本文闡述人體阻抗不匹配、電極和電纜設(shè)計(jì)、保護(hù)電路、右腿驅(qū)動(dòng)的使用，以及其他影響共模抑制的考慮因素，并提出了多種方法來增強(qiáng)ECG子系統(tǒng)的CMR性能。

 

圖1. 人體組織→電解質(zhì)→電極模型

 

共模抑制、安全和RFI

 

為了優(yōu)化ECG系統(tǒng)的共模抑制，設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行多重權(quán)衡考量。

 

首先是評(píng)估安全。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)指出，10 µA rms(DC至1.00 kHz范圍)是ECG系統(tǒng)“正常”工作的上限。對(duì)于“單一故障狀況”，某些標(biāo)準(zhǔn)允許提高到50 µA rms，但低至35 µA rms的電流就可能損害心肌。10 uA rms是“單一故障狀況”的推薦值(見參考文獻(xiàn)1)。

 

交流電源漏電流必須不超過這一最大值。多種標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量電極之間、電極連在一起時(shí)以及交流電源供電的電極相對(duì)大地的源電流和吸電流。

 

各種標(biāo)準(zhǔn)和不同國家的指令都會(huì)隨時(shí)間調(diào)整變化，因此設(shè)計(jì)人員需遵循最新版本的要求，確保始終符合安全標(biāo)準(zhǔn)，包括允許的最大源電流和吸電流、與頻率的關(guān)系、針對(duì)人體的要求以及用于確保合規(guī)的測(cè)試方法。

 

此外，必須保護(hù)ECG子系統(tǒng)不受除顫器脈沖(雙相或單極性)影響，因此應(yīng)在儀表放大器之間增加限流電路以保護(hù)電路。另外還需要ESD(靜電放電)保護(hù)電路。

 

基本性能

 

除了安全要求以外，ECG子系統(tǒng)在電外科手術(shù)中和其他惡劣環(huán)境下(附近的射頻干擾RFI可能很高)，必須能夠提供IEC 60601-1-1及其衍生標(biāo)準(zhǔn)所述的“基本性能”， 這包括飛機(jī)、雷達(dá)、火車和輪船等環(huán)境。

 

共模信號(hào)源

 

共模電壓源通常為頻率50 Hz或60 Hz、線路電壓最高達(dá)264 VAC rms的交流電源。歐洲列車等非典型環(huán)境采用16.666 Hz的工作頻率，也可能是一個(gè)共模輸入源。人體和ECG子系統(tǒng)其他電路路徑的共模模型在圖2中，共模信號(hào)通過“人體軀干”耦合，從皮膚表面經(jīng)過電解質(zhì)、電極到達(dá)ECG電極線，經(jīng)過除顫器保護(hù)電路、RFI輸入濾波、儀表放大器、隔離地與大地之間的電容到達(dá)大地。圖1給出了ECG電極及其與皮膚表面接口的阻抗模型。交流電源也可以通過ECG電纜耦合到ECG“前端”，輸入保護(hù)電路則防止除顫器脈沖等外部瞬變影響電路，通過隔離電源直接耦合。儀表放大器輸入端的潛在RFI整流也可能引起儀表放大器共模抑制問題。

 

圖2. ECG子系統(tǒng)功能框圖

 

共模轉(zhuǎn)差模

 

交流信號(hào)和ECG信號(hào)均通過ECG前置放大器子系統(tǒng)中的電極來測(cè)量，因此確保共模信號(hào)不被轉(zhuǎn)換為“差模”信號(hào)非常重要。ECG電極阻抗不匹配、電纜電容和除顫器相關(guān)保護(hù)電路(通常采用電阻和SCR/氬電壓限幅器的形式)的結(jié)合，增強(qiáng)了實(shí)現(xiàn)共模轉(zhuǎn)差模的可能性。

 

組織/電極問題

 

對(duì)電極本身而言，在皮膚的組成結(jié)構(gòu)中，最外層——“角質(zhì)層”的阻抗最高，而且在低頻時(shí)變化非常大，并且隨頻率而變化。阻抗與電極材料、尺寸、粘結(jié)劑、所用的電解質(zhì)及皮膚本身的外層/狀況有關(guān)。為了確保阻抗最低并提高阻抗在電極界面處的穩(wěn)定性，在放置電極之前，某些備皮技術(shù)使用“砂紙”作為“備皮”。相比其他常用材料，某些組成的Ag/AgCl電極可提供最低的阻抗和失調(diào)。在整個(gè)頻率范圍內(nèi)，電極之間的阻抗差可能高達(dá)50,000 Ω。降低這種不匹配有助于減小共模轉(zhuǎn)差模的可能性 (見參考文獻(xiàn)2)。

 

ECG電纜

 

為了保護(hù)電路不受除顫器影響，某些ECG電纜會(huì)嵌入2.5 kΩ至49.9 kΩ的保護(hù)電阻。如果該電阻不在電纜中，則它通常位于PCB上。因?yàn)榕cRFI濾波器接口，所以這些電阻的匹配非常重要。一種用來將電纜阻抗不匹配的影響降至最低的技術(shù)是以有源方式驅(qū)動(dòng)電纜屏蔽體。

