共模抑制：它与ECG子系统的关系以及用于提供卓越性能的技术

本文中描述的用于优化ECG子系统中共模抑制的技术已被证明具有出色的诊断性能，同时将患者和操作员的安全要求放在首位。

根据ECG子系统的应用，在某些情况下，CMR（共模抑制）必须非常高。AAMI（医疗仪器促进协会）规定了必须满足的典型电极阻抗不平衡和偏移的测试方法。其他标准，如IEC，UL和来自不同国家的医疗指令，也有各种共模排斥测试。

本文介绍了人体阻抗不匹配、电极和电缆设计、保护电路、右腿驱动的使用以及影响共模抑制的其他考虑因素，并提出了增强ECG子系统中CMR的各种方法。

共模抑制、安全和 RFI

必须进行多种设计权衡，以优化ECG系统中的共模抑制。

评估这些权衡从安全性开始。大多数标准表明，从直流到10.1 kHz的00 μA rms是ECG系统“正常状态”操作的上限。对于“单故障条件”，一些标准允许增加到50 μA rms，但低至35 μA rms的电流可能会损害心肌。对于“单故障条件”，建议使用 10 uA rms。（请参阅参考文献 1。

交流电源漏电流必须限制在此最大水平。各种标准测量电极之间的源电流和灌电流，电极绑在一起，以及电极相对于接地的交流电源通电。

由于标准和特定国家/地区的指令会随着时间的推移而变化，因此鼓励设计人员保持最新版本，以确保持续符合安全标准，包括允许的最大拉电流和灌电流，作为频率的函数，用于确保合规性。

此外，必须保护ECG子系统免受除颤器脉冲（双相或单极性）的影响，因此在仪表放大器（仪表放大器）之间增加了限流电路以保护电路。还需要ESD（静电放电）保护电路。

基本性能

除了安全要求外，ECG子系统还必须能够在电外科手术和其他恶劣环境中提供IEC 60601-1-1及其衍生产品所描述的“基本性能”，其中附近的RFI（射频推理）可能很高。这将包括飞机、雷达、火车和轮船等环境。

共模信号源

共模电压的来源通常是 50 Hz 或 60 Hz 的交流电源频率，线路电压高达 264 VAC rms。非典型环境，例如运行频率为 16.666 Hz 的欧洲列车，也可能是共模输入的来源。

人体共模模型和ECG子系统的其他电路路径

在图2中，共模信号通过“人体躯干”耦合，从皮肤表面通过电解质、电极到ECG电极线，通过除颤器保护电路、RFI输入滤波，并通过隔离接地和接地之间的电容将仪表放大器接地。图1显示了ECG电极及其与皮肤表面界面的阻抗模型。交流电源也可以通过ECG电缆耦合到ECG“前端”，输入保护电路免受外部瞬变（如除颤器脉冲）的影响，并通过隔离电源直接耦合。仪表放大器输入端的电位RFI整流也会产生仪表放大器共模抑制问题。

图1.人体组织→电解质→电极模型。

图2.心电图子系统框图。

共模至差模转换

交流和ECG信号都通过电极测量到ECG前置放大器子系统中，因此确保共模信号不会转换为“差模”非常重要。ECG电极阻抗不匹配、电缆电容以及与除颤器保护相关的保护电路（通常采用电阻和SCR/氩气限压器的形式）的组合使得共模到差分转换的可能性更大。

组织/电极问题

“角质层”是皮肤的最外层，对电极本身具有皮肤成分的最高阻抗成分，并且在低频下变化很大，并且随着频率的变化而变化。阻抗是电极材料、尺寸、粘合剂、使用的电解质以及皮肤本身的外层/状况的函数。为了确保电极界面的最低阻抗和更高的稳定性，一些皮肤制备技术在放置电极之前使用“砂纸”作为“皮肤准备”。Ag/AgCl电极的各种成分提供了其他常用材料的最低阻抗和偏移。在一定频率范围内，电极之间的阻抗差可高达50，000 Ω。减少这种失配有助于减少共模到差分的转换。（请参阅参考文献 2。

心电图电缆

一些ECG电缆嵌入了保护电阻，用于电路的除颤器保护，其范围从2.5 kΩ到高达49.9 kΩ的电极。如果电阻不在电缆中，则通常在PCB布局上。这些电阻的匹配很重要，因为它与RFI滤波器接口。用于最小化电缆阻抗不匹配影响的一种技术是电缆屏蔽的有源驱动。

射频过滤器

用于防止RFI进入仪表放大器输入级的典型X2Y RFI滤波器必须匹配差分和共模阻抗。集成的2XY RFI滤波器具有优于标准表面贴装电容器的规格，并且该结构使其具有卓越的性能。（请参阅参考文献 6。

用于降低输入共模信号的技术

RLD

正如Winter，Wilson，Spinelli，et.al.所描述的右腿驱动（参见参考文献4和5）是一种降低仪表放大器差分输入端出现的共模信号输入电平的技术。共模降低的改善受到可提供给患者的RLD电流量的限制。应考虑使用Spinelli描述的RLD跨阻放大器。

法拉第盾

法拉第屏蔽通常用于覆盖ECG前端，并保护其免受环境RFI和交流电源耦合的影响，如图2所示。法拉第屏蔽有助于减少交流电源耦合到信号链上其他各种入口点，然后再进入仪表放大器输入，例如Ce1和Ce2。

仪表放大器

仪表放大器的电源电压必须足够高，以适应差分和共模输入电压范围，通常为±1.0 V。在某些应用中，需要更高的差分输入电平：±2.0 V。仪表放大器必须具有1 nA或更低（最好为100 pA）的偏置电流、极低噪声电流、极低噪声电压以及通过最高交流电源频率的第五次谐波实现的高共模抑制。关注的典型频率：16.666 Hz、50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz 和 180 Hz。

第一级仪表放大器通常设置为5至10之间的差分直流增益。如果输入仪表放大器能够为信号的交流部分而不是直流部分提供增益，则更高的增益是可行的。权衡因素包括噪声性能、动态输入范围和电源电压。

DSP降低共模信号

在实施“硬件”抑制后，可以在数字域中处理残余共模信号。使用的一些技术包括FIR陷波滤波器、自适应滤波器和共模信号本身的“数字减法”。设计人员必须小心确保ECG信号的“诊断完整性”不会因使用这些不同的技术而受到损害，以确保临床医生的“鉴别诊断”不会受到某些潜在技术的不利影响。有时禁止使用陷波滤波器，因为它会影响目标信号的相位/幅度失真。必须保持符合“诊断带宽”心电图系统的标准。

总结

用于高共模抑制的ECG子系统的设计要求设计人员将患者和操作员的安全要求放在首位。一些增强共模抑制的技术实际上可能会增加漏电流，因此必须避免。随着时间的推移，这里提到的技术已被证明具有出色的诊断性能。

审核编辑：郭婷