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心电图(ECG)设计的六大挑战及应对策略(二)——如何进行共模抑制测量

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最後回覆由ADIForum於2014-8-25提供

心电图(ECG)是一种常见的医疗记录,在许多恶劣的环境中,它也必须清晰可读并保持精确。随着ECG子系统越来越多地投入医院外应用,制造商面临着持续的降低系统成本并缩短开发时间,同时保持或提高性能水平的压力,这就给ECG设计工程师提出了相当严苛的要求:实现一种安全有效、 能够应对目标使用环境挑战的ECG子系统。

 

 

我们将分六个部分来谈将遇到的设计挑战,以及应对之道。上周我们谈到的主题是“如何达到最高安全标准,确保ECG子系统安全有效”(http://ezchina.analog.com/message/18040#18040),本周主题——共模和差模环境信号及射频干扰(RFI)

 

ECG测量心脏的电气系统产生的电压。与此同时,ECG子  系统必须抑制环境电信号,如交流电源、安全系统和射频  干扰(RFI)等,以便放大和显示ECG信号。共模电压不提供  有关心脏的任何有用信息,实际上还可能影响测量精度。  ECG系统必须能够在响应目标信号——差模ECG电压的同  时,抑制共模干扰。在有小差分信号的情况下抑制大共模  信号的能力,就是系统的共模抑制(CMR)性能。 

 

共模抑制可以通过多种方式来测量,本文讨论两种方法。  第一种方法是将所有ECG电极连在一起,然后相对于ECG  模拟前端基准电压驱动这些电极。对于单电源供电,该基  准电压可以是RLD电极驱动的一个虚拟电压,它等于单极  性电源电压与隔离地电压的中间值。这种情况下,共模抑  制等于输出电平与输入电平的比值(20×log (VOUT/VIN)),VIN  为施加的共模电压,VOUT为特定目标导联上的电压。要查  看导联II的共模抑制,须相对于右腿驱动引脚将电压施加  于所有电极输入端(如果这代表了ADC或RLD基准电压的中  间值),并且将设备设置为显示导联II。导联II显示的电压  为VOUT,施加的电压为VIN。 

 

另一种测量共模抑制的方法是将所有电极连在一起,相对  于大地驱动这些电极。同样,共模抑制的定义是20×log   (VOUT/VIN),其中,VIN为共模驱动信号,VOUT为特定目标  导联得到的信号。 

 

这部分子系统设计和器件选择要求模拟人体对象、交流电  源的环境耦合、进入和经过病人的输入RFI,以及它对ECG  放大器共模信号抑制性能的影响。输入RFI可以通过多种  方法消除,包括差模和共模滤波、环境屏蔽以及算法。

 

图2显示一个传统的高频低通滤波器网络,它易受C1A、  C1B和C2值之差的影响。图3显示一个集成X2Y电容实现方  案,由于X2Y结构和设计的特性,其性能更高。

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专用ECG设计师应当模拟潜在的环境,从而不仅确定交流  电源共模信号,而且确定在ECG电极连接到病人时可能到达ECG电极的其他共模和差模信号。为保护除颤器,多数  ECG电缆都嵌入有保护电阻。这种影响,加之电缆电容的  差异和前端EMI滤波,可能导致共模信号变得不平衡,引  起相移和共模向差模转换。 

 

一种称为右腿驱动(RLD)的技术可以降低多导联配置的  CMR要求。即使在2导联系统中,也可以利用RLD来降低  放大器上相对于大地的共模电压,方法是将电流驱回到电  极,该电流信号与输入共模信号呈180度反相。由于电极  阻抗不匹配,电流注入必须予以补偿,调整相对电流和相  位,使有效共模信号最小。 

 

简言之,放大器输入必须具有足够大的共模(CM)和差模  (DM)信号范围,以便适应来自交流电源和其他外部干扰  源,如设备电源开关和射频发射源等的CM/DM输入信号。无论差分放大器输入端的失调电压为0,还是差分输  入电压高达±1 V,共模抑制性能必须同样好。

 

消除电力线干扰的其他办法还有DSP技术,例如消减算法。为帮助设计师,ADI公司提供能够降低大输入共模信  号影响的器件:用于锁定放大器系统的CMR INA放大器、  PLL、转换器和同步调制器/解调器。ADAS1000 ECG AFE通  过高差分输入阻抗和RLD来解决共模抑制问题。

 

消息编辑者为:Forum ADI

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