前言
使用心電圖機(jī)測(cè)量待測(cè)者的心電圖時(shí),常會(huì)因?yàn)榇郎y(cè)者身上的市電訊號(hào)干擾,造成心電圖上的 50/60 Hz 噪聲增加,這可能會(huì)影響醫(yī)生正確判讀心電圖波形所代表的心臟疾病。因此如何在市電干擾嚴(yán)重的環(huán)境下,正確無(wú)誤的測(cè)量心電圖,實(shí)在是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
另外,在不同身體位置可能會(huì)存在不同的直流電壓差,兩位置間(例如:左手、右手間)的直流電壓差可達(dá) 300 mV、甚至 1000 mV。而心電訊號(hào)的電壓范圍一般介于 0.5 mV 到 3 mV 之間,因此如何避免這些數(shù)百 mV 的 DC 訊號(hào)干擾正常心電訊號(hào),又是另一種挑戰(zhàn)。
醫(yī)療測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中,共模抑制比 CMRR(Common Mode Rejection Ratio)的測(cè)試目的,就是為了確保心電圖機(jī)在上述的 50/60 Hz 干擾和 DC 偏移的情形下,仍然可以正常的顯示心電圖,以利醫(yī)生做正確的判讀。接下來(lái)將詳細(xì)介紹 CMRR 測(cè)試的原理和方法。
CMRR 測(cè)試原理
1. 測(cè)試線路:
依據(jù)三個(gè)心電圖機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的測(cè)試線路圖,如圖1:
圖1、CMRR 測(cè)試線路圖
圖1 左側(cè)的「信號(hào)產(chǎn)生器」產(chǎn)生市電頻率的訊號(hào),其仿真的就是干擾待測(cè)者身上的市電訊號(hào),旁邊經(jīng)過(guò)一個(gè)由 C1、Ct、Cx 并聯(lián)組成的共 200 pF 的線路到 B 點(diǎn)(共模點(diǎn)),這 200 pF 電容模擬的就是人體對(duì)地的容抗;圖中兩個(gè)封閉虛線,分別代表標(biāo)準(zhǔn)要求的線路金屬內(nèi)外屏蔽,由于兩塊金屬片之間會(huì)有雜散電容 Cx,并且這個(gè) Cx 電容值會(huì)隨不同 CMRR 測(cè)試設(shè)備而不同,因此使用一個(gè)可調(diào)電容 Ct 使得 Cx+Ct=100 pF,再加上 C1 得 200pF。由于 C1=100 pF,和 Cx+Ct 的 100 pF 剛好形成一半的分壓,因此 Ct 調(diào)到適當(dāng)?shù)闹抵螅珺 點(diǎn)電壓 Vc 會(huì)剛好是信號(hào)產(chǎn)生器輸出電壓 Vs 的一半,也就是 Vc=0.5Vs。
之后是 S0 開(kāi)關(guān),所有 CMRR 測(cè)試 S0 都是閉合的,只有噪聲電平測(cè)試時(shí)才打開(kāi)。S0 開(kāi)關(guān)之后,所有待測(cè)心電圖機(jī)的電極線都串接一個(gè) 51KΩ 并聯(lián) 47nF 的模擬電極皮膚阻抗線路。除了 N(RL) 電極外,由 S1 到 Sn 開(kāi)關(guān)控制各電極是否串接這個(gè)阻抗線路。另外待測(cè)電極,圖1 的例子待測(cè)電極是 R(RA) 電極,可由 SDC 開(kāi)關(guān)控制是否有 ±300 mV 直流偏置電壓的迭加,此 ±300 mV 便是在仿真人體不同位置間的直流電壓差。
2. 測(cè)試重點(diǎn):
CMRR 的測(cè)試,除了 IEC60601-2-47(中國(guó)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn):YY 0885)移動(dòng)式心電圖機(jī)部分要多測(cè)兩倍電源頻率外,所有標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法幾乎相同,只是測(cè)試電壓,串接電極皮膚阻抗線路的方式和通過(guò)準(zhǔn)則有些差異;另外,測(cè)試前,待測(cè)裝置的 50/60 Hz 頻率的陷波器(Notch Filter)必須關(guān)閉。主要包含了下面 5 個(gè)測(cè)試的重點(diǎn):
