位 重庆人学硕七学位论文 1绪论 一般不适合临床应用，相对而言皮层视觉诱发电位振幅较大，比较容易测量，因 此本课题针对皮层视觉诱发电位的测量进行研究。当前，基于视觉诱发电位的研 究正处于初级阶段，视觉诱发电位属于强背景噪声的低频微弱信号，是由复杂的 生物体发出的不稳定的信号，从强的共模电压和噪声中提取出非常微弱的电信号 是一件具有挑战性的工作，因此，测量系统中前端信号调理部分:放大、滤波、 采集在总的测量系统中起着至关重要的作用。当前，视觉诱发电位的测量系统虽 已有成功的，且已应用到相应视觉电生理产品中，但这些产品价格昂贵，结 构复杂，存在系统稳定性不高、抗干扰能力不强、噪声较高等诸多不足，因此研 究一种精确、低噪声、抗干扰能力强的高性能视觉诱发电位测量系统有着重要的 学术和实用意义。 1(2国内外研究现状 视觉诱发电位是视网膜受到刺激后在大脑视皮质产生电位的变化，它是中枢 神经系统在视觉感受器接受刺激后产生的生物电活动。二十世纪是临床视觉电生 理在眼科应用中开拓的时代，随着科学技术的发展，目前临床视觉电生理已成为 眼科临床检查的重要手段之_，提供了从视网膜至视皮层无创伤性的、客观的、 定量的、定位的视功能测试方法。 视觉诱发电位的发展经历了3个阶段: ?动物实验阶段:1875年，Canton通过动物实验观察到间歇性闪光刺激可以 在动物枕叶皮层引起反应性变化;1890年，Beck用电极插入狗和兔的枕叶皮层， 发现动物对光的反应。 在枕叶皮层上的皮肤电极测量到闪光刺激诱发的电反应;1947年，Dawson将叠加 技术应用于电生理测量;1950年，Cobb利用叠加技术，测试到50次叠加后的高 强度闪光刺激的平均反应;1958年，Clark设计了平均反应计算机，很快被 应用视 觉诱发电位的检测。 疾病的诊断中得到广泛的应用，并使临床视觉电生理工作从原来局限于视网膜的 平面向视觉中枢的解剖高度发展【1,3,4】。由于图像VEP比闪光VEP具有更简单和稳 定的成分，所以图像VEP目前已成为临床评价视功能的一项重要的检查方 法【引。 目前视觉电生理测量仪主要产品有日本光电公司的Neuropack系类，美国 和德国的Roland 2 重庆人学硕士学位论文 1绪论 厂研制和生产视觉电生理仪【11。表1(1和表1(2分别列出了在视觉电生 理测量方面 表现优异的视觉电生理仪的性能数据。 表1(1LKC公司UBA_4204通用生物放人器性能参数‘61 Table1(1PerformanceofLKCUBA-4204universalbiomedical parameter amplifier 表1(2BioSemi公司ActiveTwo生物电势测量系统性能参数 忉 Two Table1(2PerformanceofBioSemi measurementActive parameter bio-potential system 极强的抗干扰能力。 国内也有许多研究机构进行了相关的研究，北京大学、中山大学、清华大学、 重庆大学等院校在视觉电生理方面开展了研究。一些医疗器械厂也推出了相应的 产品，如成都仪器厂生产的生理信号采集处理系统的主要性能参数为:输入阻 采样率:320kHz。北京祥云计算机技术公司的PRE(ISOEEG系列生物放大器主要 随着微电子技术和计算机技术的不断发展，现代的医学电子仪器已不仅仅是 单纯的医学电子测量仪器硬件系统，而是基于电子技术、计算机技术、数字信号 处理技术的生理量检测和分析系统，在概念上要把生理量的测量和生物信号 处理 重庆大学硕十学位论文 l绪论 技术融合为一体【8】。一些研究单位开始着手设计专门针对脑电信号提取的专用集成 电路 ASIC 19,101。各大知名半导体器件供应商竞相开发出各种用于生物电测量的 高性能器件，为视觉诱发电位的高性能测量系统的实现提供了良好的基础。数字 信号处理方面，累加平均法、维纳滤波、自适应滤波、参数模型法与小波分析等 方法都被应用在诱发电位的提取中【4】。现在，医疗设备正朝着数字化、低功耗、便 携化和智能化的方向发展。视觉诱发电位的研究和视觉电生理仪的开发成为了广 大科学研究者和工程师们的热门课题。 1(3论文的研究目的和研究内容 1(3(1论文的研究目的 人体的生物信号测量是很复杂的，在测量某一种生理参数的同时，存在着其 他生理信号的影响，此外，生物电信号对来自测量系统内部的噪声和外部的干扰 十分敏感，这是因为: ?被测生物电信号微弱:视觉诱发电位通过闪光刺激或图形刺激视网膜，用 生物电极在头皮枕叶进行测量。VEP幅度范围为IIxV一20pV，要求测试系统具有 较高的灵敏度，而灵敏度越高，极易把干扰信号引入测试系统，同时，测量 到的 VEP会受到自发脑电、肌电的干扰，往往淹没于这些背景噪声中。 