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CMRR 测试原理和方法

更新时间:2023-09-13      浏览次数:1121

前言

使用心电图机测量待测者的心电图时,常会因为待测者身上的市电讯号干扰,造成心电图上的 50/60 Hz 噪声增加,这可能会影响医生正确判读心电图波形所代表的心脏疾病。因此如何在市电干扰严重的环境下,正确无误的测量心电图,实在是一个严峻的挑战。

另外,在不同身体位置可能会存在不同的直流电压差,两位置间(例如:左手、右手间)的直流电压差可达 300 mV、甚至 1000 mV。而心电讯号的电压范围一般介于 0.5 mV 到 3 mV 之间,因此如何避免这些数百 mV 的 DC 讯号干扰正常心电讯号,又是另一种挑战。

医疗测试标准中,共模抑制比 CMRR(Common Mode Rejection Ratio)的测试目的,就是为了确保心电图机在上述的 50/60 Hz 干扰和 DC 偏移的情形下,仍然可以正常的显示心电图,以利医生做正确的判读。接下来将详细介绍 CMRR 测试的原理和方法。

 

CMRR 测试原理

1. 测试线路:

依据三个心电图机测试标准中所规定的测试线路图,如图1:

图1、CMRR 测试线路图

 

图1 左侧的「信号产生器」产生市电频率的讯号,其仿真的就是干扰待测者身上的市电讯号,旁边经过一个由 C1、Ct、Cx 并联组成的共 200 pF 的线路到 B 点(共模点),这 200 pF 电容模拟的就是人体对地的容抗;图中两个封闭虚线,分别代表标准要求的线路金属内外屏蔽,由于两块金属片之间会有杂散电容 Cx,并且这个 Cx 电容值会随不同 CMRR 测试设备而不同,因此使用一个可调电容 Ct 使得 Cx+Ct=100 pF,再加上 C1 得 200pF。由于 C1=100 pF,和 Cx+Ct 的 100 pF 刚好形成一半的分压,因此 Ct 调到适当的值之后,B 点电压 Vc 会刚好是信号产生器输出电压 Vs 的一半,也就是 Vc=0.5Vs。

之后是 S0 开关,所有 CMRR 测试 S0 都是闭合的,只有噪声电平测试时才打开。S0 开关之后,所有待测心电图机的电极线都串接一个 51KΩ 并联 47nF 的模拟电极皮肤阻抗线路。除了 N(RL) 电极外,由 S1 到 Sn 开关控制各电极是否串接这个阻抗线路。另外待测电极,图1 的例子待测电极是 R(RA) 电极,可由 SDC 开关控制是否有 ±300 mV 直流偏置电压的迭加,此 ±300 mV 便是在仿真人体不同位置间的直流电压差。 

 

2. 测试重点:

CMRR 的测试,除了 IEC60601-2-47(中国对应标准:YY 0885)移动式心电图机部分要多测两倍电源频率外,所有标准中的测试方法几乎相同,只是测试电压,串接电极皮肤阻抗线路的方式和通过准则有些差异;另外,测试前,待测装置的 50/60 Hz 频率的陷波器(Notch Filter)必须关闭。主要包含了下面 5 个测试的重点:

 

  • 设置信号源电压 Vs

心电标准:IEC60601-2-25 / 27(YY 0782 / 1079 / 1139)要求 20 Vrms 电源频率信号电压(Vs),IEC60601-2-47(YY 0885)则要求 Vs = 8Vp-v(2.828Vrms)电源频率和 Vs = 1.422 Vp-v(0.502Vrms)两倍电源频率。

脑電標準:IEC60601-2-26 要求 2Vrms 電源頻率信號電壓(Vs)。

 

  • 调整共模电压 Vc

在不接任何待测设备电极线的设置下,调整可调电容 Ct 直到共模点电压值(Vc)为电源频率信号电压值(Vs)的一半,即 Vc=0.5Vs。这个步骤主要是确定 Ct + Cx=100 pF。

 

  • 平衡测试

接上待测设备的所有电极线,先做平衡测试,依标准规定设置,S1 到 Sn 全开或全闭,然后测量心电图机上所有导联波形幅度。由于所有电极线设置都相同,故称为平衡测试。

 

