心电图机检定中的工频干扰及抑制方法

姚文坡，毛靖宁，刘铁兵

心电图机检定中的工频干扰及抑制方法

姚文坡，毛靖宁，刘铁兵

目的：通过对心电图机检定中的工频干扰进行分析，研究其对心电图机的影响及应对措施。方法：根据工频干扰的原理，通过保证电源的稳定性、合理的屏蔽、有效的接地、有效的导线缠绕方式等抑制工频干扰，减小50 Hz工频干扰对心电图机检定的影响。结果：采取上述方法后，工频干扰对心电图机的影响大大减小。结论：抑制工频干扰，可保证心电图机工作的精确度，确保患者诊断的准确性。

心电图机；工频干扰；电磁屏蔽；滤波

0　引言

心电图机是诊断人体心脏活动的重要医疗设备，为确保患者诊断的准确性，需要定期进行强制检定以保证其工作的精确度[1]。工频干扰是心电图机检定中涉及的问题，是对心电图机的检定及使用产生影响的主要因素之一。在心电图机的使用和检定中要采取相应的措施尽量避免工频干扰的影响[2]。

工频干扰的抑制是当前电子仪器使用中必须要考虑的问题，和一般的电子干扰不同，其干扰源为交流电网50 Hz电磁和电场。抑制工频干扰可以通过多种途径[3]，例如在使用中合理安排信号导联线和电源线之间的相对位置、对使用的仪器或电源进行屏蔽，从硬件电路角度看，还可以设计专门的工频干扰抑制电路降低其对仪器正常使用的影响[4]。另外，我们可以利用比较优秀的数字滤波技术，如自适应滤波、小波分析以及独立分量分析[5-7]等对工频干扰加以抑制。本文主要分析在心电图机检定中，如何通过合理的布线和屏蔽降低工频干扰的影响。本文将采用我院相关心电图机和其检定数据工频干扰问题进行详细分析。

1　工频干扰

工频干扰源为50 Hz工频电磁场及其谐波，主要来自相关元器件的漏电流或漏磁场，属于低频干扰，在高频测量中影响并不明显。工频干扰信号的干扰源是220 V、50 Hz的工频电网，如果把仪器的供电方式改为直流蓄电池供电，其引起的工频干扰则会消失。工频干扰和一般噪声不同，噪声的产生基本和电子线路中内部载流子的运动有关，如热运动、跃迁和复合等，而且频率范围较宽，波形无规则并且随机[8]。工频干扰频率单一，即电网的50 Hz，干扰信号波形变化有一定的规律。另外，当电源开启或是导联线和电源线位置发生变化时，变化电流引起的磁场以及变化的磁场可以引起较为明显的工频干扰。

工频干扰对测量结果影响的表现方式不同，例如在音频检测中出现点滴连续的噪声，指针在小范围内抖动，或者数字仪器的读数不稳定等。影响工频干扰的因素很多，当仪器设备线路发生变化或者设备接触某些物体时，干扰信号幅度可能出现较大变化。

2　心电图机检定

2.1心电图机以及检定设备EGC-1C

心电图机按照不同的分类方法可分为多种类型，例如模拟和数字心电图机、单道和多道心电图机等。心电图机结构框图如图1所示[9]。

我院本次待检心电图机有多种类型，包括数字心电图机，如北京福田FX-7202、光电9130P、北极麦邦的1206和1250C，另外还有模拟单道的心电图机，如光电6511等。

图1　心电图机结构框图

本次使用的心电图机检定仪为EGC-1C，是在EGC-1A、EGC-1B及EGC-1B98基础上改进推出的新型智能化的心脑电图机、心电监护仪检定机。EGC-1C可按国家计量检定规程[10]对各类心脑电图机、心电监护仪以及除颤仪进行标准的检定，并可提供超低频信号及模拟心电信号用于其他测试。EGC-1C供电电源为220（1±10%）V、50（1±5%）Hz，平衡衰减器的衰减比为1/1 000，衰减比最大允许误差为±0.3%，可以提供方波、正弦波、三角波和标准的心率信号等。

