新型心電信號(hào)干擾抑制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉智敏 許新建

心電圖機(jī)可以記錄患者心臟興奮的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和恢復(fù)過程中的生物電位變化，并將微弱的心電信號(hào)加以放大和記錄，是心臟病診斷中不可或缺的重要儀器[1]。由于心電圖機(jī)采集的心電信號(hào)具有微弱性、不穩(wěn)定性、低頻特性等特點(diǎn)，所以其靈敏度很高，極易受到外來電信號(hào)的感應(yīng)而產(chǎn)生干擾。因此心電圖機(jī)本身都具有比較精密的濾波系統(tǒng)，用于防止各種干擾信號(hào)。但是在使用過程中，心電圖機(jī)的使用環(huán)境一直在變化，其同電網(wǎng)上不同醫(yī)療設(shè)備的變化，容易造成心電圖機(jī)的干擾；或是心電圖機(jī)周圍設(shè)備的變化，包括微波治療儀、中頻治療儀、高頻電刀等設(shè)備，容易造成心電圖機(jī)的波形失真；隨著心電圖機(jī)內(nèi)部電路和導(dǎo)聯(lián)線的老化，其內(nèi)部電子元器件也會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)[2]?；诖?，本研究設(shè)計(jì)一種新型心電信號(hào)干擾抑制系統(tǒng)，連接于心電圖機(jī)的電源接口處，通過各部分濾波電路對(duì)心電圖機(jī)產(chǎn)生的各種頻率的雜波進(jìn)行抑制，使心電圖機(jī)在使用過程中心電波形不受各種干擾，心電系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定[3]。

1 新型心電信號(hào)干擾抑制系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線

1.1 心電干擾信號(hào)特征

醫(yī)務(wù)人員采用心電信號(hào)的形態(tài)、波幅大小以及各波之間的相對(duì)時(shí)間關(guān)系來鑒別診斷各種心臟疾病，因此，心電圖的精確度對(duì)于心臟疾病的鑒別診斷至關(guān)重要[4]。

心電信號(hào)電壓幅值通常為0.05～5 mV，在測(cè)量中如此微弱的信號(hào)很難進(jìn)行直接觀察或記錄，且在測(cè)試過程中，人體心電信號(hào)處于動(dòng)態(tài)變化之中。由于人體是一個(gè)與外界有密切關(guān)系的開發(fā)系統(tǒng)，內(nèi)部存在著器官間的相互影響，這些情況都會(huì)使人體心電信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的變化。因此，心電信號(hào)在測(cè)量過程中除了要受到來自心電圖機(jī)的干擾，還不可避免的受到使用環(huán)境的干擾[5]。心電信號(hào)干擾的形式為：①來自電極噪聲的干擾；②來自無線電波及高頻設(shè)備的干擾；③來自被測(cè)生理變量以外的人體電現(xiàn)象(如肌電信號(hào))所引起的噪聲干擾；④來自電子器件的噪聲干擾；⑤來自帶電衣服的靜音噪聲干擾以及來自50 Hz交流干擾等。

在心電干擾抑制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主要分為50 Hz的泄漏電路和交流干擾電路、35 Hz的肌電干擾電路、交流磁場(chǎng)干擾電路和阻抗耦合干擾電路4部分濾波電路[6]。

1.2 心電信號(hào)干擾抑制電路設(shè)計(jì)

1.2.1 50 Hz交流干擾信號(hào)抑制電路設(shè)計(jì)

根據(jù)市電上和心電圖機(jī)上的50 Hz交流干擾信號(hào)，系統(tǒng)采用雙T有源濾波器，該電路頻率的計(jì)算為公式1：

式中f為電路頻率，R為電阻阻值，C電容容量。

當(dāng)干擾信號(hào)的頻率f＞f0時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)的C1、C2阻抗很低，信號(hào)可經(jīng)過兩個(gè)電容直接傳送到運(yùn)放的同相輸入端，當(dāng)干擾信號(hào)的頻率f＜f0時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)的C1、C2阻抗很高，信號(hào)可經(jīng)過兩個(gè)串聯(lián)的電阻R1、R2直接傳輸?shù)竭\(yùn)放的同相端，只有當(dāng)干擾信號(hào)的頻率f=f0時(shí)，信號(hào)分別經(jīng)過兩個(gè)通道傳輸，從高通濾波器(C1、C2和R/2構(gòu)成)輸出的電壓比輸入電壓超前一個(gè)略＜π/2的相位，從低通濾波器通道(R1、R2和2C構(gòu)成)輸出電壓比輸入電壓落后一個(gè)略＜π/2的相位。兩路傳輸?shù)酵噍斎攵说碾妷赫么笮∠嗟?、相位相反且相互抵消，因此放大器輸出電壓近似為零[7]。50 Hz交流干擾信號(hào)抑制電路如圖1所示。