的其他信号几乎都落在这个频带范围内。 ?生物体信号源的不稳定性:人体内阻、生物电极与皮肤的接触等组合起来， 构成信号源内阻，其阻值一般为几十千欧姆，有时达几百千甚至上兆欧姆， 并且 不稳定。信号源阻抗高，易受到来自测量系统的阻抗分压、输入偏置电流和漏电 流的影响。此外，人体生物电信号受环境、情绪等波动较大。 ?测试过程中人体处于未被电磁屏蔽的环境中，将受到空间电磁场的各种干 扰，除了外界环境对被测信号的干扰外，微弱信号还常常淹没在测试系统内部的 噪声中。 由此可见，抗干扰和低噪声技术构成生物信号测量的两个基本条件。本课题 的研究目的是在分析视觉诱发电位特征的基础上，研究噪声和干扰对视觉诱发电 位测量的影响，提出一种高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声的高性能视觉 诱发 电位测量电路方案，为人体视觉诱发电位的测量提供,种可行的参考方法。 1(3(2论文的研究内容 VEP测量系统主要包括刺激器、信号调理、数据采集与控制和计算机处理、 显示与分析四部分，信号调理电路的设计，在整个测量系统中起着决定性作用。 本论文的主要研究内容是针对视觉诱发电位提出一种可行的测量方案，并设计硬 4 重庆大学硕士学位论文 1绪论 件电路系统进行实验。课题主要研究内容: ?分析视觉诱发电位的特征、生物电极提取视觉诱发电位的等效电路和视觉 诱发电位的测量方法。 ?研究来自电路系统的内部噪声和来自外界环境的干扰，采用低噪声设计技 术减小系统内部噪声，采用屏蔽、接地技术降低外部干扰对信号测量的影响。 ?分析和设计针对视觉诱发电位测量的电路系统，主要包括:前置低噪声放 大电路，高共模抑制比的差分放大电路，隔离级，滤波电路，增益控制电路和数 据采集与控制电路，对模拟电路部分用ORCAD,PSpice工具验证方案的可行性。 ?设计整体VEP测量电路的原理图，并制作实验电路板，对设计的测量电路 系统进行实验测试、对实验结果进行分析。 ?总结全文主要工作，指出不足之处，并做出进一步展望。 重庆人学硕士学位论文 2VEP特征与测量方法 2VEP特征与测量方法 2(1脑电与视觉诱发电位 2(1(1脑电信号 脑电信号是大脑神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表层的总体反映，测 量和分析脑电信号是人们了解大脑的重要途径之一。1875年英国科学家Caton测 量到了动物大脑皮层的电活动。1929年，英国科学家Berger第一次发表了关于人 的脑电波的研究。1936年以后，脑电图学在世界范围内发展起来，并与临床相结 合得到了广泛的应用。脑电图检查现已在神经精神科的临床诊断中起着重要的作 也常用于睡眠分析、麻醉深度监护等【l，4】。 脑电是来自大脑神经组织的电活动。大脑皮层的神经元具有生物电活动，因 此大脑皮层经常有持续的节律性电位改变，称为自发脑电活动。临床上在头 皮用 双极或单极测量法来观察皮层的电位变化，测量到的脑电波称为脑电图。 自发脑电图的波形分类，主要是依据其频率和振幅的不同来划分的。在不同 条件下，波形频率的快慢有显著的差别，如图2(1所示，每秒0(5,3次的波称为6 显著，它们是最容易干扰VEP的脑电成分;每秒14,30次的波称为B波，振幅范 围在5―20pV。一般说来，频率慢的波其波幅较大，而频率快的波其波幅较小。 --―??一 Z5静‖ IS 图2(1脑电信号波形 WaveformofEEG Fig(2(1 2(1(2诱发电位与视觉诱发电位 除自发脑电外，还存在诱发脑电信号，也称为诱发电位。诱发电位 Evoked 激 如图形或闪光刺激 所产生的特定电活动【41。 6 重庆大学硕士学位论文 2VEP特征与测鼍方法 诱发电位可分为两大类，一类是外源性刺激相关诱发电位，包括视觉诱发电 位、听觉诱发电位、躯体感觉诱发电位和运动诱发电位等;另一类是内源性事件 相关诱发电位，与大脑的认知功能有关。诱发电位可以应用于神经系统病损的探 测和研究，有着重要的临床诊断价值。此外，诱发电位的研究有助于认识人类自 身的高级神经活动本质。 与自发脑电相比，诱发电位的波幅较低，通常淹没于自发脑电和其它各种噪 声中。自发脑电是长时、自发、周期性的出现，而诱发电位有一定的空间、时间 和相位特征，诱发电位须在特定的部位才能检测出来。诱发电位的潜伏期与刺激 之间有着严格的锁时关系，给予刺激后在一定时间内瞬时出现。 Evoked 视觉诱发电位 Visual 内产生的特定的生物电活动【1】。