2.2工频干扰对心电图机检定的影响

根据JJG 543—2008《心电图机检定规程》，心电图机检定的内容主要有内定标电压、电压测量、时间间隔、时标、幅频特性、耐极化电压、噪声和共模抑制比8项检定。

在进行内定标电压检定时，检定仪输出1.000 mV的峰峰值、1.000 s的方波，心电图机灵敏度设定为10 mm/mV，走纸速度为25 mm/s。在有效的工频干扰屏蔽环境中，心电图机输出的方波较为准确，幅度变化较小。长期观察仅有个别波形出现单个幅值的偏离，偏离大小约为1 mm，相当于0.1 mV，但是偏离现象出现的概率较小，通常十几个周期中有1次。当导联线和电源线布置不合理或者接近插排，心电图机输出的方波出现偏差的概率增大，2～3个方波周期中会出现1次偏差，甚至严重情况下单个周期中出现多个偏差或者方波出现连续的小幅抖动。图2中给出了内定标电压检定中理想方波、出现个别偏差以及严重干扰情况下的波形图。

从图2中我们可以发现，出现个别偏差的情况不会影响心电图机的整体波形，因此在有效的屏蔽下，心电图机在临床使用中输出的波形没有过大的失真，不会影响对患者身体状况的诊断。而图2（c）右边出现连续抖动的情况则已经导致波形的失真，在观察患者心电信号时，心电波形较小的幅度变化可能包含患者重要的疾病信息，由此说明工频干扰严重时会导致无法从心电信号判断患者身体状况。

在幅频特性检定中，首先设定检定仪幅度为10 mm，然后进入频率调节状态，改变正弦波输出频率。为了观察心电图机内部在抑制工频干扰的效果，波形频率取从15～100 Hz间隔为5 Hz的18个幅度样点。图3（a）、（b）分别为在心电图机开启和关闭滤波功能时的幅度变化曲线。

从图3可以看出，当检定仪输出信号频率为50 Hz时，无论心电图机是否开启滤波功能，心电图机显示波形的幅度均为0。这说明心电图机内部包含工频干扰抑制模块，可以有效抑制工频干扰对心电图机使用的影响。

图2　内定标电压检定中不同情况下的方波波形图

图3　不同功能下心电图机的幅频特性

心电图机内有抑制工频干扰的电路模块，可以降低工频干扰对心电图机的影响，但是工频干扰分布广泛，在使用中应采取合理的措施将工频干扰的影响降到最低。

3　工频干扰以及抑制方法

在心电图机检定前和检定过程中我们需要检查电源的稳定性、仪器插头导线是否良好，并且将导联线放置在检定仪的屏蔽盒内，使导联线和电源线尽量远离，尽可能地避免工频干扰。因为对于高灵敏度仪器的检定，如心、脑电图机，容易受到电场磁场的干扰，进而影响仪器使用的准确度，严重时导致仪器数据过分偏离准确值。

上述操作可以避免工频干扰的影响，下面详细分析在仪器使用中如何抑制工频干扰。工频干扰形成的基本条件有3个：一是存在干扰源；二是干扰能够进入系统；三是干扰能够转化为和信号相同的测量值。因此，抑制工频干扰需要从其产生的3个基本条件着手，只要破坏3个基本条件之一，便可以消除工频干扰对仪器使用的影响。下面根据工频干扰的相关原理分析使用中抑制工频干扰的措施。

（1）检查电源稳定性。稳定的交流电源对仪器影响较小，如果交流电源不稳定，使用中容易发生电流变化，进而产生交变磁场，形成干扰。在电源不稳定的情况下，我们可以考虑使用性能较好的稳压电源，或是使用电池为心电图机供电。