圖1 50 Hz交流干擾信號(hào)抑制電路圖

圖1 的電路圖顯示，R4、R5以及運(yùn)放組成抑制電路的正反饋，具有增強(qiáng)信號(hào)作用，反饋系數(shù)為F=R5/(R5+R4)，抑制電路的品質(zhì)因數(shù)Q決定濾波器的選擇性，高Q對(duì)應(yīng)較窄的阻帶，而低Q對(duì)應(yīng)較寬的阻帶。根據(jù)該電路抑制50 Hz干擾信號(hào)，需要越高的Q，則Q值的計(jì)算為公式2：

阻帶的計(jì)算為公式3[8]：

根據(jù)公式可知需要抑制50 Hz的干擾信號(hào)，必須選擇相對(duì)應(yīng)的電容和電阻。根據(jù)公式(1)，選擇電阻為10 kΩ，電容為0.33微法，這樣就可以抑制50 Hz的干擾信號(hào)。

1.2.2 35 Hz肌電干擾信號(hào)陷波電路設(shè)計(jì)

35 Hz肌電干擾信號(hào)陷波電路是將肌電信號(hào)在35 Hz迅速衰減信號(hào)，以達(dá)到阻礙此頻率信號(hào)通過的濾波效果。陷波濾波電路屬于帶阻濾波電路的一種，但是其帶阻非常狹窄，階數(shù)必須是二階以上[9]。35 Hz干擾信號(hào)陷波電路如圖2所示。

圖2 35 Hz干擾信號(hào)陷波電路圖

圖2 顯示，為實(shí)現(xiàn)抑制35 Hz肌電干擾信號(hào)，根據(jù)公式(1)，設(shè)定C4=C5=0.22微法，R6=R7=R8=R9=21.4 KΩ，通過高精度組件電阻和電容，可以實(shí)現(xiàn)中心頻率的調(diào)諧，該電路的組件輕度不匹配時(shí)，僅影響中心頻率，而不會(huì)影響諧波深度；該電路還通過R11調(diào)節(jié)陷波電路的Q值，且不會(huì)影響中心頻率，進(jìn)一步修正濾波效果[10]。

1.2.3 高頻干擾信號(hào)抑制電路設(shè)計(jì)

高頻干擾信號(hào)是指患者附近存在的電流電路與患者回路之間通過電磁耦合產(chǎn)生的干擾信號(hào)。如微波治療儀、高頻治療儀、高頻電刀、照明設(shè)備等產(chǎn)生的干擾磁場(chǎng)穿過輸入信號(hào)時(shí)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)并與心電信號(hào)疊加，造成高頻信號(hào)干擾[11]。

心電信號(hào)為低頻信號(hào)，所以高頻干擾信號(hào)抑制電路采用低通濾波器，低頻信號(hào)可以通過高頻信號(hào)抑制的電路。該低通濾波器采用二階低通濾波器，如圖3所示。

圖3顯示，該高頻信號(hào)抑制電路R13、R14、C6及C7設(shè)定中心頻率，其計(jì)算為公式4：

圖3 高頻干擾信號(hào)抑制電路圖

當(dāng)高頻信號(hào)高于截止頻率時(shí)，信號(hào)被抑制。心電圖機(jī)采集的信號(hào)為0～100 Hz，因此該電路設(shè)置的截止頻率為100 Hz，當(dāng)干擾信號(hào)頻率＞100 Hz時(shí)，其都被抑制，進(jìn)而確保心電信號(hào)不受高頻信號(hào)干擾[12]。

