一種新型的抗電刀干擾心電采集模塊

摘要： 本文提出了一種抗電刀干擾的高集成度心電采集模塊的實(shí)現(xiàn)方法。該模塊已作為心電OEM模塊應(yīng)用于多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀中。

關(guān)鍵詞： 電刀；直流放大；S-D型ADC；IAP

引言

隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和儀器技術(shù)的快速發(fā)展，先進(jìn)的醫(yī)療儀器設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。如在手術(shù)室中，醫(yī)生用高頻電刀對(duì)病人進(jìn)行組織切割和凝血，而同時(shí)還通過(guò)多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人的病情和發(fā)展趨勢(shì)，以便根據(jù)情況及時(shí)進(jìn)行有效的處理。電刀使用時(shí)，其所產(chǎn)生電氣干擾會(huì)通過(guò)身體的傳導(dǎo)和輻射等多種途徑進(jìn)入心電采集模塊，使心電波形的數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，心率計(jì)算發(fā)生錯(cuò)誤，嚴(yán)重影響監(jiān)護(hù)儀的心電監(jiān)測(cè)性能。現(xiàn)代的監(jiān)護(hù)儀的發(fā)展趨向于模塊化、小型化和智能化，本文根據(jù)市場(chǎng)需求提出了一種抗電刀干擾心電采集模塊的實(shí)現(xiàn)方法，與傳統(tǒng)心電采集模塊相比，在性能相當(dāng)?shù)那闆r下，模擬電路大為縮減，功耗降低，體積減小，適應(yīng)了模塊設(shè)計(jì)中小型化、單片化、硬件軟件化的發(fā)展趨勢(shì)，具有很高的性價(jià)比。

心電采集模塊采用ADI公司的微控制芯片ADmC847作為核心，它具有8通道高精度的24位S-D型ADC，整合了片內(nèi)參考電平、電源管理、與2通道12位高精度DAC，支持ISP在線調(diào)試，外接32kHz晶振，通過(guò)鎖相環(huán)可工作在12MHz下。片內(nèi)還集成有62k字節(jié)的FLASH與8k字節(jié)的SRAM，片上外設(shè)資源包含有UART、SPI、雙I2C串行接口、3個(gè)定時(shí)器、看門(mén)狗和PWM等。心電采集模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。心電信號(hào)的檢測(cè)利用微控制芯片內(nèi)集成的ADC進(jìn)行的；液晶接口可以外接液晶模塊來(lái)進(jìn)行獨(dú)立使用時(shí)的心電波形顯示；RS-232接口作為數(shù)據(jù)和程序傳輸接口，可以進(jìn)行IAP和采樣數(shù)據(jù)上傳。
　　
模擬電路設(shè)計(jì)

模擬電路是模塊中直接與人體連接的電路，主要負(fù)責(zé)原始信號(hào)的調(diào)理。對(duì)于本文提出的心電模塊，其主要的要求是在處理過(guò)程中對(duì)電刀產(chǎn)生的干擾有足夠的抑制作用而同時(shí)保證心電信號(hào)不失真。心電模擬電路中常用的用來(lái)防止靜電、電除顫對(duì)器件損壞的保護(hù)電路，由于其設(shè)計(jì)方法比較成熟，本文并未涉及。

無(wú)源線性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

電刀相當(dāng)于一個(gè)變頻變壓器，它的輸出電壓極高，并通過(guò)高電流密度使細(xì)胞氣化或干化以達(dá)到切割或凝血的目的。如美國(guó)Valleylab的Force FX型高頻電刀，當(dāng)工作在單極凝血的噴射式凝血模式時(shí)，輸出的峰值電壓可高達(dá)9000V。為了抑制電刀的高壓高頻干擾，模塊模擬部分的最前端為一個(gè)無(wú)源線性網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的電路圖如圖2所示。電刀產(chǎn)生的干擾主要以傳導(dǎo)的方式進(jìn)入心電采集模塊，共模干擾和差模干擾同時(shí)存在。網(wǎng)絡(luò)為對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，兩路人體心電信號(hào)V11、V12分別輸入到對(duì)稱的兩個(gè)輸入端，大時(shí)間常數(shù)的阻容組合R3、C1、R4、C2用來(lái)衰減電刀產(chǎn)生的差模干擾，而R1、R2、C0則用來(lái)對(duì)共模干擾進(jìn)行抑制。由于電路工作環(huán)境的特殊性，器件選取時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)的輸入阻抗、阻容的極限參數(shù)和衰減特性。在不使用電刀時(shí)，由于心電信號(hào)在濾波器的通帶范圍內(nèi)，心電信號(hào)幾乎無(wú)衰減的進(jìn)入并聯(lián)差動(dòng)放大器，而在電刀開(kāi)啟后，由于其工作頻率遠(yuǎn)高于濾波器的截止頻率，因而可以把它衰減到不足以影響后續(xù)電路的正常工作。濾波電路均采用無(wú)源線性元件電容和電阻，避免了非線性失真的引入。同時(shí)，無(wú)源線性網(wǎng)絡(luò)還采用了共模驅(qū)動(dòng)技術(shù)，通過(guò)電阻R1、R2提取共模信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)后級(jí)及右腿驅(qū)動(dòng)電路，防止由于阻容元件的不匹配造成共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，以提高共模抑制比。用仿真軟件multisim2001對(duì)電路進(jìn)行幅頻分析可見(jiàn)其良好的低通特性，在500kHz可以達(dá)到-80dB衰減。

