新型心电信号干扰抑制系统的设计与应用

刘智敏 许新建

心电图机可以记录患者心脏兴奋的产生、传导和恢复过程中的生物电位变化，并将微弱的心电信号加以放大和记录，是心脏病诊断中不可或缺的重要仪器[1]。由于心电图机采集的心电信号具有微弱性、不稳定性、低频特性等特点，所以其灵敏度很高，极易受到外来电信号的感应而产生干扰。因此心电图机本身都具有比较精密的滤波系统，用于防止各种干扰信号。但是在使用过程中，心电图机的使用环境一直在变化，其同电网上不同医疗设备的变化，容易造成心电图机的干扰；或是心电图机周围设备的变化，包括微波治疗仪、中频治疗仪、高频电刀等设备，容易造成心电图机的波形失真；随着心电图机内部电路和导联线的老化，其内部电子元器件也会产生干扰信号[2]。基于此，本研究设计一种新型心电信号干扰抑制系统，连接于心电图机的电源接口处，通过各部分滤波电路对心电图机产生的各种频率的杂波进行抑制，使心电图机在使用过程中心电波形不受各种干扰，心电系统性能更加稳定[3]。

1 新型心电信号干扰抑制系统设计路线

1.1 心电干扰信号特征

医务人员采用心电信号的形态、波幅大小以及各波之间的相对时间关系来鉴别诊断各种心脏疾病，因此，心电图的精确度对于心脏疾病的鉴别诊断至关重要[4]。

心电信号电压幅值通常为0.05～5 mV，在测量中如此微弱的信号很难进行直接观察或记录，且在测试过程中，人体心电信号处于动态变化之中。由于人体是一个与外界有密切关系的开发系统，内部存在着器官间的相互影响，这些情况都会使人体心电信号发生相应的变化。因此，心电信号在测量过程中除了要受到来自心电图机的干扰，还不可避免的受到使用环境的干扰[5]。心电信号干扰的形式为：①来自电极噪声的干扰；②来自无线电波及高频设备的干扰；③来自被测生理变量以外的人体电现象(如肌电信号)所引起的噪声干扰；④来自电子器件的噪声干扰；⑤来自带电衣服的静音噪声干扰以及来自50 Hz交流干扰等。

在心电干扰抑制系统的设计过程中，主要分为50 Hz的泄漏电路和交流干扰电路、35 Hz的肌电干扰电路、交流磁场干扰电路和阻抗耦合干扰电路4部分滤波电路[6]。

1.2 心电信号干扰抑制电路设计

1.2.1 50 Hz交流干扰信号抑制电路设计

根据市电上和心电图机上的50 Hz交流干扰信号，系统采用双T有源滤波器，该电路频率的计算为公式1：

式中f为电路频率，R为电阻阻值，C电容容量。

当干扰信号的频率f＞f0时，两个串联的C1、C2阻抗很低，信号可经过两个电容直接传送到运放的同相输入端，当干扰信号的频率f＜f0时，两个串联的C1、C2阻抗很高，信号可经过两个串联的电阻R1、R2直接传输到运放的同相端，只有当干扰信号的频率f=f0时，信号分别经过两个通道传输，从高通滤波器(C1、C2和R/2构成)输出的电压比输入电压超前一个略＜π/2的相位，从低通滤波器通道(R1、R2和2C构成)输出电压比输入电压落后一个略＜π/2的相位。两路传输到同相输入端的电压正好大小相等、相位相反且相互抵消，因此放大器输出电压近似为零[7]。50 Hz交流干扰信号抑制电路如图1所示。

图1 50 Hz交流干扰信号抑制电路图

图1 的电路图显示，R4、R5以及运放组成抑制电路的正反馈，具有增强信号作用，反馈系数为F=R5/(R5+R4)，抑制电路的品质因数Q决定滤波器的选择性，高Q对应较窄的阻带，而低Q对应较宽的阻带。根据该电路抑制50 Hz干扰信号，需要越高的Q，则Q值的计算为公式2：

阻带的计算为公式3[8]：

根据公式可知需要抑制50 Hz的干扰信号，必须选择相对应的电容和电阻。根据公式(1)，选择电阻为10 kΩ，电容为0.33微法，这样就可以抑制50 Hz的干扰信号。