根据视觉刺激的不同，视觉诱发电位可以相应分为 不同的类型。 ?闪光视觉诱发电位 VisualEvoked 闪光视觉诱发电位 Flash 起的视觉诱发电位。闪光刺激为弥散的非图形闪光，包括白色和彩色闪光。闪光 刺激一般采用氖灯发出的无结构闪光 频闪光 或用荧光管、辉光调制光管、发 光二极管和阴极射线屏产生的调制正弦波光作为视觉刺激。在图形刺激出现之前， 闪光刺激是测量VEP的最主要的刺激形式。 ?图像视觉诱发电位 VisualEvoked 图像视觉诱发电位 Pattern 引起的视觉诱发电位。视觉刺激为图像，如棋盘格、条栅、随机点图等， 刺激形 式有:给撤图像刺激、翻转图像刺激等。 ?电视觉诱发电位 电视觉诱发电位 Visual Evoked Electrically 激眼球在枕区测量到的非光学引起的诱发电位。 成分，因而PVEP已成为临床评价视功能的一项重要的检查方法。 2(2视觉诱发电位的特征 视觉诱发电位和脑电都是由大脑皮质产生的生物电，VEP是刺激视网膜时在 大脑视皮质内产生的生物电，而脑电是每时每刻在大脑皮质中产生的生物电。它 们都属人体生物电的范畴，具有人体生物电的,般特征，而视觉诱发电位属于诱 发电位也有其自身特性: 7 重庆人学硕士学位论文 2VEP特征与测量方法 ?信号微弱:VEP大部分是枕叶对视刺激的特殊反映，其振幅小于脑电，约 在l,20l,tV左右，并易受到脑电中口波和肌电的影响。VEP和外界的刺激 密切相 关，VEP的振幅是随闪光刺激强度的增加而增大，图像VEP的振幅与刺激图像形 状、大小以及在视网膜上成像的位置和清晰度有关。 他生物电信号几乎都落在这个频带范围内。 ?VEP信号源的不稳定性:VEP是细胞膜产生的电位，在生物体内是靠离子 导电需要用生物电极做换能器提取，人体内阻、生物电极与皮肤的接触等为信号 源内阻，其阻值一般为几十千欧姆，有时达几百千甚至上兆欧姆，并且不稳定。 信号源阻抗高，易受到来自测量系统输入阻抗的分压、输入偏置电流和漏电流的 影响。另外，人体生物电信号受环境、情绪等波动较大。 ?人体处于大自然电磁场中，将受到来自空间电磁场、市电网络、无线电等 各种干扰。除了外界环境对被测信号的干扰外，微弱的VEP信号还常常淹没在测 试系统内部的噪声中【引。 总之，由于VEP本身微弱而身处于嘈杂的环境，一方面要求测试系统具有较 高的灵敏度，而灵敏度越高，对干扰也就越敏感，即极易把干扰信号引入测试系 统，另一方面，系统的内部噪声都对信号影响很大。因此，要求VEP测量系统具 有强的抗干扰能力和低的内部噪声，抗干扰和低噪声设计构成生物信号测量的两 个基本条件，也是生物电测量所面临的巨大挑战【111。 2(3VEP测量方法 2(3(1VEP测量系统的结构 视觉诱发电生理测量系统的结构如图2(2所示，人眼视网膜接受到来自刺激器 的刺激信号 如图形翻转或闪光 后，大脑响应刺激在大脑视皮层产生诱发电位， 经生物电极提取出大脑皮层的电位，将其送到生物电放大系统，其中信号调理主 要包含放大、隔离、滤波等环节，得到信噪比较高、适合于ADC采样的信号后， 经AD采样把模拟信号转换成数字信号，然后通过接口电路传输给计算机，计算 机接收到信号后做叠加平均、数字滤波等处理，显示出测量到的VEP信号。在测 量开始时，计算机还需要对刺激器、放大器和ADC的参数进行控制。作为测量仪 器，放大电路中还包含有信号的标定电路，为了抑制50Hz工频干扰，必要时需要 设计50Hz的陷波器。 2(3(2叠加平均 VEP易受到包括脑电、肌电和外界的干扰，往往被噪声所淹没，因此，需要 从强的背景噪声中提取VEP信号。由于噪声的随机性和与刺激时间无关性，而VEP 重庆大学硕士学位论文 2VEP特征与测鼍方法 是一种发生在刺激后与刺激有锁时关系的生物电信号，在周期刺激下，表现为周 期信号。因此，可以用叠加平均的方法来提高信噪比。 图2(2?P测量系统框图 VEPmeasurementschematic Fig(2(2 system 设待测输入信号x 幻由信号s t 和噪声聆 幻组成，即 则输入信号的信噪比为 SNR;:盟 2(2 ‘ ，z f 若对上述信号进行?次测量，将各次测量的结果叠加后，则对信号s 力 来而 言，叠加的结果为Ns t ，而对于随机噪声n 幻，其功率才满足叠加原理，故其振 幅相当于厢甩 力。因此，通过叠加平均后，输出信号的信噪比为 SNRo 丽Ns t 阚 2(3 由此可知，信号进行?次叠加平均后，能将信噪比提高厢倍，但通过叠加平 均的方法来改善信噪比要求以延长测试时间为代价。测量的叠加平均次数取决于 VEP和背景噪声的信噪比。