  • 不平衡测试

依标准规定设置,一次一个开关,逐次开或闭待测电极的 Sn 开关,其余 Sn 开关的开闭和待测电极的 Sn 开关相反。譬如当 S1 开关打开时,其余 S2~Sn 开关闭合,S1 开关所连接电极线称为待测电极线,因为和其他电极线设置不同故称此测试为不平衡测试。测量所有导联波形幅度。

 

  • 迭加 ±300 mV 直流偏置电压

在待测电极在线迭加 ±300 mV 直流偏置电压,测量所有导联波形幅度。

所有导联波形幅度通过的准则:IEC60601-2-25 / 27(YY 0782 / 1079 / 1139)不超过 10 mmp-v(1 mVp-v),IEC60601-2-47(YY 0885)不超过 4 mVp-v,IEC60601-2-26 不超过 0.1 mVp-v。

依照上述,那么多少 dB 的 CMRR 值才能通过标准呢?首先,CMRR dB 值的公式为:

CMRR (dB)= 20*log⁡(Vout/Vin)-----------(1)

其中 Vout 为待测心电图机上的导联振幅值,Vin 为 CMRR 测试仪器的共模电压 Vc。以 IEC60601-2-25/27 来说 Vout 不超过 10 mmp-v (1 mVp-v),Vin 为共模点的电压值 10 Vrms,所以通过 IEC60601-2-25/27 所需的 CMRR 值(最大)为:

20*log⁡((1 mVp-v)/(10 Vrms))=20*log⁡((1 mVp-v)/(10*2√2 Vp-v))≅20*log⁡((0.001Vp-v)/(28.28Vp-v))≅-89dB

依相同方式推算,IEC60601-2-47 在电源频率时所需的 CMRR 值为 -60dB,两倍电源频率时 CMRR 值为 -45dB;IEC60601-2-26 所需的 CMRR 值则为 -89dB。但由于心电、脑电标准皆需做不平衡测试(上述第 4 项),此不平衡电路会在差动放大器前产生些微的电压差,此时原来的共模讯号变成微小的差模讯号,经过差动放大器放大后输出电压会比平衡测试时更大些,但仍然要符合标准的要求。

 

CMRR 测试方法

1. 测试环境设置

开始测试 CMRR 时,首先要注意的是测试环境;由于环境中的市电频率(50/60 Hz)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2 是使用鲸扬科技的 CMRR 测试仪「CMRR 3.0+」来测试一台 12 导心电图机的测试系统图:

图2、CMRR 测试系统图

 

测试时,首先需注意 CMRR 3.0+ 及待测设备是否共地。建议做法便是将整个测试系统(包含 CMRR 3.0+ 及待测设备)共地到一片独立的(不可接其他系统的地或大地)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) 测试系统独立 (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 CMRR 3.0+ 地线单独接至金属板上。

图3 为平衡测试 CMRR 3.0+ 和心电图机都没有接至金属板的测试结果。可以看到所有导联输出的讯号,因为市电频率(50/60 Hz)噪声的干扰,会随时间做不规则变化,也就是无法确定输出讯号的大小,因而无法得到确定的结果。

图3、测试系统无共地至金属板上

 

2. CMRR 测试实例

以下为 IEC60601-2-25/27 的测试实例及其步骤:

 (1) 关闭待测装置的 50/60 Hz 频率的陷波器(Notch Filter)

 (2) 先不连接所有的电极线到 CMRR 3.0+ 上

 (3) 设置信号源电压 Vs,IEC60601-2-25/27 需选择 Supply Voltage 为 20 Vrms

 (4) 选择 Frequency 为 50 或 60 Hz

 (5) 调整共模电压 Vc:调整面板上的 Ct(Adjustable Capacitor)直到 Vc 为~10 Vrms

图4、调整 Vc 电压至 Vs 电压的一半

 

 (6) 连接所有电极线到 CMRR 3.0+ 上

 (7) 平衡测试:选择 Electrode with Impedance 为 None(S1 到 Sn 全闭)

 (8) 调整 DC Offset 为 Off

 (9) 测量 ECG 上所有导程输出至少 15 秒(最大输出导联 I ~ 0.1 mm)

图5、平衡测试结果

 

 (10) 不平衡测试:调整 Electrode with Impedance 为 RA(仅 S1 打开)

 (11) 测量 ECG 上所有导程输出至少 15 秒(最大输出导联 I = 2 mm)

图6、RA 不平衡测试结果(RA 加阻抗)

 

