本文中描述的用于優化ECG子系統中共模抑制的技術已被證明具有出色的診斷性能，同時將患者和操作員的安全要求放在首位。

根據ECG子系統的應用，在某些情況下，CMR（共模抑制）必須非常高。AAMI（醫療儀器促進協會）規定了必須滿足的典型電極阻抗不平衡和偏移的測試方法。其他標準，如IEC，UL和來自不同國家的醫療指令，也有各種共模排斥測試。

本文介紹了人體阻抗不匹配、電極和電纜設計、保護電路、右腿驅動的使用以及影響共模抑制的其他考慮因素，并提出了增強ECG子系統中CMR的各種方法。

共模抑制、安全和 RFI

必須進行多種設計權衡，以優化ECG系統中的共模抑制。

評估這些權衡從安全性開始。大多數標準表明，從直流到10.1 kHz的00 μA rms是ECG系統“正常狀態”操作的上限。對于“單故障條件”，一些標準允許增加到50 μA rms，但低至35 μA rms的電流可能會損害心肌。對于“單故障條件”，建議使用 10 uA rms。（請參閱參考文獻 1。

交流電源漏電流必須限制在此最大水平。各種標準測量電極之間的源電流和灌電流，電極綁在一起，以及電極相對于接地的交流電源通電。

由于標準和特定國家/地區的指令會隨著時間的推移而變化，因此鼓勵設計人員保持最新版本，以確保持續符合安全標準，包括允許的最大拉電流和灌電流，作為頻率的函數，用于確保合規性。

此外，必須保護ECG子系統免受除顫器脈沖（雙相或單極性）的影響，因此在儀表放大器（儀表放大器）之間增加了限流電路以保護電路。還需要ESD（靜電放電）保護電路。

基本性能

除了安全要求外，ECG子系統還必須能夠在電外科手術和其他惡劣環境中提供IEC 60601-1-1及其衍生產品所描述的“基本性能”，其中附近的RFI（射頻推理）可能很高。這將包括飛機、雷達、火車和輪船等環境。

共模信號源

共模電壓的來源通常是 50 Hz 或 60 Hz 的交流電源頻率，線路電壓高達 264 VAC rms。非典型環境，例如運行頻率為 16.666 Hz 的歐洲列車，也可能是共模輸入的來源。

人體共模模型和ECG子系統的其他電路路徑

在圖2中，共模信號通過“人體軀干”耦合，從皮膚表面通過電解質、電極到ECG電極線，通過除顫器保護電路、RFI輸入濾波，并通過隔離接地和接地之間的電容將儀表放大器接地。圖1顯示了ECG電極及其與皮膚表面界面的阻抗模型。交流電源也可以通過ECG電纜耦合到ECG“前端”，輸入保護電路免受外部瞬變（如除顫器脈沖）的影響，并通過隔離電源直接耦合。儀表放大器輸入端的電位RFI整流也會產生儀表放大器共模抑制問題。

圖1.人體組織→電解質→電極模型。

圖2.心電圖子系統框圖。

共模至差模轉換

交流和ECG信號都通過電極測量到ECG前置放大器子系統中，因此確保共模信號不會轉換為“差模”非常重要。ECG電極阻抗不匹配、電纜電容以及與除顫器保護相關的保護電路（通常采用電阻和SCR/氬氣限壓器的形式）的組合使得共模到差分轉換的可能性更大。

組織/電極問題

“角質層”是皮膚的最外層，對電極本身具有皮膚成分的最高阻抗成分，并且在低頻下變化很大，并且隨著頻率的變化而變化。阻抗是電極材料、尺寸、粘合劑、使用的電解質以及皮膚本身的外層/狀況的函數。為了確保電極界面的最低阻抗和更高的穩定性，一些皮膚制備技術在放置電極之前使用“砂紙”作為“皮膚準備”。Ag/AgCl電極的各種成分提供了其他常用材料的最低阻抗和偏移。在一定頻率范圍內，電極之間的阻抗差可高達50，000 Ω。減少這種失配有助于減少共模到差分的轉換。（請參閱參考文獻 2。

心電圖電纜

一些ECG電纜嵌入了保護電阻，用于電路的除顫器保護，其范圍從2.5 kΩ到高達49.9 kΩ的電極。如果電阻不在電纜中，則通常在PCB布局上。這些電阻的匹配很重要，因為它與RFI濾波器接口。用于最小化電纜阻抗不匹配影響的一種技術是電纜屏蔽的有源驅動。

射頻過濾器

用于防止RFI進入儀表放大器輸入級的典型X2Y RFI濾波器必須匹配差分和共模阻抗。集成的2XY RFI濾波器具有優于標準表面貼裝電容器的規格，并且該結構使其具有卓越的性能。（請參閱參考文獻 6。

用于降低輸入共模信號的技術

RLD

正如Winter，Wilson，Spinelli，et.al.所描述的右腿驅動（參見參考文獻4和5）是一種降低儀表放大器差分輸入端出現的共模信號輸入電平的技術。共模降低的改善受到可提供給患者的RLD電流量的限制。應考慮使用Spinelli描述的RLD跨阻放大器。

法拉第盾

法拉第屏蔽通常用于覆蓋ECG前端，并保護其免受環境RFI和交流電源耦合的影響，如圖2所示。法拉第屏蔽有助于減少交流電源耦合到信號鏈上其他各種入口點，然后再進入儀表放大器輸入，例如Ce1和Ce2。

儀表放大器

儀表放大器的電源電壓必須足夠高，以適應差分和共模輸入電壓范圍，通常為±1.0 V。在某些應用中，需要更高的差分輸入電平：±2.0 V。儀表放大器必須具有1 nA或更低（最好為100 pA）的偏置電流、極低噪聲電流、極低噪聲電壓以及通過最高交流電源頻率的第五次諧波實現的高共模抑制。關注的典型頻率：16.666 Hz、50 Hz、60 Hz、100 Hz、120 Hz、150 Hz 和 180 Hz。

第一級儀表放大器通常設置為5至10之間的差分直流增益。如果輸入儀表放大器能夠為信號的交流部分而不是直流部分提供增益，則更高的增益是可行的。權衡因素包括噪聲性能、動態輸入范圍和電源電壓。

DSP降低共模信號

在實施“硬件”抑制后，可以在數字域中處理殘余共模信號。使用的一些技術包括FIR陷波濾波器、自適應濾波器和共模信號本身的“數字減法”。設計人員必須小心確保ECG信號的“診斷完整性”不會因使用這些不同的技術而受到損害，以確保臨床醫生的“鑒別診斷”不會受到某些潛在技術的不利影響。有時禁止使用陷波濾波器，因為它會影響目標信號的相位/幅度失真。必須保持符合“診斷帶寬”心電圖系統的標準。

總結

用于高共模抑制的ECG子系統的設計要求設計人員將患者和操作員的安全要求放在首位。一些增強共模抑制的技術實際上可能會增加漏電流，因此必須避免。隨著時間的推移，這里提到的技術已被證明具有出色的診斷性能。

審核編輯：郭婷