因此，减d,N量系统的内部噪声和提高系统的抗干扰 能力，可以减小平均叠加次数，从而缩短测量时间，这对VEP测量有着重要的现 实意义。 2(3(3生物电极及其等效电路 为了检测生物电信号必须使用生物电极。实际上，生物电极是一种换能器， 因为电流在生物体内是靠离子导电的，而在电极和导线中是靠电子传导。通常测 量VEP的电极是金、银等制成或烧结型氯化银电极，其中性能最好的电 极是 9 重庆人学硕士学位论文 2VEP特征与测量方法 Ag,AgCl电极‘11。 在测量人体生物电位时常使用体表电极，而且在电极和皮肤之间涂有含有cl一 离子的电极膏，以保持良好接触。这样就形成电极(电极膏界面。如图2(3所示是 体表电极模型及其等效电路，表2(1为图2(3中符号的表示内容。 表2(1图2(3中的符号说明 T 山le2(1 in Signspecification Fig(2(3 符号 表示内容 电极 昂。 电极半电池电势 G 电极等效电容 电极膏 如 电极等效电阻 咫 电极膏电阻 表皮 如 表皮的膜电位 真皮 G 表皮等效电容 尼 表皮等效电阻 如 真皮等效电阻 昂 汗腺管产生的膜电位 图2(3体表电极模型与等效电路 cp 汗腺管产生的等效电容 Electrodemodeland ch'cuit B 汗腺管产生的等效电阻 Fig(2(3 equivalent 实际测试时，可以用吸收丙酮的棉球擦拭皮肤表面，把表皮角质层的E。、C 和尼短路，可以改进测量信号的稳定性，汗腺管的易、G、彤也是产生测量不稳 定的因素。 用电极提取VEP时，电极先接触导电膏，然后再粘到头皮。形成一个金属电 解质溶液界面，电化学作用的结果是在金属与溶液之间形成半电池电位差，这就 是电极极化电压。实践证明，两个电极的极化电压不能完全相等，相差最大时可 达300mV，远大于几十微伏的VEP信号，可见，电极带来了直流干扰【4】。生物电 极作为放大器输入回路的一部分，它的特性对放大器的输入噪声、CMRR、频率失 真等有着相当大的影响。 2(3(4 VEP测量电路的实现方案 (4所示。微弱的视觉诱发电位 视觉诱发电位测量电路系统框图如图2 通过 Ag,AgCl电极从人体大脑皮层提取出来，经导联线连接到放大器，导联线会受到空 间电磁场的干扰，其中主要有50Hz7-频和射频干扰，又由于电极存在极化电压， 它是大约为几十到几百毫伏的直流电压信号，它很容易造成放大器饱和，因此在 信号放大前，需要交流耦合把极化电压滤除，前级放大器主要需要考虑低的噪声 和高的输入阻抗。信号经前级放大后，经高共模抑制比的差分放大器，此电路在 lO 重庆大学硕士学位论文 2VEP 特征与测量方法 抑制50Hz工频干扰的同时放大VEP信号，因为人体携带的50Hz电压对测试系统 来说属于共模信号。由于测量仪器一方面通过电极与人体连接，另一方面又通过 电源插头与市电网连接，根据医疗器械安全标准，体表检测时流过人体的电流不 能大于1009A，因此，视觉诱发电位测量系统必须在人体和电网之间有良好的隔 离和保护，以避免由于仪器损坏或误操作时人体受到电击。然后，经高低通滤波 电路组成的带通滤波器来选择所需的信号，消除其他频率成份的干扰;后级放大 把所探测到的信号放大到ADC需要的电平，经模数转换后变成数字信号，输入到 计算机做处理、显示和分析【1215j。需要注意的是，整个测量电路，尤其是前级放 大电路需要进行精心的屏蔽设计以抑制外界的干扰。 图2(4VEP测量电路系统方案 SolutionofVEPmeasurementcircuit Fig(2(4 system 2(4VEP测量标准 由于视觉电生理的应用时间还不长，其测量的设备和方法未完全统一，从1989 forClinical 年以来，国际临床视觉点生理学会 InternationalSociety of Electrophysiology 影响，先后制定了包含视网膜电图、眼电图、图像视网膜电图和视觉诱发电位等 五个项目的标准化文件以建立国际统一的测量方法，为眼底、视路和视觉中枢疾 病的诊断和鉴别诊断提供客观的依据【lJ。 2(4(1电极位置 电极放置位置如图2(5所示，从图中可以看出，有源电极放置于枕骨 Oz处， 公共参考电极放置于额部Fz处。推荐使用的电极为Ag,,AgCl电极或金盘 状EEG 电极，头皮电极的阻抗应低于5kQ【引。 重庆人学硕士学位论文 2VEP特征与测量方法 a b 图2(5电极放置位置 a 有源电极和参考电极放置位置 b 电极的横 向位置 Electrode ofactiveandreferenceelectrodesforstandard Fig(2(5 locations a Loc撕on responses locationsofthelateralelectrodes b The 2(4(2测量参数 VEP测量的电极位置和测试条件如表2(2所示，其中平均扫描次数即 为叠加平 均次数，模拟高通滤波器截止频率应设置在1Hz以下，低通滤波器截止频率 应设 置在100Hz以上【51。 