心電標(biāo)準(zhǔn):IEC60601-2-25 / 27(YY 0782 / 1079 / 1139)要求 20 Vrms 電源頻率信號(hào)電壓(Vs),IEC60601-2-47(YY 0885)則要求 Vs = 8Vp-v(2.828Vrms)電源頻率和 Vs = 1.422 Vp-v(0.502Vrms)兩倍電源頻率。
腦電標(biāo)準(zhǔn):IEC60601-2-26 要求 2Vrms 電源頻率信號(hào)電壓(Vs)。
在不接任何待測(cè)設(shè)備電極線的設(shè)置下,調(diào)整可調(diào)電容 Ct 直到共模點(diǎn)電壓值(Vc)為電源頻率信號(hào)電壓值(Vs)的一半,即 Vc=0.5Vs。這個(gè)步驟主要是確定 Ct + Cx=100 pF。
接上待測(cè)設(shè)備的所有電極線,先做平衡測(cè)試,依標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)置,S1 到 Sn 全開(kāi)或全閉,然后測(cè)量心電圖機(jī)上所有導(dǎo)聯(lián)波形幅度。由于所有電極線設(shè)置都相同,故稱為平衡測(cè)試。
依標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)置,一次一個(gè)開(kāi)關(guān),逐次開(kāi)或閉待測(cè)電極的 Sn 開(kāi)關(guān),其余 Sn 開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉和待測(cè)電極的 Sn 開(kāi)關(guān)相反。譬如當(dāng) S1 開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí),其余 S2~Sn 開(kāi)關(guān)閉合,S1 開(kāi)關(guān)所連接電極線稱為待測(cè)電極線,因?yàn)楹推渌姌O線設(shè)置不同故稱此測(cè)試為不平衡測(cè)試。測(cè)量所有導(dǎo)聯(lián)波形幅度。
在待測(cè)電極在線迭加 ±300 mV 直流偏置電壓,測(cè)量所有導(dǎo)聯(lián)波形幅度。
所有導(dǎo)聯(lián)波形幅度通過(guò)的準(zhǔn)則:IEC60601-2-25 / 27(YY 0782 / 1079 / 1139)不超過(guò) 10 mmp-v(1 mVp-v),IEC60601-2-47(YY 0885)不超過(guò) 4 mVp-v,IEC60601-2-26 不超過(guò) 0.1 mVp-v。
依照上述,那么多少 dB 的 CMRR 值才能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)呢?首先,CMRR dB 值的公式為:
CMRR (dB)= 20*log?(Vout/Vin)-----------(1)
其中 Vout 為待測(cè)心電圖機(jī)上的導(dǎo)聯(lián)振幅值,Vin 為 CMRR 測(cè)試儀器的共模電壓 Vc。以 IEC60601-2-25/27 來(lái)說(shuō) Vout 不超過(guò) 10 mmp-v (1 mVp-v),Vin 為共模點(diǎn)的電壓值 10 Vrms,所以通過(guò) IEC60601-2-25/27 所需的 CMRR 值(最大)為:
20*log?((1 mVp-v)/(10 Vrms))=20*log?((1 mVp-v)/(10*2√2 Vp-v))?20*log?((0.001Vp-v)/(28.28Vp-v))?-89dB
