心電圖機檢定中的工頻干擾及抑制方法

姚文坡，毛靖寧，劉鐵兵

心電圖機檢定中的工頻干擾及抑制方法

姚文坡，毛靖寧，劉鐵兵

目的：通過對心電圖機檢定中的工頻干擾進行分析，研究其對心電圖機的影響及應對措施。方法：根據(jù)工頻干擾的原理，通過保證電源的穩(wěn)定性、合理的屏蔽、有效的接地、有效的導線纏繞方式等抑制工頻干擾，減小50 Hz工頻干擾對心電圖機檢定的影響。結(jié)果：采取上述方法后，工頻干擾對心電圖機的影響大大減小。結(jié)論：抑制工頻干擾，可保證心電圖機工作的精確度，確保患者診斷的準確性。

心電圖機；工頻干擾；電磁屏蔽；濾波

0　引言

心電圖機是診斷人體心臟活動的重要醫(yī)療設備，為確?；颊咴\斷的準確性，需要定期進行強制檢定以保證其工作的精確度[1]。工頻干擾是心電圖機檢定中涉及的問題，是對心電圖機的檢定及使用產(chǎn)生影響的主要因素之一。在心電圖機的使用和檢定中要采取相應的措施盡量避免工頻干擾的影響[2]。

工頻干擾的抑制是當前電子儀器使用中必須要考慮的問題，和一般的電子干擾不同，其干擾源為交流電網(wǎng)50 Hz電磁和電場。抑制工頻干擾可以通過多種途徑[3]，例如在使用中合理安排信號導聯(lián)線和電源線之間的相對位置、對使用的儀器或電源進行屏蔽，從硬件電路角度看，還可以設計專門的工頻干擾抑制電路降低其對儀器正常使用的影響[4]。另外，我們可以利用比較優(yōu)秀的數(shù)字濾波技術，如自適應濾波、小波分析以及獨立分量分析[5-7]等對工頻干擾加以抑制。本文主要分析在心電圖機檢定中，如何通過合理的布線和屏蔽降低工頻干擾的影響。本文將采用我院相關心電圖機和其檢定數(shù)據(jù)工頻干擾問題進行詳細分析。

1　工頻干擾

工頻干擾源為50 Hz工頻電磁場及其諧波，主要來自相關元器件的漏電流或漏磁場，屬于低頻干擾，在高頻測量中影響并不明顯。工頻干擾信號的干擾源是220 V、50 Hz的工頻電網(wǎng)，如果把儀器的供電方式改為直流蓄電池供電，其引起的工頻干擾則會消失。工頻干擾和一般噪聲不同，噪聲的產(chǎn)生基本和電子線路中內(nèi)部載流子的運動有關，如熱運動、躍遷和復合等，而且頻率范圍較寬，波形無規(guī)則并且隨機[8]。工頻干擾頻率單一，即電網(wǎng)的50 Hz，干擾信號波形變化有一定的規(guī)律。另外，當電源開啟或是導聯(lián)線和電源線位置發(fā)生變化時，變化電流引起的磁場以及變化的磁場可以引起較為明顯的工頻干擾。

工頻干擾對測量結(jié)果影響的表現(xiàn)方式不同，例如在音頻檢測中出現(xiàn)點滴連續(xù)的噪聲，指針在小范圍內(nèi)抖動，或者數(shù)字儀器的讀數(shù)不穩(wěn)定等。影響工頻干擾的因素很多，當儀器設備線路發(fā)生變化或者設備接觸某些物體時，干擾信號幅度可能出現(xiàn)較大變化。

2　心電圖機檢定

2.1心電圖機以及檢定設備EGC-1C

心電圖機按照不同的分類方法可分為多種類型，例如模擬和數(shù)字心電圖機、單道和多道心電圖機等。心電圖機結(jié)構框圖如圖1所示[9]。

我院本次待檢心電圖機有多種類型，包括數(shù)字心電圖機，如北京福田FX-7202、光電9130P、北極麥邦的1206和1250C，另外還有模擬單道的心電圖機，如光電6511等。

