《生医工程实验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《生医工程实验（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、生醫工程實驗實驗四生醫信號量測電路之設計第五組B92501085 土木四 馬子宸電路設計：(1) 儀表放大器Instrument Amplifier其目的需達到高輸入阻抗、高共模排斥以及提供放大增益這三個項目，以獲得夠大的信號及減低一些可能的雜訊。依照我們的設計，輸入端接入OP可提供足夠高的阻抗；而此電路理想的共模增益為零若元件完全匹配則電路是對稱的，在最後一個OP會只有差模電位被放大；這個電路提供的差模增益為選用的電阻為R4 = 10kW、R3 = 200W、R1 = 1kW、Rf = 1kW，理論的GIA為150V/V。(2) 地端回饋Right Leg Driven其目的為將兩輸入端的共
2、模電位回饋回人體右腳的參考地端，以減少共模信號的強度。根據我們實驗的結果以及另一組的電路結果比較，有沒有這個電路其實影響不會太大；或者是直接將右腳接地也是一個可以採行的方法。從儀表放大器取出兩輸入端的平均電壓為共模信號，設計的要求是盡可能減小從儀表放大器抽取的電流，以及回饋到受試者上的電流必須要很小。此電路對共模訊號的增益為以負的輸出回饋到人體上：當共模為正時回饋降低共模訊號；為負時回饋補充其電位。選用的電阻為Ra = 100kW、Rc = 510kW。(3) 高通濾波器High-pass filter考慮到生理信號會有極低頻信號的干擾，像是呼吸的EMG信號或是受試者的移動等，其頻率通常不會很
3、高，因此使用一高通濾波器。除此之外還可以濾掉共模的DC訊號。我們採用RC高通濾波器，串接三級，pole放在0.07Hz。其Transfer function為我們選用R = 330kW、C = 22mF。(4) 低通濾波器Low-pass filterECG的頻譜範圍約在200Hz以下，但是實際上高頻信號的比例沒有很高。大部分ECG的特色波形PQRST波是比較低頻的組成。低通濾波器還有smooth的效果，可以讓曲線比較平滑而看出比較有特色的波形。我們採用兩階的butterworth LP filter，其Transfer function為Butterworth的特色是maximum flat
4、，要為我們選定cutoff frequency在30Hz處，RB = 2.4kW、CB = 2.2mW、R5 = 1.8kW、R6 = 1kW。(5) 帶拒濾波器Notch filter由於ECG訊號會受到嚴重的60Hz power line interference，使用一帶拒濾波器濾掉60Hz的訊號將可以得到比較真實的ECG波形。選的元件為RT = 12kW、CT =0.22mF、R7 =1kW、R8 =910W，另外，Rt理想的大小為RT的一半，使用可變電阻微調notch的頻率以最佳化notch的performance。系統設計結果：實驗結果：依照上面設計的電路圖可以確切得到訊號，但是因
5、為雜訊的處理並不完全，導致僅能得到正旋波圖。問題與討論：1. 當欲量測的生理信號頻譜和60Hz的雜訊有所重疊時，請問應該怎樣去改善？A：一個方法是將受試者置於屏蔽屋，再加上獨立電源例：DC電源如電池，盡可能減少外界的干擾。另一個方法像是我們使用的地端回饋的改良版Adaptive Filter，其1-weight LMS method block diagram如下所示。 Adaptive noise cancellation一般分成least mean squared (LMS)和recursive mean squares (RMS)二種方法，在同樣的tap weight數目下，RMS的效果