表2(2ISCEV规定的VEP测试标准 Table2(2ISCEVstandardforVEPassessment:standard recording ?放大 000,50 放大器的总放大倍数应在20 000之间。前置放大器的输入阻抗必须大 于100M ，共模抑制比不低于120dB。对于模数转换器，单通道采样率应不低于 500个样本点每秒，分辨率不低于12位。 ?平均次数 每次测量的叠加平均次数主要取决于VEP与背景噪声的信噪比。通常，扫描 12 重庆人学硕七学位论文 2VEP特征与测量方法 次数应不小于64次。为证明波形的重复性，每个测量至少检查两次。 ?分析时间 由于图像翻转VEP波形和峰值潜伏时间相对变动较小，已成为通常环境下首 选的VEP刺激测量方法。图像翻转刺激是由黑白相间，交替改变的格子或光栅所 P100和N135三个峰值，如图2(6所示。 100 2? 图2(6正常图形翻转VEP波形 Anormal reversalVEP Fig(2(6 pattern 2(5本章小结 本章主要介绍了视觉诱发电位的产生机理，分析了VEP的信号特征和用生物 电极提取VEP的等效电路模型，指出了视觉诱发电位电生理仪的基本结构和VEP 测量电路系统的实现方案，最后简单介绍了ISCEV制定的VEP测量标准，为 视觉 诱发电位测量系统的方案设计提供了指导依据。 重庆大学硕士学位论文 3噪声与干扰及其抑制措施 3噪声与干扰及其抑制措施 噪声与干扰泛指有用信号以外的其它一切无用信号【l们。本文，把系统内部由 器件、材料和部件的物理因素产生的自然扰动称为噪声;把来自系统外部通过干 扰信号源、耦合进入被测信号的因素称为干扰。由于视觉诱发电位相当微弱，要 求测量系统具有较高的灵敏度，而灵敏度越高，也就更容易把干扰引入测量系统。 如第二章所述，VEP往往被强的噪声背景和外界干扰淹没，使测量无法正常进行。 因此，噪声和干扰是视觉诱发电位测量系统设计开始时就必须重点考虑的环节。 3(1噪声 噪声是电路内固有的，不能用诸如屏蔽、合理接地等方法予以消除【8】。对于直 接测量，系统内部的噪声往往成为测量精度的限制性因素。生物电放大器输入短 路噪声限制了放大器能检测的最小生物电信号。测量系统的噪声虽然不可能完全 被消除，但可以通过对噪声过程的分析，进行合理的低噪声电路设计，使噪声降 低到最低限度，从而使信号在传输和处理过程中保持较高的质量。 3(1(1噪声的种类 电路中的噪声主要来源于电阻内电子的热运动和晶体管中带电粒子的不规则 运动，这些噪声是电路器件所固有的，而且噪声又是随机的，它是在某一平均值 1 上下作连续的不规则的起伏变化，因此称为噪声【1791。 电子元件通过不同的噪声源机理产生三种噪声谱的组合，它们是:闪 烁噪声、 热噪声与散粒噪声。 ?闪烁噪声 闪烁噪声，也称为1,厂噪声或低频噪声，是由载流子在不连续媒介中流动所引 起的。由于生物电信号的频带范围大都属于低频、超低频，lc7r噪声往往是生物电 信号提取过程中的主要影响因素。 闪烁噪声出现在所有有源器件中，并与直流偏置电流门茸关，闪烁电流噪声的 均方值厶?为 ‖ 哆曰 3(1 式中m是一个与器件有关的因子，a是一个数值为0(5―2的常数，b是一个数 值为0(8,1(2的常数，曰是带宽。这,噪声项与频率成反比，因此，称为l纩噪声。 约翰逊于1925年在真空管中观察到了l矿噪声。虽然详细的噪声源机理尚不完全 清楚，但1纩噪声出现在半导体、金属薄膜、电解液中，还以非电子形式出现在机 14 重庆大学硕士学位论文 3噪声与干扰及其抑制措施 械和生物系统中。现在已有一些解释这一现象的模型，,般来讲，半导体器件中 的1,厂噪声是由晶体结构中杂质的缺陷引起的各种效应产生的。在MOS结构中， l,厂噪声与定期捕获和释放载流子的氧化物表面状态有关。几十年来，半导体工艺 和制造方面的进步已降低了器件中的闪烁噪声。 一个器件的l‖噪声超过其热噪声的频率是l矿转角频率 ComerFrequency 。 转角频率是工作条件 特别是温度和偏置电流 与制造工艺的函数。在常规工作 条件下，精密双极工艺的1,f转角频率最低:约为1-10Hz。用高频双极工艺制造 的器件，其转角频率常常为l,10kHz。MOSFET的l矿转角频率是沟道长度的倒数， 约为100MHz。对于生物电信号调理电路，必须选择转角频率低的器件。 ?