依相同方式推算,IEC60601-2-47 在電源頻率時(shí)所需的 CMRR 值為 -60dB,兩倍電源頻率時(shí) CMRR 值為 -45dB;IEC60601-2-26 所需的 CMRR 值則為 -89dB。但由于心電、腦電標(biāo)準(zhǔn)皆需做不平衡測(cè)試(上述第 4 項(xiàng)),此不平衡電路會(huì)在差動(dòng)放大器前產(chǎn)生些微的電壓差,此時(shí)原來(lái)的共模訊號(hào)變成微小的差模訊號(hào),經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器放大后輸出電壓會(huì)比平衡測(cè)試時(shí)更大些,但仍然要符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。
CMRR 測(cè)試方法
1. 測(cè)試環(huán)境設(shè)置
開(kāi)始測(cè)試 CMRR 時(shí),首先要注意的是測(cè)試環(huán)境;由于環(huán)境中的市電頻率(50/60 Hz)噪聲會(huì)透過(guò)輻射或大地的回路來(lái)干擾測(cè)試,因此如何避免這些噪聲影響測(cè)試結(jié)果,是測(cè)試前重要的準(zhǔn)備工作。圖2 是使用鯨揚(yáng)科技的 CMRR 測(cè)試儀「CMRR 3.0+」來(lái)測(cè)試一臺(tái) 12 導(dǎo)心電圖機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)圖:
圖2、CMRR 測(cè)試系統(tǒng)圖
測(cè)試時(shí),首先需注意 CMRR 3.0+ 及待測(cè)設(shè)備是否共地。建議做法便是將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)(包含 CMRR 3.0+ 及待測(cè)設(shè)備)共地到一片獨(dú)立的(不可接其他系統(tǒng)的地或大地)金屬板上,此金屬板建議大小為 60 公分 x 100 公分(或更大);此做法有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1) 整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)共地 (2) 測(cè)試系統(tǒng)獨(dú)立 (3) 金屬板會(huì)吸收測(cè)試系統(tǒng)噪聲的能量。若待測(cè)設(shè)備沒(méi)有可接出的地線,這時(shí)待測(cè)設(shè)備輸入端為浮接(floating)的狀態(tài);此時(shí)可以讓 CMRR 3.0+ 地線單獨(dú)接至金屬板上。
圖3 為平衡測(cè)試 CMRR 3.0+ 和心電圖機(jī)都沒(méi)有接至金屬板的測(cè)試結(jié)果。可以看到所有導(dǎo)聯(lián)輸出的訊號(hào),因?yàn)槭须婎l率(50/60 Hz)噪聲的干擾,會(huì)隨時(shí)間做不規(guī)則變化,也就是無(wú)法確定輸出訊號(hào)的大小,因而無(wú)法得到確定的結(jié)果。
圖3、測(cè)試系統(tǒng)無(wú)共地至金屬板上
2. CMRR 測(cè)試實(shí)例
以下為 IEC60601-2-25/27 的測(cè)試實(shí)例及其步驟:
(1) 關(guān)閉待測(cè)裝置的 50/60 Hz 頻率的陷波器(Notch Filter)
(2) 先不連接所有的電極線到 CMRR 3.0+ 上
(3) 設(shè)置信號(hào)源電壓 Vs,IEC60601-2-25/27 需選擇 Supply Voltage 為 20 Vrms
(4) 選擇 Frequency 為 50 或 60 Hz
(5) 調(diào)整共模電壓 Vc:調(diào)整面板上的 Ct(Adjustable Capacitor)直到 Vc 為~10 Vrms
圖4、調(diào)整 Vc 電壓至 Vs 電壓的一半
(6) 連接所有電極線到 CMRR 3.0+ 上
(7) 平衡測(cè)試:選擇 Electrode with Impedance 為 None(S1 到 Sn 全閉)
(8) 調(diào)整 DC Offset 為 Off
(9) 測(cè)量 ECG 上所有導(dǎo)程輸出至少 15 秒(最大輸出導(dǎo)聯(lián) I ~ 0.1 mm)