（2）对仪器或电源进行屏蔽。工频干扰影响仪器正常工作主要是通过电场和磁场进入电路系统。通过对使用中的仪器或者电源部分进行屏蔽可以有效地防止工频干扰通过辐射的方式干扰设备工作。如图4所示，假设电源是带电体，在周围产生电场，电力线起于正电荷，终止于负电荷。当加上金属屏蔽后，可以有效消除带电体产生的电场，但需要将屏蔽接地，否则无法起到屏蔽效果。屏蔽体不接地，电源正电荷（+q）将在屏蔽体内侧感应出等量负电荷（-q），外侧出现等量正电荷（+q），屏蔽体外部仍产生电场，因而无法起到屏蔽作用。

图4　不同条件下的电场分布情况

（3）心电图机和检定仪有效接地。在对仪器或电源进行屏蔽中提到对屏蔽的接地，心电图机和检定仪在使用时均需要合理有效的接地。2种仪器接地点不一致，或是其中一种接地不到位可能导致工频干扰影响检定工作的准确性。

（4）导联线的缠绕方式。导线引入的磁场干扰，干扰磁场经过一定面积的输入回路，感生出感应电动势并与心电图机检定信号叠加形成干扰。采用有效的导线缠绕方式（如减少环路面积）可以有效降低工频干扰对仪器的影响[11]。

（5）地环路干扰。心电图机与检定仪同时使用时，2种仪器有自己的接地点，2个接触点间接地导线上产生电流压降。抵抗地环路干扰的主要措施包括使仪器的输入悬空，并要有较高的对地漏阻抗，导线与其屏蔽线应在信号源处接地，在接地机壳和浮置放大器之间接入保护屏蔽。

在对心电图机和计量设备采用合理的屏蔽、接地和导线缠绕方式后，工频干扰对设备计量检定结果的影响大大减小。在心电图机定标中，方波的整体波形较为平整，极少出现由工频干扰造成的波形抖动和误差。在幅频特性检测中，正弦波也没有出现波形抖动，整体波形走势平稳，其他检测环节中的观测波形也并未出现严重的干扰现象。工频干扰是很多电器设备使用中需要考虑的干扰因素，但是通过合理的电磁屏蔽和相关措施可以有效解决工频干扰造成的影响。

4　结论

工频干扰在心电图机的检定以及其他电子仪器的使用中是必须考虑的问题，会对医疗设备诊断的准确性产生影响。结合本次心电图机的检定，我们发现在仪器的使用中需要了解工频干扰产生的原理以及对检定过程的影响，并采取相应的措施抑制其影响。

为了减小工频干扰对仪器使用的影响，一般的屏蔽手段可以起到一定的作用。例如在本文心电图机的检定中，首先要合理安排电源线和导联线的位置关系，降低干扰源对系统检定的影响，并且将导联线置于检定仪的屏蔽盒中，抑制工频干扰进入检定系统。

[1]陈远鹏.计量检定规程管理标准化及系统研发[D].广州:华南理工大学，2010.

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[11]Yamamoto Y，Nakamura T.International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society.Hong Kong，1998[C]. Piscataway，N.J:IEEE Press，1998.

（收稿：2014-06-04修回：2014-10-16）

Power interference and its restraining in ECG machine testing

YAO Wen-po,MAO Jing-ning,LIU Tie-bing
(Department of Medical Engineering,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 210002,China)

Objective To analyze the power interference during ECG machine testing and to propose countermeasures. Methods Some measures in power supply stability,shielding,grounding and wire winding were carried out to reduce the influences of 50 Hz interference on ECG machine testing.Results The influences of the power interference were reduced greatly on ECG machine.Conclusion The performances of ECG machine can be ensured by restraining the power interference.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（5）：89-91]

ECG machine;power interference;electromagnetic shielding;filtering

[中国图书资料分类号]R318.6；TH772.2A

1003-8868（2015）05-0089-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.089

姚文坡（1987—），男，助理工程师，主要从事医学信号处理和医疗设备方面的研究工作，E-mail:yaowen512@163.com。

210002南京，南京军区南京总医院医学工程科（姚文坡，毛靖宁，刘铁兵）

刘铁兵，E-mail:njbull@163.com