热噪声 热噪声是由导体中载流子的随机热运动引起的。任何处于绝对零度以上的导 体中，电子都在做随机热运动。每个电子携带单位电荷的电量，电子的随机热运 动表现出导体中电流的波动，从而形成一定的噪声功率，在导体两端产生压降形 成噪声电压。 热噪声功率可以从热力学角度由奈奎斯特 Nyquist 定理从理论上导出 P 4kTB 3(2 式中，P为噪声功率，k为玻尔兹曼常数，r为热力学温度，而占为带宽。 由此可以得出，它表示一个电压源或电流源按已知关系与一个电阻器串联或 并联时所产生的噪声功率的大小为 口2 尸 等 3(3 尸 k‘R 3(4 噪声功率用等效噪声电压或噪声电流表示 eR‘ PR 4七刀治 3(5 ‘月2―2 mJ 3(6 分 !R 警T 由于噪声功率与带宽之间存在线性关系，故这类噪声常称为白噪声。 热噪声的机理是普遍的，无源器件除电阻外，电容的介质损耗、电感的 涡流 损耗都产生热噪声，有源器件如晶体管中热噪声来源于晶体管的基区电阻,”结 型场效应管多数载流子在沟道中随机热运动形成热噪声。任何测量系统，其分辨 能力最终的限制将是热噪声，即使放大器能够实现完全没有噪声，信号源的内阻 咫仍将产生热噪声。 重庆人学硕士学位论文 3噪卢与干扰及其抑制措施 ?散粒噪声 散粒噪声是由电子通过势垒的离散量子性产生的。它通常与二极管、双极型 晶体管有关。在半导体器件中，载流子产生与复合的随机性，使得流动着的 载流 子数目发生波动，由此引起电流瞬时涨落称为散粒噪声。 散粒噪声电流的均方值为 2 3(7 【j??，J lH‘‘ 2q,DBD 式中，‖为均方噪声电流，g是单位电子电荷，如是通过器件的平均直流电流，而 口是带宽。 从式 3(7 中可以看出，散粒噪声与电流的平方根成正比，而与温度无关。 这值得注意，增加偏置电流可能意味着绝对项中的散粒噪声会更高，但电路可以 利用与偏置电流线性增长的关系――比噪声增加快得多，这是低噪声设计中的永 恒命题[17,is]。 散粒噪声功率与带宽之间存在着线性关系。因此，这类噪声也属于白噪声。 散粒噪声与流过半导体PN结势垒的电流有关，因此二极管、三极管中，都存在散 粒噪声的电流噪声机构，而一般的导体中没有势垒，因此没有散粒噪声。 3(1(2噪声的描述 ?噪声电压嘞 我们常说的噪声电压,，实际指的是等效短路输入噪声电压的有效值，即当 输入端短路时，在无噪声放大器输入端相当于原来所呈现的噪声电压。噪声电压 常用在规定频率上的nV,,fH云数或在给定频带内的‖数表示。 ?噪声电流厶 噪声电流厶实际上指的是等效开路噪声电流的有效值，即在无噪声放大器的 输入端上出现的仅由噪声电流引起的噪声。噪声电流常用在规定频率上的p,?Hz 数或在给定频带内的nA数表示。噪声电流流过阻抗元件，将引起噪声电压。 ?噪声系数NF 噪声系数定义为系统输入端信噪比与输出端信噪比两者之比的对数【16l。 NF 10109器 3(8 式中，s和?分别表示信号和噪声的功率。噪声系数是电路系统 如放 大器 引起的信号质量 信噪Lt 恶化程度的度量。理想状态，放大器在信号源热噪声 的基础上不再增加噪声，NF O。实际上系统的脬总是大于OdB，低噪声设计的 目的是使脬值尽可能小【捌。 (1(3噪声的性质 3 噪声是随机的，噪声的随机过程不能用一个确定的时间函数来描述，但它服 16 重庆人学硕士学位论文 3噪声与干扰及其抑制措施 从于一定的统计规律，能通过表示噪声过程的概率密度而得知噪声电压落在某一 范围内的概率。在生物医学电子学中，最常遇到的噪声源――热噪声和散粒噪声， 其噪声电压或噪声电流的概率密度服从高斯分布。 噪声服从一定的统计规律，无法用频谱描述，而用功率谱表示它的频域特性。 噪声电压或噪声电流的均方值是它在一欧姆电阻上产生的平均功率尸。此功率是 各频率分量功率之和，即 S f df 3(9 P I 式中S 厂 是噪声源的功率谱密度，它表示单位频带内噪声功率随频率的变 化。噪声功率谱密度曲线所覆盖的面积在数值上等于噪声的总功率【19】。需要注意 的是，噪声的带宽定义与信号的带宽定义有所不同。 如果在很宽的频率范围内，噪声具有恒定的功率谱密度，即S p为一常数， 那么这种噪声称为白噪声。从上面的分析可知，热噪声和散粒噪声都属于白噪声。 谱密度实际是指厂到厂+矽之间的平均功率，所以功率谱密度的单位是W,Hz。然而， 大多数有源电路都是将信号作为电流或电压来处理的。如双极晶体管是跨导器件: 它产生的输出信号电流是与输入信号电压相对应的。为了能对信号和噪声进行快 速比较，一般都用每根号赫兹的电压V,?Hz或每根号赫兹的电流,?Hz来表示噪 声谱密度。 