放大電路

心電測(cè)量中，電極與人體皮膚表面接觸形成的半電池會(huì)產(chǎn)生極化電壓，它緩慢變化，表現(xiàn)為很低頻的噪聲信號(hào)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定極化電壓最大為300mV，遠(yuǎn)大于心電信號(hào)。傳統(tǒng)的心電采集模塊設(shè)計(jì)中，由于采用的往往是精度比較低的逐次逼近型ADC，為避免放大器的飽和，采用了前置多級(jí)放大，并在中間加入了時(shí)間常數(shù)電路去除極化電壓，繼而對(duì)信號(hào)進(jìn)行交流放大。由于放大器的輸入端存在寄生二極管或保護(hù)二極管，當(dāng)電壓發(fā)生突變時(shí)，電容兩端的電壓不能發(fā)生突變，電流就會(huì)通過(guò)二極管和電阻對(duì)電容充電。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中要求時(shí)間常數(shù)電路的時(shí)間常數(shù)不小于3.2s，所以當(dāng)放大器的輸入端受到瞬間大脈沖的干擾(如電刀的啟停)或?qū)?lián)切換時(shí)，很容易會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，這使得放大器需要很長(zhǎng)時(shí)間才能使基線恢復(fù)到正常位置。另一方面，心電信號(hào)取自兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)聯(lián)，如果以雙端模式輸入到ADC，則理論上其共模增益為0，即共模抑制比為無(wú)窮大。而采用了傳統(tǒng)的前置放大電路后，由于將雙端信號(hào)轉(zhuǎn)換成了單端信號(hào)，電路的共模抑制比下降了，而且還受到后級(jí)儀用放大器性能的制約。上述傳統(tǒng)電路的缺陷在本模塊中均得到了克服。

本文中的心電模塊利用了ADmC847中集成S-D型ADC，它具有24位的高分辨率、108Ω的輸入阻抗及差動(dòng)輸入模式，通道前端含有PGA(程控增益放大器)，可以通過(guò)編程設(shè)置合適的輸入范圍。由于具有了足夠的分辨率，同時(shí)PGA可以保證信號(hào)占有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，所以原始信號(hào)基本不需要放大，或僅需要進(jìn)行低倍的直流放大，即無(wú)需加入時(shí)間常數(shù)電路，這樣就避免了放大器的堵塞。據(jù)此，本模塊中放大電路只包含了一個(gè)有兩個(gè)運(yùn)放組成的并聯(lián)差動(dòng)放大電路，結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，電路原理如圖3所示。無(wú)源線性網(wǎng)絡(luò)的輸出接至放大電路的輸入端，經(jīng)過(guò)低倍放大后以差分模式輸入到ADC中。在高分辨率的24位采樣結(jié)果中，通過(guò)軟件去除高位中極化電壓的影響，提取低位有效位的心電信號(hào)，恢復(fù)心電波形。這樣與傳統(tǒng)心電采集模塊相比，雖然增加了一部分的軟件處理量，但是以現(xiàn)有高性能的MCU處理速度來(lái)看，還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到其處理極限。而與此同時(shí)，模擬電路部分的縮減，卻帶來(lái)模塊體積和功耗的降低和穩(wěn)定性的提高。

右腿驅(qū)動(dòng)電路

工頻(50Hz)干擾是心電測(cè)量中最重要的干擾。僅靠前置放大器的高共模抑制比還不足以抑制工頻干擾，右腿驅(qū)動(dòng)電路也是抑制工頻干擾的有效方法。本模塊采用人體共模電平信號(hào)(COM)與ADmC847 集成的DAC的輸出信號(hào)通過(guò)運(yùn)算放大器做差動(dòng)放大，把放大后信號(hào)作為右腿驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該方法不僅可以抑制50Hz工頻干擾，還可根據(jù)ADmC847檢測(cè)到的心電信號(hào)適當(dāng)調(diào)整人體電平，便于ADC采樣。電路中同樣加入了阻容濾波器，防止電刀的高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)右腿驅(qū)動(dòng)電路竄入放大器。右腿驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。
    
數(shù)字電路設(shè)計(jì)

ADmC847不僅具有豐富的數(shù)字資源可提供高達(dá)12M的運(yùn)算速度，還具有良好的模擬接口，其高集成度極大的簡(jiǎn)化了心電模塊的設(shè)計(jì)工作，為心電信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和后續(xù)處理提供了保障。本設(shè)計(jì)中心電信號(hào)經(jīng)過(guò)主ADC輸入通道采集，采用全差分輸入，雙極性配置，輸入緩沖使能且范圍為