2 新型心電信號(hào)干擾抑制系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)測(cè)試

為了進(jìn)一步提高心電信號(hào)干擾抑制系統(tǒng)的濾波效果，50 Hz干擾信號(hào)抑制電路、35 Hz干擾信號(hào)抑制電路和高頻信號(hào)干擾電路相互獨(dú)立，在運(yùn)行過程中相互不影響。本系統(tǒng)以外接的形式接在心電圖機(jī)的心電導(dǎo)聯(lián)的接口處，心電電纜線在系統(tǒng)的輸入信號(hào)接口處，三種抑制電路均配備運(yùn)行開關(guān)，醫(yī)務(wù)人員可根據(jù)輸出心電波形的干擾情況，選擇相應(yīng)的抑制電路，進(jìn)而更加精確的濾除干擾信號(hào)[13]。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用

(1)在應(yīng)用50 Hz干擾信號(hào)抑制電路時(shí)，因?yàn)?0 Hz干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因很多且比較復(fù)雜，主要包括交流磁場(chǎng)干擾、泄漏電流干擾、阻抗耦合干擾、靜電干擾以及心電圖機(jī)內(nèi)部的50 Hz干擾等[13]。在開啟50 Hz干擾信號(hào)抑制電路的同時(shí)，需做到以下步驟：①使心電圖機(jī)接地良好，一般接地電阻要＜4 Ω；②用高絕緣強(qiáng)度的合成樹脂板放置檢查床下，避免泄漏電路進(jìn)入患者體內(nèi)；③用細(xì)砂紙去除患者皮膚表面角質(zhì)層，并在患者的檢查部位涂上導(dǎo)電膏，以降低皮膚和心電電極之間的阻抗不平衡程度；④及時(shí)檢修心電圖機(jī)內(nèi)部老化的電子元器件。

(2)在應(yīng)用35 Hz干擾信號(hào)抑制電路時(shí)，主要去除35 Hz肌電干擾信號(hào)。35 Hz肌電干擾信號(hào)產(chǎn)生的主要原因有患者精神過于緊張、環(huán)境溫度過低、患者發(fā)冷寒顫、心電圖機(jī)電極夾過緊等，在開啟35 Hz干擾信號(hào)抑制電路的同時(shí)，需做到以下步驟[14]：①確保患者全身放松，避免用力活動(dòng)，使患者全身肌肉自由放松；②心電導(dǎo)聯(lián)線的電極夾松緊要適合；③嚴(yán)格控制檢查場(chǎng)所的溫濕度。

(3)心電圖機(jī)的高頻信號(hào)干擾不僅有電網(wǎng)的高頻信號(hào)，也有心電圖機(jī)運(yùn)行環(huán)境中其他設(shè)備的影響，在預(yù)防此干擾信號(hào)時(shí)，一方面開啟高頻信號(hào)抑制電路；另一方面應(yīng)盡量保證心電圖機(jī)的運(yùn)行環(huán)境中無其他設(shè)備的干擾。

3 結(jié)語

心電圖機(jī)在采集心電信號(hào)過程中需要通過心電導(dǎo)聯(lián)線采集信號(hào)，中央處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換等過程中不可避免的受到各種干擾信號(hào)，主要包括工頻干擾信號(hào)、肌電干擾、高頻信號(hào)等。本研究設(shè)計(jì)的一種新型心電干擾抑制系統(tǒng)，主要可以抑制50 Hz干擾信號(hào)、35 Hz肌電干擾信號(hào)以及100 Hz以上的高頻干擾信號(hào)，可以大幅度減少干擾信號(hào)，進(jìn)一步提高采集心電信號(hào)的準(zhǔn)確性，更加精確的為患者臨床治療提供心電數(shù)據(jù)，對(duì)于提高醫(yī)療質(zhì)量、方便患者治療具有較大的意義[15]。

心電信號(hào)采集時(shí)常處在一個(gè)動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，又因?yàn)槠湫盘?hào)的微弱，需通過多級(jí)放大，在此情況下所受到的干擾信號(hào)較為復(fù)雜，且種類較多。因此，新型心電干擾抑制系統(tǒng)只能抑制大部分的干擾信號(hào)，其他的干擾信號(hào)需增加相應(yīng)的抑制電路方能提高心電圖機(jī)的抗干擾能力，對(duì)此有待于該系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)[16]。