6、會比LMS還要好，但計算量比較龐大。 我們這次使用LMS方法來消除雜訊，所以我們這次只討論有關LMS方法的數學部分。如上圖所示，今以z(h)表示輸入訊號xn與輸出xn的誤差：z(h) = E(xn-xn)2 = E(xn-hnyn)2 = Ex2n-2hxnyn+h2y2n = Ex2n 2hExnyn + h2Ey2n (E是linear operator) = Ex2n 2hr + h2R (令Exnyn = r，Ey2n = R)我們希望z(h)有最小值 (1)又希望這個filter每次會改量tap weight hn，所以可把hn表示成如下關係：hn+1 = hn + hn (2)所以
7、z(h)應該在經過一次操作後減少z(h+h) z(h)假設h很小，我們可以估計z(h+h)為z(h) + z(h) + z(h)再令h= ，其中為正，代入(2)可得hn+1 = hn (3)由(1)知=-2Eenyn，假設這個值為 - 2enyn，則(3)可寫成hn+1 = hn + 2enyn (4)(4)就是在實做時用到的式子，與上面的block diagram一致。然而上述推論只假設h只含一個tap weight，經由類似的方法，我們可以擴充h至任何我們想要數目的tap weight，其數學推導如下：寫出向量內成分元素的話，hmn+1 = hmn + 2enyn-m，0mM。下圖為比較一
8、般化(擴充至2維)的block diagram：2. 要提高信號的SNR，除了使用濾波器之外，是否有其他方法可以改善？A：最容易提高SNR的方法是改善電極和皮膚之間的接觸電阻。因為皮膚電阻很大，電解液可以提供一部分的匹配，以及離子交換。除了肢導的方式，可以改成放在胸口，可以提高信號的強度。另外，在測量時應避免身體觸碰導體，如此可減少其它偶合訊號。3. 你覺得濾波器用軟體設計比較理想或者用硬體設計較佳？其差別在哪裡？A：兩者各有優缺點，我們認為要視不同需求決定何者較好。軟體方法是先作Fourier Transform後，乘上想要濾波Transfer function。以本實驗的notch電路來說
9、，就是將60Hz的比重衰減到和其他高頻項大小一致若直接設為零則所得到的波形原本60Hz的成分就不見了，估計原本大約和5565Hz的大小差不多，內插法決定。優點是可以近似於任意的決定濾波器的Transfer function，包括Q值、頻寬、形狀等都可以做出來，對於passband的distortion會比較小；軟體方法是由電腦運算，所以系統可以非常簡單；。缺點是必須要到後端PC才能處理；速度上會比硬體濾波器略慢一些以變化不快的生理訊號而言，若不是太複雜或太龐大的資訊量，處理的速度應該還是可以即時處理；太複雜的濾波也會讓結果失去可信度。硬體方法則是以複雜的電路設計，決定階數、帶寬、增益等因素後直
10、接將信號輸入，得到輸出。優點是為純類比，速度上比較快；可以在系統前端放置，後面放大時就不會浪費功率放大不要的頻段；。缺點是不易做的很理想，會有額外的distortion或是濾不乾淨；需要比較複雜的系統設計；以前端系統來說，如果是主動濾波器可能會要比較大的功率消耗。兩者的差別在於因應需求。舉例來說，若今天需要一個低耗電的系統，信號要在電腦上處理，那可能以硬體簡單處理一下後主要交給軟體濾波；若要求一個高頻的即時系統，而計算器無法趕上其速度時就只能選用硬體方式濾波了；又或者是一個可以插電的系統，硬體濾波不用考慮功率問題就可以做的很複雜，但是軟體方式可以節省一些成本的時候就可以採用兩者的hybrid等。4. 跟實驗二的結果比較BioPAC的系統量測結果和我們設計的比較。A：如果能夠確切得出圖形應該會很相近的，但是由於本身的設計並不完善，所以僅得出正旋波，完全與實驗二的結果不同。實驗心得： 這次的實驗可說是屋漏偏逢連夜雨啊！一開始就對於麵包板以及電路設計完全沒有概念，沒想到還沒開始做實驗又碰到NI器材有問題，連接線完全故障，又沒有可以更換的線，一開始的三個星期完全不能做，只能間接收集資料，直到其他組做完以後才開始進行；但是，雖然很辛苦，還是學到很多東西，最後做失敗的還是覺得很有趣。
