共模抑制：它與ECG子系統(tǒng)的關(guān)系以及用于提供卓越性能的技術(shù)

本文中描述的用于優(yōu)化ECG子系統(tǒng)中共模抑制的技術(shù)已被證明具有出色的診斷性能，同時(shí)將患者和操作員的安全要求放在首位。

根據(jù)ECG子系統(tǒng)的應(yīng)用，在某些情況下，CMR（共模抑制）必須非常高。AAMI（醫(yī)療儀器促進(jìn)協(xié)會(huì)）規(guī)定了必須滿足的典型電極阻抗不平衡和偏移的測(cè)試方法。其他標(biāo)準(zhǔn)，如IEC，UL和來(lái)自不同國(guó)家的醫(yī)療指令，也有各種共模排斥測(cè)試。

本文介紹了人體阻抗不匹配、電極和電纜設(shè)計(jì)、保護(hù)電路、右腿驅(qū)動(dòng)的使用以及影響共模抑制的其他考慮因素，并提出了增強(qiáng)ECG子系統(tǒng)中CMR的各種方法。

共模抑制、安全和 RFI

必須進(jìn)行多種設(shè)計(jì)權(quán)衡，以優(yōu)化ECG系統(tǒng)中的共模抑制。

評(píng)估這些權(quán)衡從安全性開始。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表明，從直流到10.1 kHz的00 μA rms是ECG系統(tǒng)“正常狀態(tài)”操作的上限。對(duì)于“單故障條件”，一些標(biāo)準(zhǔn)允許增加到50 μA rms，但低至35 μA rms的電流可能會(huì)損害心肌。對(duì)于“單故障條件”，建議使用 10 uA rms。（請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn) 1。

交流電源漏電流必須限制在此最大水平。各種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量電極之間的源電流和灌電流，電極綁在一起，以及電極相對(duì)于接地的交流電源通電。

由于標(biāo)準(zhǔn)和特定國(guó)家/地區(qū)的指令會(huì)隨著時(shí)間的推移而變化，因此鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員保持最新版本，以確保持續(xù)符合安全標(biāo)準(zhǔn)，包括允許的最大拉電流和灌電流，作為頻率的函數(shù)，用于確保合規(guī)性。

此外，必須保護(hù)ECG子系統(tǒng)免受除顫器脈沖（雙相或單極性）的影響，因此在儀表放大器（儀表放大器）之間增加了限流電路以保護(hù)電路。還需要ESD（靜電放電）保護(hù)電路。

基本性能

除了安全要求外，ECG子系統(tǒng)還必須能夠在電外科手術(shù)和其他惡劣環(huán)境中提供IEC 60601-1-1及其衍生產(chǎn)品所描述的“基本性能”，其中附近的RFI（射頻推理）可能很高。這將包括飛機(jī)、雷達(dá)、火車和輪船等環(huán)境。

共模信號(hào)源

共模電壓的來(lái)源通常是 50 Hz 或 60 Hz 的交流電源頻率，線路電壓高達(dá) 264 VAC rms。非典型環(huán)境，例如運(yùn)行頻率為 16.666 Hz 的歐洲列車，也可能是共模輸入的來(lái)源。

人體共模模型和ECG子系統(tǒng)的其他電路路徑

在圖2中，共模信號(hào)通過(guò)“人體軀干”耦合，從皮膚表面通過(guò)電解質(zhì)、電極到ECG電極線，通過(guò)除顫器保護(hù)電路、RFI輸入濾波，并通過(guò)隔離接地和接地之間的電容將儀表放大器接地。圖1顯示了ECG電極及其與皮膚表面界面的阻抗模型。交流電源也可以通過(guò)ECG電纜耦合到ECG“前端”，輸入保護(hù)電路免受外部瞬變（如除顫器脈沖）的影響，并通過(guò)隔離電源直接耦合。儀表放大器輸入端的電位RFI整流也會(huì)產(chǎn)生儀表放大器共模抑制問(wèn)題。

圖1.人體組織→電解質(zhì)→電極模型。

圖2.心電圖子系統(tǒng)框圖。

共模至差模轉(zhuǎn)換

交流和ECG信號(hào)都通過(guò)電極測(cè)量到ECG前置放大器子系統(tǒng)中，因此確保共模信號(hào)不會(huì)轉(zhuǎn)換為“差?！狈浅Ｖ匾?。ECG電極阻抗不匹配、電纜電容以及與除顫器保護(hù)相關(guān)的保護(hù)電路（通常采用電阻和SCR/氬氣限壓器的形式）的組合使得共模到差分轉(zhuǎn)換的可能性更大。

