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输入阻抗的测试原理与方法

更新时间:2023-09-12      浏览次数:995

前言

输入阻抗是影响心电图机精准度的重要规格,也因此每台心电图机都必须测试输入阻抗。本篇会介绍输入阻抗的原理,并以实例算出心电图机输入阻抗的数值;此外,输入阻抗与 CMRR 也有关联,在此也会加以说明。

 

输入阻抗测试原理

从电路学的角度来看人体组成,可将人体模拟成等效的电阻、电容电路;而输入阻抗的测试目的,便是当心电图机透过电极接触到人体时,可以将最大的电压耦合心电图机,进而确保心电图机的测量精准度。


输入阻抗测试的原理是将信号源信号直接输出到心电图机,然后测量心电图机上对应导程波形的电压 V,接下来在信号源和心电图机间经过一组并联线路(620KΩ 并联 47nF),再测量心电图机上对应导程波形的电压 Vi。在 IEC60601-2-25 / 27(YY 0782 / 1079 / 1139)中,输入阻抗的要求为至少 2.5MΩ。Vi 和 V 的电压差异要在 20% 以内;而 IEC60601-2-47(YY 0885)中则要求,输入阻抗至少要 10MΩ,因此要求 Vi 和 V 的电压差异要在 6% 以内。

图1、测试线路示意图(未加并联线路),V 是心电图机上对应导程波形的电压

 

图1 为未加测试输入阻抗并联线路的示意图;图中左侧有一测试信号源,其电压大小为 V,在不加并联线路时,假设心电图机上对应导程波形的电压测量值也是 V。

下图为加入并联线路示意图。其在中间加了 620KΩ 电阻并联 4.7nF 电容的并联线路,在加入并联线路后,假设心电图机上对应导程波形的电压测量值变为 Vi。

图2、测试线路示意图(加入并联线路),Vi 是心电图机上对应导程波形的电压

 

依据分压原理:Vi=Zi/( Z+Zi )*V → Vi*(Z+Zi)=Zi*V → Vi*Z=Zi*(V-Vi)

故可得 Zi 与 Z 的关系式:Zi = Vi/( V-Vi )*Z ------------- (1)

 

接下来将说明如何从 (1) 式推得标准要求的 2.5MΩ 跟 10MΩ。在 IEC60601-2-25 / 27(YY 0782 / 1079 / 1139)中,Vi 和 V 的电压差要在 20% 以内,也就是 ,将代入 (1) 式中得 ,Z 为 620KΩ 电阻并联 4.7nF 电容。

在实际状况中,Z 含有 4.7nF 电容,Zi 含有电极线的电容,两者的容抗皆会随着频率而变化,也因此标准要求测试 0.67Hz 及 40Hz 两个频率;若是以纯阻抗来表示输入阻抗,因此忽略 Z 与 Zi 的容抗,则输入阻抗 ;此结果与 IEC60601-2-25 / 27(YY 0782 / 1079 / 1139)要求相符。

IEC60601-2-47(YY 0885)则要求 Vi 和 V 的电压差异要在 6% 以内,也就是,将代入 (1) 式中得,此结果与 IEC60601-2-47(YY 0885)要求的相符。

 

输入阻抗测试方法

1. 测试环境设置

开始测试前,需先将测试环境架设好;由于环境中的市电频率(50 / 60Hz)噪声会透过辐射或大地的回路来干扰测试,因此如何避免这些噪声影响测试结果,是测试前重要的准备工作。图3 是使用鲸扬科技的单道测试仪「SECG 4.0」来测试一台 12 导心电图机的测试系统图。

图3、测试系统图

 

测试时,首先需注意 SECG 4.0 及待测设备是否共地。建议做法便是将整个测试系统(包含 SECG4.0 及待测设备)共地到一片独立(不可接其他系统的地或大地)的金属板上,此金属板建议大小为 60 公分 x 100 公分(或更大);此做法有以下三个优点:(1) 整个测试系统共地 (2) 测试系统与其他系统地噪声隔离 (3) 金属板会吸收测试系统噪声的能量。若待测设备没有可接出的地线,这时待测设备输入端为浮接(floating)的状态;此时可以让 SECG 4.0 地线单独接至金属板上。

图中的测试计算机经过变压器连接至插座上,此时若将计算机直接放置至金属板上,市电噪声便会进入测试系统,也因此测试计算机需放置至金属板外,仅以 USB 连接至 SECG 4.0(或待测设备)上,以免影响测试结果。

 

2. 输入阻抗测试实例

以下为 IEC60601-2-25(YY 0782)的测试实例及其步骤:

 (1) 架设好测试环境后,开启 SECG 4.0 测试软件

 (2) 选择正弦波(3mV,0.67Hz)

 (3) 输出信号至 RA 上,测量导程 II 输出电压为 Vref = 2.5mV,如图4

图4、导程 II 波形(未加 620kΩ / 4.7nF)

 

 (4) 加入并联电路 620KΩ / 4.7nF

 (5) 设定直流偏压为 300mV,然后测量导程 II 输出电压 Vpp = 2.4mV(下段详细说明),如图5

图5、导程 II 波形(加 620kΩ / 4.7nF 及 300mV 直流偏压)