圖5、平衡測(cè)試結(jié)果
(10) 不平衡測(cè)試:調(diào)整 Electrode with Impedance 為 RA(僅 S1 打開(kāi))
(11) 測(cè)量 ECG 上所有導(dǎo)程輸出至少 15 秒(最大輸出導(dǎo)聯(lián) I = 2 mm)
圖6、RA 不平衡測(cè)試結(jié)果(RA 加阻抗)
(12) 迭加 +300 mV 直流偏置電壓,調(diào)整 DC Offset 到「+300 RA」
(13) 測(cè)量 ECG 上所有導(dǎo)程輸出至少 15 秒(最大輸出導(dǎo)聯(lián) I = 2 mm)
圖7、RA 不平衡測(cè)試迭加 +300 mV 直流偏壓
(14) 迭加 -300 mV 直流偏置電壓,調(diào)整 DC Offset 到「-300 RA」
(15) 測(cè)量 ECG 上所有導(dǎo)程輸出至少 15 秒(最大輸出導(dǎo)聯(lián) I = 2 mm)
圖8、RA 不平衡測(cè)試迭加 -300 mV 直流偏壓
(16) 調(diào)整 DC Offset 到 Off
(17) 調(diào)整 Electrode with impedance 到 LA
(18) 測(cè)量 ECG 上所有導(dǎo)程輸出至少 15 秒(最大輸出導(dǎo)聯(lián) I = 2.2 mm)
圖9、LA不平衡測(cè)試結(jié)果(LA 加阻抗)
(19) 調(diào)整 DC Offset 到「+300 LA」
(20) 測(cè)量 ECG 上所有導(dǎo)程輸出至少 15 秒(最大輸出導(dǎo)聯(lián) I = 2.2 mm)
圖10、LA 不平衡測(cè)試迭加 +300 mV 直流偏壓
(21) 調(diào)整 DC Offset 到「-300 LA」
(22) 測(cè)量 ECG 上所有導(dǎo)程輸出至少 15 秒(最大輸出導(dǎo)聯(lián) I = 2.2 mm)
圖11、LA 不平衡測(cè)試迭加 -300 mV 直流偏壓
(23) 重復(fù)步驟 10~15,但依次調(diào)整 Electrode with impedance 到 LL/V1~V6
依據(jù)上述實(shí)例測(cè)得的結(jié)果,尋找幅值最大的導(dǎo)聯(lián)。圖5 平衡測(cè)試最大振幅的導(dǎo)聯(lián) I 波形的幅度為 ~0.1 mm,在 20 mm/mV 的增益下電壓 Vout = 0.1 / 20 = 0.005 mV,代入 (1) 式中得 CMRR 值為:
20*log?((0.005 mVp-v)/(10 Vrms))=20*log?((5*〖10〗^(-6) Vp-v)/(28.28Vp-v))?-135 dB
但是實(shí)際上導(dǎo)聯(lián) I 的輸出幾乎是一條直線,測(cè)量出的幅值應(yīng)該不是正確的輸入 10 Vrms 的反應(yīng)值,CMRR 應(yīng)該更優(yōu)于 -135 dB,這在后面「高于標(biāo)準(zhǔn)的 CMRR 測(cè)試」章節(jié)中會(huì)再詳細(xì)討論。
用同樣的方法測(cè)量圖6 中 RA 不平衡測(cè)試最大振幅的導(dǎo)聯(lián) I 波形,得幅度為 2 mm,在 20 mm/mV 的增益下電壓 Vout = 2 / 20 = 0.1 mVp-v,代入 (1) 式中得 CMRR 值為:
20*log?((0.1 mVp-v)/(10 Vrms))?20*log?((1*〖10〗^(-4) Vp-v)/(28.28Vp-v))?-109 dB
比較圖5 和圖6 的測(cè)量結(jié)果可以觀察到,不平衡測(cè)試的波形幅度一般會(huì)比平衡測(cè)試的波形幅度來(lái)得大;這是由于不平衡電路會(huì)產(chǎn)生些微的電壓差,此時(shí)原來(lái)的共模訊號(hào)變成微小的差模訊號(hào),經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器放大后輸出電壓會(huì)比平衡測(cè)試時(shí)更大些。因此 CMRR 值變得較差。