組織/電極問(wèn)題

“角質(zhì)層”是皮膚的最外層，對(duì)電極本身具有皮膚成分的最高阻抗成分，并且在低頻下變化很大，并且隨著頻率的變化而變化。阻抗是電極材料、尺寸、粘合劑、使用的電解質(zhì)以及皮膚本身的外層/狀況的函數(shù)。為了確保電極界面的最低阻抗和更高的穩(wěn)定性，一些皮膚制備技術(shù)在放置電極之前使用“砂紙”作為“皮膚準(zhǔn)備”。Ag/AgCl電極的各種成分提供了其他常用材料的最低阻抗和偏移。在一定頻率范圍內(nèi)，電極之間的阻抗差可高達(dá)50，000 Ω。減少這種失配有助于減少共模到差分的轉(zhuǎn)換。（請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn) 2。

心電圖電纜

一些ECG電纜嵌入了保護(hù)電阻，用于電路的除顫器保護(hù)，其范圍從2.5 kΩ到高達(dá)49.9 kΩ的電極。如果電阻不在電纜中，則通常在PCB布局上。這些電阻的匹配很重要，因?yàn)樗cRFI濾波器接口。用于最小化電纜阻抗不匹配影響的一種技術(shù)是電纜屏蔽的有源驅(qū)動(dòng)。

射頻過(guò)濾器

用于防止RFI進(jìn)入儀表放大器輸入級(jí)的典型X2Y RFI濾波器必須匹配差分和共模阻抗。集成的2XY RFI濾波器具有優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝電容器的規(guī)格，并且該結(jié)構(gòu)使其具有卓越的性能。（請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn) 6。

用于降低輸入共模信號(hào)的技術(shù)

RLD

正如Winter，Wilson，Spinelli，et.al.所描述的右腿驅(qū)動(dòng)（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)4和5）是一種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)。共模降低的改善受到可提供給患者的RLD電流量的限制。應(yīng)考慮使用Spinelli描述的RLD跨阻放大器。

法拉第盾

法拉第屏蔽通常用于覆蓋ECG前端，并保護(hù)其免受環(huán)境RFI和交流電源耦合的影響，如圖2所示。法拉第屏蔽有助于減少交流電源耦合到信號(hào)鏈上其他各種入口點(diǎn)，然后再進(jìn)入儀表放大器輸入，例如Ce1和Ce2。

儀表放大器

儀表放大器的電源電壓必須足夠高，以適應(yīng)差分和共模輸入電壓范圍，通常為±1.0 V。在某些應(yīng)用中，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（最好為100 pA）的偏置電流、極低噪聲電流、極低噪聲電壓以及通過(guò)最高交流電源頻率的第五次諧波實(shí)現(xiàn)的高共模抑制。關(guān)注的典型頻率：16.666 Hz、50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz 和 180 Hz。

第一級(jí)儀表放大器通常設(shè)置為5至10之間的差分直流增益。如果輸入儀表放大器能夠?yàn)樾盘?hào)的交流部分而不是直流部分提供增益，則更高的增益是可行的。權(quán)衡因素包括噪聲性能、動(dòng)態(tài)輸入范圍和電源電壓。

DSP降低共模信號(hào)

在實(shí)施“硬件”抑制后，可以在數(shù)字域中處理殘余共模信號(hào)。使用的一些技術(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)字減法”。設(shè)計(jì)人員必須小心確保ECG信號(hào)的“診斷完整性”不會(huì)因使用這些不同的技術(shù)而受到損害，以確保臨床醫(yī)生的“鑒別診斷”不會(huì)受到某些潛在技術(shù)的不利影響。有時(shí)禁止使用陷波濾波器，因?yàn)樗鼤?huì)影響目標(biāo)信號(hào)的相位/幅度失真。必須保持符合“診斷帶寬”心電圖系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

用于高共模抑制的ECG子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)人員將患者和操作員的安全要求放在首位。一些增強(qiáng)共模抑制的技術(shù)實(shí)際上可能會(huì)增加漏電流，因此必須避免。隨著時(shí)間的推移，這里提到的技術(shù)已被證明具有出色的診斷性能。

審核編輯：郭婷