 

 (6) 设定直流偏压为 -300mV,然后测量导程 II 输出电压 Vpp = 2.4mV,如图6

图6、导程 II 波形(加 620kΩ / 4.7nF 及 -300mV 直流偏压)

 

 (7) 调整输出频率为 40Hz(正弦波,3mV,40Hz)

 (8) 测量导程 II 输出电压为 Vref = 2.8mV,如图7

图7、导程 II 波形(40Hz,未加 620kΩ / 4.7nF)

 

 (9) 加入并联电路 620KΩ / 4.7nF

 (10) 设定直流偏压为 300mV,然后测量导程 II 输出电压 Vpp =2.5mV,如图8

图8、导程 II 波形(40Hz,加 620kΩ / 4.7nF 及 300mV 直流偏压)

 

 (11) 设定直流偏压为 -300mV,然后测量导程 II 输出电压 Vpp = 2.5mV

图9、导程 II 波形(40Hz,加 620kΩ / 4.7nF 及 -300mV 直流偏压)

 

 (12) 重复步骤 3 至步骤 11,但依次调整输出电极为 LA / LL / V1 ~ V6,对应的测量导程为导程 I / III / V1 ~ V6

 

3. 计算心电图机的输入阻抗

由图4 到图9,可以算出不同频率时心电图机输入阻抗的估计值。

 (1) 在 67Hz 时:

图4 为待测心电图机在 3mV, 0.67Hz 正弦波的测试结果,取其导程 II 为 Vref=2.5mV。图5、图6 分别为加入并联电路及 +300mV、-300mV 的测试结果,导程 II 为 Vpp=2.4mV。

若仔细观测图5 的波形,可以看到 0.67Hz 正弦波上有一个 60Hz 的干扰噪声,这是由于加入 620KΩ / 4.7nF 并联电路后造成心电图机不平衡的输入,因而环境的 60Hz 噪声被心电图机引入,放大显示出来,要减小外界环境的 60Hz 干扰噪声必须确实接上金属片,或增加心电图机的 CMRR 值,这点会在后面再详细讨论。


若是噪声无法wan全消除,Vpp 值的计算就必须避开噪声的影响,图10 中需要取上下噪声的平均值后再计算 Vpp 值,因此 Vpp = 2.4mV,而不是 2.55mV。相同的方法用在图8 的 40Hz 信号上。

图10、加并联电路产生的 60Hz 干扰噪声,需要取上下噪声的平均值后再计算 Vpp 值

 

由 (1) 式  Zi=Vi/( V-Vi )*Z=2.4/(2.5-2.4)*620kΩ=14880kΩ=14.88MΩ

输入阻抗约为 14.88MΩ

 

 (2) 在 40Hz 时:

图7 为待测心电图机在 3mV, 40Hz 正弦波的测试结果,取其导程 II 电压为 Vref=2.8mV。图8、图9 分别为加入并联电路及 +300mV、-300mV 的测试结果,其导程 II 为 Vpp=2.5mV。

由 (1) 式  Zi=Vi/( V-Vi )*Z=2.5/(2.8-2.5)*620kΩ=5166kΩ=5.16MΩ

输入阻抗约为 5.16MΩ

 

输入阻抗与 CMRR 的关联

CMRR(共模抑制比,Common Mode Rejection Ratio)为抑制 50 / 60Hz 环境噪声的能力。在 CMRR 不平衡测试中,会加入 51KΩ 并联 47nF 来模拟电极皮肤阻抗线路,且在加入此并联电路后 CMRR 测试结果仍需符合标准要求;620KΩ / 4.7nF 并联电路的加入会和 CMRR 不平衡测试结果相似,因此心电图机的 CMRR 值越优,加入 620KΩ / 4.7nF 并联电路测试输入阻抗时 50 / 60Hz 噪声的干扰越小。

在 CMRR 不平衡测试中,加入并联阻抗后差异越小,代表心电图机抑制 50 / 60Hz 环境噪声越好;在输入阻抗测试中,加入并联阻抗后差异越小代表心电图机输入阻抗越大,越能完整地将测试信号耦合输入心电图机。因此,CMRR 不平衡测试时值越优,测试输入阻抗时受到的干扰越小。

 

结语

心电图设备中输入阻抗的规格,影响到实际测试人体时的电压精准度,心电图机的输入阻抗越高测试时所受的人体影响越小;此外,相同心电设备在不同频率其输入阻抗会不同,因此标准会在不同频率下测试输入阻抗。另外,CMRR 与输入阻抗的相关联,也造成输入阻抗较好,CMRR 通常也较好。

SECG 4.0 是一台可以wan全符合各类心电标准要求的性能测试仪器(CMRR 和系统噪声除外),除了标准信号源外还包含了 620KΩ / 4.7nF 并联电路和 ± 300mV 直流电压的叠加线路,使得输入阻抗的测试更方便和准确。

 

参考数据

1. IEC 心电标准 IEC60601-2-25:2011、IEC60601-2-27:2011、IEC60601-2-47:2012。

2. 中国心电标准 YY0782-2010、YY1079-2008、YY0885-2013、YY1139-2013。

3.  Application Note「CMRR 测试原理和方法」。


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