 (12) 迭加 +300 mV 直流偏置电压,调整 DC Offset 到「+300 RA」

 (13) 测量 ECG 上所有导程输出至少 15 秒(最大输出导联 I = 2 mm)

图7、RA 不平衡测试迭加 +300 mV 直流偏压

 

 (14) 迭加 -300 mV 直流偏置电压,调整 DC Offset 到「-300 RA」

 (15) 测量 ECG 上所有导程输出至少 15 秒(最大输出导联 I = 2 mm)

图8、RA 不平衡测试迭加 -300 mV 直流偏压

 

 (16) 调整 DC Offset 到 Off

 (17) 调整 Electrode with impedance 到 LA

 (18) 测量 ECG 上所有导程输出至少 15 秒(最大输出导联 I = 2.2 mm)

图9、LA不平衡测试结果(LA 加阻抗)

 

 (19) 调整 DC Offset 到「+300 LA」

 (20) 测量 ECG 上所有导程输出至少 15 秒(最大输出导联 I = 2.2 mm)

图10、LA 不平衡测试迭加 +300 mV 直流偏压

 

 (21) 调整 DC Offset 到「-300 LA」

 (22) 测量 ECG 上所有导程输出至少 15 秒(最大输出导联 I = 2.2 mm)

图11、LA 不平衡测试迭加 -300 mV 直流偏压

 

 (23) 重复步骤 10~15,但依次调整 Electrode with impedance 到 LL/V1~V6

 

依据上述实例测得的结果,寻找幅值最大的导联。图5 平衡测试最大振幅的导联 I 波形的幅度为 ~0.1 mm,在 20 mm/mV 的增益下电压 Vout = 0.1 / 20 = 0.005 mV,代入 (1) 式中得 CMRR 值为:

20*log⁡((0.005 mVp-v)/(10 Vrms))=20*log⁡((5*〖10〗^(-6) Vp-v)/(28.28Vp-v))≅-135 dB

但是实际上导联 I 的输出几乎是一条直线,测量出的幅值应该不是正确的输入 10 Vrms 的反应值,CMRR 应该更优于 -135 dB,这在后面「高于标准的 CMRR 测试」章节中会再详细讨论。

用同样的方法测量图6 中 RA 不平衡测试最大振幅的导联 I 波形,得幅度为 2 mm,在 20 mm/mV 的增益下电压 Vout = 2 / 20 = 0.1 mVp-v,代入 (1) 式中得 CMRR 值为:

20*log⁡((0.1 mVp-v)/(10 Vrms))≅20*log⁡((1*〖10〗^(-4) Vp-v)/(28.28Vp-v))≅-109 dB

比较图5 和图6 的测量结果可以观察到,不平衡测试的波形幅度一般会比平衡测试的波形幅度来得大;这是由于不平衡电路会产生些微的电压差,此时原来的共模讯号变成微小的差模讯号,经过差动放大器放大后输出电压会比平衡测试时更大些。因此 CMRR 值变得较差。

图7 和图8 分别为不平衡测试时,迭加 ±300 mV 直流偏置电压的测试结果。最大幅值都发生在导联 I,由于两者导联 I 都相等于没有迭加 DC 的幅值,因此 CMRR 值皆为 -109 dB。这是由于待测设备迭加 ±300 mV 直流偏压时仍在差动放大器的线性工作区间内的缘故。

图9 至图11 为 LA 不平衡测试结果,最大幅值都发生在导联 I,且导联 I 幅值皆为 2.2 mm @20mm/mV,Vout = 0.11 mV,因此 CMRR 值如下:

图9-11:导联 I 幅值 2.2 mm @20mm/mV,Vout = 0.11 mV

20*log⁡((0.11 mVp-v)/(10 Vrms))≅20*log⁡((11*〖10〗^(-5) Vp-v)/(28.28Vp-v))≅-108.2 dB

继续测试其他导联线(LL/V1~V6),若是所有测试,其导联振幅皆不大于 2.2 mm(0.11 mVp-v),则可以说此心电图机的 CMRR 值约为 108 dB。

 

其他注意事项

  • 关闭陷波器(Notch Filter)

CMRR 测试频率为市电频率,若在此时开启市电频率的陷波器,测试电压会被陷波器滤除;这时测试结果并不是差动放大器的 CMRR 值,而是陷波器及 CMRR 的综合结果。为了确保差动放大器可以达到心电标准的要求,因此,标准明确描述测试 CMRR 时需将陷波器关闭。