圖7 和圖8 分別為不平衡測(cè)試時(shí),迭加 ±300 mV 直流偏置電壓的測(cè)試結(jié)果。最大幅值都發(fā)生在導(dǎo)聯(lián) I,由于兩者導(dǎo)聯(lián) I 都相等于沒(méi)有迭加 DC 的幅值,因此 CMRR 值皆為 -109 dB。這是由于待測(cè)設(shè)備迭加 ±300 mV 直流偏壓時(shí)仍在差動(dòng)放大器的線性工作區(qū)間內(nèi)的緣故。
圖9 至圖11 為 LA 不平衡測(cè)試結(jié)果,最大幅值都發(fā)生在導(dǎo)聯(lián) I,且導(dǎo)聯(lián) I 幅值皆為 2.2 mm @20mm/mV,Vout = 0.11 mV,因此 CMRR 值如下:
圖9-11:導(dǎo)聯(lián) I 幅值 2.2 mm @20mm/mV,Vout = 0.11 mV
20*log?((0.11 mVp-v)/(10 Vrms))?20*log?((11*〖10〗^(-5) Vp-v)/(28.28Vp-v))?-108.2 dB
接著繼續(xù)測(cè)試其他導(dǎo)聯(lián)線(LL/V1~V6),若是所有測(cè)試,其導(dǎo)聯(lián)振幅皆不大于 2.2 mm(0.11 mVp-v),則可以說(shuō)此心電圖機(jī)的 CMRR 值約為 108 dB。
其他注意事項(xiàng)
CMRR 測(cè)試頻率為市電頻率,若在此時(shí)開(kāi)啟市電頻率的陷波器,測(cè)試電壓會(huì)被陷波器濾除;這時(shí)測(cè)試結(jié)果并不是差動(dòng)放大器的 CMRR 值,而是陷波器及 CMRR 的綜合結(jié)果。為了確保差動(dòng)放大器可以達(dá)到心電標(biāo)準(zhǔn)的要求,因此,標(biāo)準(zhǔn)明確描述測(cè)試 CMRR 時(shí)需將陷波器關(guān)閉。
以下為心電圖機(jī)不平衡測(cè)試時(shí),有無(wú)開(kāi)啟陷波器比較。
圖12、不平衡測(cè)試(關(guān)閉陷波器)
圖13、不平衡測(cè)試(開(kāi)啟陷波器)
由上圖可知,不平衡測(cè)試時(shí)開(kāi)啟陷波器,陷波器會(huì)將大多數(shù)的 50/60 Hz 測(cè)試訊號(hào)濾除,因此導(dǎo)聯(lián)波形幅度變得很小,不能反應(yīng)差動(dòng)放大器的 CMRR 值,也因此無(wú)法測(cè)得差動(dòng)放大器真正的 CMRR 值。
不同的心電圖機(jī),因?yàn)槭褂玫慕M件和線路的設(shè)計(jì)不同,CMRR 的測(cè)試結(jié)果也會(huì)不同。在公式 (1) 中、CMRR 值主要是由心電圖機(jī)的心電圖上測(cè)量各導(dǎo)聯(lián)波形的振幅 Vout 和 CMRR 測(cè)試儀器的輸出訊號(hào)振幅 Vin 兩個(gè)主要參數(shù)的比值再取 20Log 計(jì)算出來(lái)的,其中 Vin 值在標(biāo)準(zhǔn)中已有規(guī)定,因此 CMRR 值的決定主要在待測(cè)心電設(shè)備的硬件設(shè)計(jì),因此若是測(cè)試結(jié)果 CMRR 值不符合標(biāo)準(zhǔn)所需,就必須重新檢視心電設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)。以下為使用相同 CMRR 測(cè)試儀器(鯨揚(yáng)科技的 CMRR 3.0+)及測(cè)試環(huán)境設(shè)置下,不同心電圖機(jī)的測(cè)試結(jié)果。
平衡測(cè)試 |
心電圖機(jī) A | |
心電圖機(jī) B | |
不平衡測(cè)試(RA 加阻抗) |
心電圖機(jī) A | |
心電圖機(jī) B | |
由上面的兩臺(tái)心電圖機(jī)測(cè)試的結(jié)果可以看出,雖然使用的是相同的測(cè)試儀器及測(cè)試環(huán)境設(shè)置,因待測(cè)心電圖不同,其導(dǎo)聯(lián)波形幅值 Vout 也會(huì)不同,計(jì)算后的 CMRR 值自然也會(huì)不同。