 

RFI濾波器

 

為防止RFI進(jìn)入儀表放大器的輸入級(jí)，通常使用X2Y RFI濾波器，其差模和共模阻抗必須匹配。相比于標(biāo)準(zhǔn)表貼電容，集成2XY RFI濾波器具有優(yōu)異的特性，而且結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)出色的性能 (見參考文獻(xiàn)6)。

 

用于消減輸入共模信號(hào)的技術(shù)

 

RLD Winter、Wilson、Spinelli等人提出的右腿驅(qū)動(dòng)(見參考文獻(xiàn)4和5)，是一種用來降低儀表放大器差分輸入端出現(xiàn)的共模信號(hào)輸入電平的技術(shù)。模信號(hào)的降低程度受限于能夠提供給病人的RLD電流量。對(duì)于RLD，應(yīng)考慮使用Spinelli所述的跨導(dǎo)放大器。

 

法拉第屏蔽

 

法拉第屏蔽常用于覆蓋ECG前端，保護(hù)它不受環(huán)境RFI和交流電源耦合的影響，如圖2所示。法拉第屏蔽有助于降低儀表放大器輸入端之前、信號(hào)鏈上其他入口點(diǎn)中的交流電源耦合，如Ce1和Ce2等。

 

儀表放大器

 

儀表放大器的電源電壓必須足夠高，以便支持通常為±1.0 V的差分和共模輸入電壓范圍。某些應(yīng)用需要更高的差分輸入電平：±2.0 V。儀表放大器必須具有1 nA或更低的偏置電流(最好為100 pA)、極低的噪聲電流、極低的噪聲電壓，以及對(duì)最高交流電源頻率的五次諧波的高共模抑制。需要關(guān)注的典型頻率為： 16.666 Hz、50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz和180 Hz。

 

第一級(jí)儀表放大器的差分直流增益通常在5到10的范圍內(nèi)設(shè)置。如果輸入儀表放大器能夠向信號(hào)的交流部分提供增益，而不向直流部分提供增益，則也可以設(shè)置更高的增益。需要權(quán)衡考慮的因素有噪聲性能、動(dòng)態(tài)輸入范圍和電源電壓。

 

DSP消減共模信號(hào)

 

通過“硬件”方法消減共模信號(hào)之后，殘余共模信號(hào)可以在數(shù)字域中處理。常用的一些技術(shù)包括FIR陷波濾波器、自適應(yīng)濾波器和共模信號(hào)本身的“數(shù)字消減”。設(shè)計(jì)人員必須小心謹(jǐn)慎，確保ECG信號(hào)的“診斷完整性”不會(huì)因?yàn)槭褂眠@些技術(shù)而受損，并且臨床醫(yī)生的“差分診斷”不會(huì)受到某些潛在技術(shù)的不利影響。陷波濾波器的使用有時(shí)存在一些爭(zhēng)議，因?yàn)樗鼤?huì)影響目標(biāo)信號(hào)的相位/幅度失真。ECG系統(tǒng)必須符合關(guān)于“診斷帶寬”的標(biāo)準(zhǔn)。

 

小結(jié)

 

ECG子系統(tǒng)的高共模抑制設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員把患者和操作人員的安全要求放在第一位。某些用于增強(qiáng)共模抑制的技術(shù)實(shí)際上可能會(huì)提高漏電流，因此必須避免使用。本文所述的技術(shù)經(jīng)過時(shí)間驗(yàn)證，有助于實(shí)現(xiàn)出色的診斷性能。

 

參考文獻(xiàn)

 

1. “問題新探：放寬電子醫(yī)療設(shè)備的安全電流限值會(huì)增加病人的危險(xiǎn)嗎？”Michael M. Laks(醫(yī)學(xué)博士)、Robert Arzbaecher(哲學(xué)博士)、David Geselowitz(哲學(xué)博士)、James J. Bailey(醫(yī)學(xué)博士)、Alan Berson(哲學(xué)博士)，Circulation，2000；102：823-825。

 

2. “高質(zhì)量記錄生物電事件，第一部分：減少干擾，理論與實(shí)踐。”A.C. Metting Van Rijn、A. Peper、C.A.Frimbergen，醫(yī)學(xué)研究中心，醫(yī)學(xué)物理系，Meibergdreef 15 1105 AZ 阿姆斯特丹，荷蘭

 

3. “X2Y RFI濾波器。”Johanson Dielectrics。檢索日期：1/11；網(wǎng)址：http://www.johansondielectrics.com/x2yproducts/x2y-for-emi-ltering.html

 

4. “右腿驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，”Bruce Winter、John G. Webster，IEEE Transactions on Biomedical Engineering， 第BME-30卷，1983年1月。

 

5. Enrique Mario Spinelli等，“跨導(dǎo)型右腿驅(qū)動(dòng)電路，” IEEE Transactions on Biomedical Engineereing，第46卷，第12期，1999年12月。

 

 

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