心电图设计如何进行共模抑制测量

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。

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