1.2.2 35 Hz肌电干扰信号陷波电路设计

35 Hz肌电干扰信号陷波电路是将肌电信号在35 Hz迅速衰减信号，以达到阻碍此频率信号通过的滤波效果。陷波滤波电路属于带阻滤波电路的一种，但是其带阻非常狭窄，阶数必须是二阶以上[9]。35 Hz干扰信号陷波电路如图2所示。

图2 35 Hz干扰信号陷波电路图

图2 显示，为实现抑制35 Hz肌电干扰信号，根据公式(1)，设定C4=C5=0.22微法，R6=R7=R8=R9=21.4 KΩ，通过高精度组件电阻和电容，可以实现中心频率的调谐，该电路的组件轻度不匹配时，仅影响中心频率，而不会影响谐波深度；该电路还通过R11调节陷波电路的Q值，且不会影响中心频率，进一步修正滤波效果[10]。

1.2.3 高频干扰信号抑制电路设计

高频干扰信号是指患者附近存在的电流电路与患者回路之间通过电磁耦合产生的干扰信号。如微波治疗仪、高频治疗仪、高频电刀、照明设备等产生的干扰磁场穿过输入信号时，产生电动势并与心电信号叠加，造成高频信号干扰[11]。

心电信号为低频信号，所以高频干扰信号抑制电路采用低通滤波器，低频信号可以通过高频信号抑制的电路。该低通滤波器采用二阶低通滤波器，如图3所示。

图3显示，该高频信号抑制电路R13、R14、C6及C7设定中心频率，其计算为公式4：

图3 高频干扰信号抑制电路图

当高频信号高于截止频率时，信号被抑制。心电图机采集的信号为0～100 Hz，因此该电路设置的截止频率为100 Hz，当干扰信号频率＞100 Hz时，其都被抑制，进而确保心电信号不受高频信号干扰[12]。

2 新型心电信号干扰抑制系统测试与应用

2.1 系统测试

为了进一步提高心电信号干扰抑制系统的滤波效果，50 Hz干扰信号抑制电路、35 Hz干扰信号抑制电路和高频信号干扰电路相互独立，在运行过程中相互不影响。本系统以外接的形式接在心电图机的心电导联的接口处，心电电缆线在系统的输入信号接口处，三种抑制电路均配备运行开关，医务人员可根据输出心电波形的干扰情况，选择相应的抑制电路，进而更加精确的滤除干扰信号[13]。

2.2 系统应用

(1)在应用50 Hz干扰信号抑制电路时，因为50 Hz干扰信号产生的原因很多且比较复杂，主要包括交流磁场干扰、泄漏电流干扰、阻抗耦合干扰、静电干扰以及心电图机内部的50 Hz干扰等[13]。在开启50 Hz干扰信号抑制电路的同时，需做到以下步骤：①使心电图机接地良好，一般接地电阻要＜4 Ω；②用高绝缘强度的合成树脂板放置检查床下，避免泄漏电路进入患者体内；③用细砂纸去除患者皮肤表面角质层，并在患者的检查部位涂上导电膏，以降低皮肤和心电电极之间的阻抗不平衡程度；④及时检修心电图机内部老化的电子元器件。

(2)在应用35 Hz干扰信号抑制电路时，主要去除35 Hz肌电干扰信号。35 Hz肌电干扰信号产生的主要原因有患者精神过于紧张、环境温度过低、患者发冷寒颤、心电图机电极夹过紧等，在开启35 Hz干扰信号抑制电路的同时，需做到以下步骤[14]：①确保患者全身放松，避免用力活动，使患者全身肌肉自由放松；②心电导联线的电极夹松紧要适合；③严格控制检查场所的温湿度。

(3)心电图机的高频信号干扰不仅有电网的高频信号，也有心电图机运行环境中其他设备的影响，在预防此干扰信号时，一方面开启高频信号抑制电路；另一方面应尽量保证心电图机的运行环境中无其他设备的干扰。

3 结语

心电图机在采集心电信号过程中需要通过心电导联线采集信号，中央处理器模数转换等过程中不可避免的受到各种干扰信号，主要包括工频干扰信号、肌电干扰、高频信号等。本研究设计的一种新型心电干扰抑制系统，主要可以抑制50 Hz干扰信号、35 Hz肌电干扰信号以及100 Hz以上的高频干扰信号，可以大幅度减少干扰信号，进一步提高采集心电信号的准确性，更加精确的为患者临床治疗提供心电数据，对于提高医疗质量、方便患者治疗具有较大的意义[15]。

心电信号采集时常处在一个动态的环境中，又因为其信号的微弱，需通过多级放大，在此情况下所受到的干扰信号较为复杂，且种类较多。因此，新型心电干扰抑制系统只能抑制大部分的干扰信号，其他的干扰信号需增加相应的抑制电路方能提高心电图机的抗干扰能力，对此有待于该系统进一步改进[16]。