以下为心电图机不平衡测试时,有无开启陷波器比较。

图12、不平衡测试(关闭陷波器)

 

图13、不平衡测试(开启陷波器)

 

由上图可知,不平衡测试时开启陷波器,陷波器会将大多数的 50/60 Hz 测试讯号滤除,因此导联波形幅度变得很小,不能反应差动放大器的 CMRR 值,也因此无法测得差动放大器真正的 CMRR 值。

 

  •  不同心电图机的 CMRR 测试结果

不同的心电图机,因为使用的组件和线路的设计不同,CMRR 的测试结果也会不同。在公式 (1) 中、CMRR 值主要是由心电图机的心电图上测量各导联波形的振幅 Vout 和 CMRR 测试仪器的输出讯号振幅 Vin 两个主要参数的比值再取 20Log 计算出来的,其中 Vin 值在标准中已有规定,因此 CMRR 值的决定主要在待测心电设备的硬件设计,因此若是测试结果 CMRR 值不符合标准所需,就必须重新检视心电设备的硬件设计。以下为使用相同  CMRR 测试仪器(鲸扬科技的 CMRR 3.0+)及测试环境设置下,不同心电图机的测试结果。

平衡测试
心电图机 A
心电图机 B

 

不平衡测试(RA 加阻抗)
心电图机 A
心电图机 B

 

由上面的两台心电图机测试的结果可以看出,虽然使用的是相同的测试仪器及测试环境设置,因待测心电图不同,其导联波形幅值 Vout 也会不同,计算后的 CMRR 值自然也会不同。

 

  • 高于标准的 CMRR 测试

有些心电图机制造商会要求其制造的心电图机有更高于标准的 CMRR 规格(譬如 140 dB),如此在一些市电干扰严重的环境中,仍可以正确无误的测量心电图。要达成这个目标,除了要能精确的测量心电图显示的最小电压(Vout)外,可能还需要将 CMRR 测试仪器的测试电压(Vin)提高,才能测到更高的 CMRR 值。

以图5 为例,测到的 Vout = 0.01 mV (0.2 mm),假设这台心电图机最小可以测量导联波幅就是到 0.2 mm,也就是 0.01 mV(20 mm/mV 增益的设置下),针对 Vc = 10 Vrms 的心电标准要求,只能测到 -129 dB 的 CMRR 值,因此若要测到更高的 CMRR 值,势必要增加 CMRR 测试仪器的输出电压 Vs。

图14 是将 CMRR3.0+ 的 Vs 设置到 70.71 Vrms (200 Vp-p),则 Vc = Vs/2 = 35.35 Vrms (100 Vp-p),此时测量到的导联 I 的幅值仍是 0.2 mm,因此 CMRR 值就可以测到 140 dB,计算如下:

20*log⁡((0.01 mVp-v)/(35.35 Vrms))≅20*log⁡((1*〖10〗^(-5) Vp-v)/(100 Vp-v))≅-140 dB

图14、平衡测试(Vs = 70.71 Vrms)

 

CMRR3.0+ 测试仪器有这样超过标准所需电压的输出功能,可协助心电图机制造商测试更高于标准 CMRR 规格的心电图机。

 

结语

心电图设备中 CMRR 的规格是抑制 50/60 Hz 市电讯号干扰很重要的一项功能,而 50/60 Hz 干扰或大或小无处不在,因此能够确保显示正确的心电图波形,足够的 CMRR 值实是一个重要因素。至于要如何正确地测量心电图机的 CMRR 值,则又是另一项要注意的事项。

心电图标准中都有明确的说明测试线路和步骤,因此依据标准的需求设计一台测试仪器来测试心电图机的 CMRR 值是必需的。但由于标准线路中的高电压电源(20 Vrms = 58 Vp-v),低电源输出容抗(200 pF),内外屏蔽的要求,每个项目都考验着测试仪器的制造难度。CMRR3.0+ 就是逐一克服这些挑战,完成可以符合各类心电和脑电设备 CMRR 测试的要求。另外,如前一节所述,在心电图机最小可以测量导联波幅到 0.2 mm,也就是 0.01 mV 的条件下,可测到 -140 dB 的 CMRR 值。

 

参考数据

1. IEC 医疗专用标准 IEC60601-2-25:2011、IEC60601-2-27:2011、IEC60601-2-47:2012、IEC60601-2-26:2012。

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


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