总之，噪声的基本特性可以用统计平均量来描述，均方值表示噪声的强度， 概率密度表示噪声在幅度域里的分布密度，功率谱密度表示噪声在频域里的特性。 两种噪声同时作用于系统时，设噪声电压均方值分别为e』2和衫，总噪声均方 电压，为 e2 e12+e22+2Cel已2 3(10 式中C为相关系数，在(1到1内取值。当两种噪声源完全不相关时，6"--0， 噪声电压瞬时值之间没有关系。对电路系统内部的噪声，由于各种噪声之间的相 关性不大，通常以彼此不相关来处理。 3(1(4器件的噪声 生物医学信号测量系统中各种器件 如电极、二极管、晶体管、运算放大器 以及电阻等 都会产生噪声。它们对于信号噪声比或测量精度的影响和它们在系 统中的具体位置或具体功能有关。总的来说，前置级的有缘和无源器件的噪声与 提取的信号一同放大，获得最大的放大倍数，相对而言，比信号传输过程中器件 的噪声造成的危害严重。在前置级放大器设计中，器件的选择应格外予以重视[sA9】。 ?电阻的噪声 电阻中都存在热噪声，电路中的电阻尺可等效成一个无噪声电阻R和一个噪 17 重庆大学硕士学位论文 3噪声与干扰及其抑制措施 声电压源K 、, 磊历丽相串联，也可以等效成一个无噪声电阻R和噪声电流源 厶 ? 琵丽相并联，如图3(1所示。用这种等效方法，能够很方便地简化任何 复杂电阻网络的噪声。 A 无 厶 噪 :圭: 尸口 有噪声R R K无噪声R B 1电阻器的热噪声及其等效模型 图3( Resistorthermalnoiseandits model Fig(3(1 equivalent ?电容器的噪声 理想的电容器是无噪声的，实际上，电容器存在介质损耗，即电容器的 漏电， 相当于理想电容器两端并联一个电阻忌，所以实际构成电容器的阻抗的实数部分， 称为电容器的热噪声源。电容器在工作时还存在1矿噪声，远比热噪声的影响大， 在生物电信号提取的低频放大器中，电容器的阻抗不能有效地旁路电容器本身的 噪声。作为耦合电容，低频电路中的大容量电容，其噪声的危害是比较突出的。 电容器的质量通常用损耗角万表示 肚口rctg去 B? 漏电小的电容器飓很大、万值小，旁路噪声的能力强。一般电容的万为 10一,10。2数量级，云母和瓷片电容器的万可达104数量级，铝电解电容器漏电大， 生物电信号提取电路的大容量电容应选择钽电解电容。 ?运算放大器的噪声 集成电路的噪声是组成它的所有元件噪声的总和，通常以其输入端噪声参数 圪、厶表示。实际上，运算放大器可以看成,个无噪声的放大器和3个不相关噪声 的组合【18，211。如图3(2所示描述了运算放大器噪声的标准模型，其中包括两个不相 关的电流噪声源厶+、厶与一个电压噪声源圪，连接于运算放大器的输入端，将电 压噪声源视为随时间变化的输入偏移电压分量，而电流噪声源则视为随时间变化 的偏置电流分量。 重庆人学硕七学何论文 3 噪声与干扰及其抑制措施 图3(2运算放大器的噪声模型 noise Operational representation Fig(3(2 amplifier elJR轻E女rr 狰睁叼了蝴S器AND NIOISE SPECIAL窃琶嗡 了V镛FREQ,UEN,CY 图3(3运算放大器噪声频谱密度 Noise for density amplifier Fig(3(3 spectral operational 从频谱密度来看，运算放大器存在宽带噪声，宽带噪声即为频谱密度图较平 坦的噪声。除了宽带噪声之外，运算放大器常还有低频噪声区，该区的频谱密度 图并不平坦。这种噪声称作1,厂噪声，或低频噪声。通常说来，1矿噪声的功率谱密 度函数以1If的速率下降。这就是说，电压谱密度函数会以1,?厂的速率下降。不 过实际上，1,厂函数的指数会略有偏差。如图3(3显示了典型运算放大器在1矿区及 宽带区的频谱情况，图中包含了电压和电流的噪声频率谱密度??。 表3(1显示了常见的低噪声运算放大器的部分性能参数12叫。从表中可以看出， 双极晶体管型放大器与场效应管型放大器比较，前者增益带宽积大、电压噪声密 19 重庆大学硕士学位论文 3噪声与干扰及其抑制措施 度低而电流噪声密度高。因此，低噪声电子设计需要根据具体应用场合来决定选 取什么类型的运算放大器。 表3(1典型的低噪声运算放人器 Table3(1 lownoise Typical Olaamp 型号 输入形式 GBW,MHz 厶 1l出z 厂家 Vn 1kHz ,nV LTl028 Tr 75 0(9 lpA Linear AD797 Tr 110 O(9 2pA ADI F356 FET 5 19 10pA TI BB OPAlllBMFET 2 7 0(4fA ADI AD743K FET 4(5 3(2 6(9,A ADI 3(1(5放大电路的噪声计算 典型运算放大电路如图3(4 a 所示，其噪声模型如图3(4 b 所示， 完整 的噪声模型包括6个不同的噪声源，其中eRJ、eR2、eRF分别为电阻尺J、 尼、耶的 等效热噪声，圪、厶+、厶一分别为运算放大器的噪声电压、同相输入端和 反相输入 端的噪声电流。 