有些心電圖機(jī)制造商會(huì)要求其制造的心電圖機(jī)有更高于標(biāo)準(zhǔn)的 CMRR 規(guī)格(譬如 140 dB),如此在一些市電干擾嚴(yán)重的環(huán)境中,仍可以正確無(wú)誤的測(cè)量心電圖。要達(dá)成這個(gè)目標(biāo),除了要能精確的測(cè)量心電圖顯示的最小電壓(Vout)外,可能還需要將 CMRR 測(cè)試儀器的測(cè)試電壓(Vin)提高,才能測(cè)到更高的 CMRR 值。
以圖5 為例,測(cè)到的 Vout = 0.01 mV (0.2 mm),假設(shè)這臺(tái)心電圖機(jī)最小可以測(cè)量導(dǎo)聯(lián)波幅就是到 0.2 mm,也就是 0.01 mV(20 mm/mV 增益的設(shè)置下),針對(duì) Vc = 10 Vrms 的心電標(biāo)準(zhǔn)要求,只能測(cè)到 -129 dB 的 CMRR 值,因此若要測(cè)到更高的 CMRR 值,勢(shì)必要增加 CMRR 測(cè)試儀器的輸出電壓 Vs。
圖14 是將 CMRR3.0+ 的 Vs 設(shè)置到 70.71 Vrms (200 Vp-p),則 Vc = Vs/2 = 35.35 Vrms (100 Vp-p),此時(shí)測(cè)量到的導(dǎo)聯(lián) I 的幅值仍是 0.2 mm,因此 CMRR 值就可以測(cè)到 140 dB,計(jì)算如下:
20*log?((0.01 mVp-v)/(35.35 Vrms))?20*log?((1*〖10〗^(-5) Vp-v)/(100 Vp-v))?-140 dB
圖14、平衡測(cè)試(Vs = 70.71 Vrms)
CMRR3.0+ 測(cè)試儀器有這樣超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)所需電壓的輸出功能,可協(xié)助心電圖機(jī)制造商測(cè)試更高于標(biāo)準(zhǔn) CMRR 規(guī)格的心電圖機(jī)。
結(jié)語(yǔ)
心電圖設(shè)備中 CMRR 的規(guī)格是抑制 50/60 Hz 市電訊號(hào)干擾很重要的一項(xiàng)功能,而 50/60 Hz 干擾或大或小無(wú)處不在,因此能夠確保顯示正確的心電圖波形,足夠的 CMRR 值實(shí)是一個(gè)重要因素。至于要如何正確地測(cè)量心電圖機(jī)的 CMRR 值,則又是另一項(xiàng)要注意的事項(xiàng)。
心電圖標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的說(shuō)明測(cè)試線路和步驟,因此依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的需求設(shè)計(jì)一臺(tái)測(cè)試儀器來(lái)測(cè)試心電圖機(jī)的 CMRR 值是必需的。但由于標(biāo)準(zhǔn)線路中的高電壓電源(20 Vrms = 58 Vp-v),低電源輸出容抗(200 pF),內(nèi)外屏蔽的要求,每個(gè)項(xiàng)目都考驗(yàn)著測(cè)試儀器的制造難度。CMRR3.0+ 就是逐一克服這些挑戰(zhàn),完成可以符合各類心電和腦電設(shè)備 CMRR 測(cè)試的要求。另外,如前一節(jié)所述,在心電圖機(jī)最小可以測(cè)量導(dǎo)聯(lián)波幅到 0.2 mm,也就是 0.01 mV 的條件下,可測(cè)到 -140 dB 的 CMRR 值。
參考數(shù)據(jù)
1. IEC 醫(yī)療專用標(biāo)準(zhǔn) IEC60601-2-25:2011、IEC60601-2-27:2011、IEC60601-2-47:2012、IEC60601-2-26:2012。
2. 中國(guó)心電標(biāo)準(zhǔn) YY0782-2010、YY1079-2008、YY0885-2013、YY1139-2013。