RF eRFRr a b 图3(4放大电路与其噪卢模型 circuitandits noisemodel Fig(3(4Amplification complete 每一个噪声源都有一个对应的增益值:电阻R，的噪声增益为G，电阻 飓的增 益为G+I，RE的噪声增益为1。每个噪声电流都流经一个电阻，最终噪声电 压在 获得相应增益后出现在输出端。厶(流经砰，并直接增大输出噪声;厶+流 经地并在 获得增益G+1后对输出端噪声做出贡献。放大器噪声电压圪获得增益G+I。 其中， G为放大电路的增益【221。 因此，运算放大电路输出端的噪声源与等效电压噪声见表3(2所示。 重庆大学硕十学位论文 3噪 声与干扰及其抑制措施 表3(2运算放大电路中的噪卢源与输出端等效噪声 Table3(2 circuit’Snoisesourceand atthe noise Opamp spectraldensityoutput 噪声源 输出端等效噪卢 RJ热噪声 扣面G 飓热噪声 丽 G+1 肼热噪声 4‘‘4。。‘。k。‘。。。T。。‘。R。。。’。。r。‘。 运算放大器电压噪声 圪 G+1 运算放大器反相输入端电流噪声 I(-RF 运算放大器同相输入端电流噪声 ，。(R，， G+1 未经修正的噪声源可作为和方根项合在一起。输出端的噪声e。D为 3(12 由式 3(12 计算出的噪声电压嘞D单位为V,?Hz。 低噪声放大电路设计中，需要考虑上述表达式中的每一项来确定放大电路的 噪声。实际情况往往是其中的某一项或某几项远大于其他项，这时，可以忽略较 小的项，因为它占总的噪声的比重微乎其微。 从式 3(12 中可以看出，当信号源电阻阻值很低时，放大电路的噪声主要取 决于放大器的电压噪声;当信号源电阻足够高时，放大电路的噪声取决于放大器 的电流噪声;而在这两者之间时，放大电路的噪声将取决于电阻的热噪声。因此， 在源阻抗较低时，要选择低电压噪声的运算放大器，而在高源阻抗时，要选择低 电流噪声的运算放大器。实际电路设计中，要求设计者在电压噪声、电流噪声与 电阻热噪声之间折中考虑，使得系统的整体噪声最小。 3(2干扰 所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化，有时变化速 率还相当快，这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电 路则会将这种能量发射到周围的环境中[231。电磁干扰 ElectroMagnetic 过外壳的缝、槽、开孔或其他缺口泄漏出去;而信号传导则通过耦合到电源、信 2l 重庆大学硕士学位论文 3噪声与干扰及其抑制措施 号和控制线上离开外壳，在开放的空间中自由辐射，从而产生干扰。 3(2(1干扰的起因 干扰的形成包括三个条件:干扰源、耦合途径与敏感电删241。抑制干扰也就 可以从这三个方面找到相应的措施。 ?干扰源 能产生一定的电磁能量而影响周围电路正常工作的物体或设备称为干扰源。 自然界的宇宙射线、太阳辐射、太阳黑子产生的周期电扰动等是一类干扰源;由 周围电气、电子设备产生的各种放电现象是另一种干扰源，如发动机点火、继电 器触点的开闭引起火花、旋转电机的电刷火花等，电容、电感的过渡过程的瞬变 电压、瞬变电流等，以及工业上的大功率电路、各种变压器、广播、电视、雷达、 导航等所传播的电磁能，周围的220V交流电压是最直接的50Hz干扰源。值得注 意的是，测量系统不只受到外界干扰源的干扰，而且测量系统本身也产生对内部、 对外部其他电子设备的电磁干扰，造成相互干扰的电磁环境。 电磁兼容性是指“一种器件、设备或系统的性能，它可以使其在自身环 境下 正常工作并且同时不会对此环境中任何其他设备产生强烈电磁干扰。”在电子系统 之间实现不互相干扰、协调混同工作的考虑，称为电磁兼容性设计EMC Electro Ma舭舐c 设备产生的干扰两个方面。电磁兼容性设计原则，是提高测试系统可靠性的一个 重要方面。 ?干扰耦合途径 1 传导耦合 经导线传播把干扰引入测试系统，称为传到耦合。交流电源线、测试系统中 的长线都能引起传导耦合，它们都具有天线的效果，能够广泛拾取空间的干扰引 入测试系统。交流供电线路的大功率负载，通过电网可以传播到测试系统。长的