圖1　心電圖機結(jié)構框圖

本次使用的心電圖機檢定儀為EGC-1C，是在EGC-1A、EGC-1B及EGC-1B98基礎上改進推出的新型智能化的心腦電圖機、心電監(jiān)護儀檢定機。EGC-1C可按國家計量檢定規(guī)程[10]對各類心腦電圖機、心電監(jiān)護儀以及除顫儀進行標準的檢定，并可提供超低頻信號及模擬心電信號用于其他測試。EGC-1C供電電源為220（1±10%）V、50（1±5%）Hz，平衡衰減器的衰減比為1/1 000，衰減比最大允許誤差為±0.3%，可以提供方波、正弦波、三角波和標準的心率信號等。

2.2工頻干擾對心電圖機檢定的影響

根據(jù)JJG 543—2008《心電圖機檢定規(guī)程》，心電圖機檢定的內(nèi)容主要有內(nèi)定標電壓、電壓測量、時間間隔、時標、幅頻特性、耐極化電壓、噪聲和共模抑制比8項檢定。

在進行內(nèi)定標電壓檢定時，檢定儀輸出1.000 mV的峰峰值、1.000 s的方波，心電圖機靈敏度設定為10 mm/mV，走紙速度為25 mm/s。在有效的工頻干擾屏蔽環(huán)境中，心電圖機輸出的方波較為準確，幅度變化較小。長期觀察僅有個別波形出現(xiàn)單個幅值的偏離，偏離大小約為1 mm，相當于0.1 mV，但是偏離現(xiàn)象出現(xiàn)的概率較小，通常十幾個周期中有1次。當導聯(lián)線和電源線布置不合理或者接近插排，心電圖機輸出的方波出現(xiàn)偏差的概率增大，2～3個方波周期中會出現(xiàn)1次偏差，甚至嚴重情況下單個周期中出現(xiàn)多個偏差或者方波出現(xiàn)連續(xù)的小幅抖動。圖2中給出了內(nèi)定標電壓檢定中理想方波、出現(xiàn)個別偏差以及嚴重干擾情況下的波形圖。

從圖2中我們可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)個別偏差的情況不會影響心電圖機的整體波形，因此在有效的屏蔽下，心電圖機在臨床使用中輸出的波形沒有過大的失真，不會影響對患者身體狀況的診斷。而圖2（c）右邊出現(xiàn)連續(xù)抖動的情況則已經(jīng)導致波形的失真，在觀察患者心電信號時，心電波形較小的幅度變化可能包含患者重要的疾病信息，由此說明工頻干擾嚴重時會導致無法從心電信號判斷患者身體狀況。

在幅頻特性檢定中，首先設定檢定儀幅度為10 mm，然后進入頻率調(diào)節(jié)狀態(tài)，改變正弦波輸出頻率。為了觀察心電圖機內(nèi)部在抑制工頻干擾的效果，波形頻率取從15～100 Hz間隔為5 Hz的18個幅度樣點。圖3（a）、（b）分別為在心電圖機開啟和關閉濾波功能時的幅度變化曲線。

從圖3可以看出，當檢定儀輸出信號頻率為50 Hz時，無論心電圖機是否開啟濾波功能，心電圖機顯示波形的幅度均為0。這說明心電圖機內(nèi)部包含工頻干擾抑制模塊，可以有效抑制工頻干擾對心電圖機使用的影響。

圖2　內(nèi)定標電壓檢定中不同情況下的方波波形圖

圖3　不同功能下心電圖機的幅頻特性

心電圖機內(nèi)有抑制工頻干擾的電路模塊，可以降低工頻干擾對心電圖機的影響，但是工頻干擾分布廣泛，在使用中應采取合理的措施將工頻干擾的影響降到最低。

3　工頻干擾以及抑制方法

在心電圖機檢定前和檢定過程中我們需要檢查電源的穩(wěn)定性、儀器插頭導線是否良好，并且將導聯(lián)線放置在檢定儀的屏蔽盒內(nèi)，使導聯(lián)線和電源線盡量遠離，盡可能地避免工頻干擾。因為對于高靈敏度儀器的檢定，如心、腦電圖機，容易受到電場磁場的干擾，進而影響儀器使用的準確度，嚴重時導致儀器數(shù)據(jù)過分偏離準確值。

上述操作可以避免工頻干擾的影響，下面詳細分析在儀器使用中如何抑制工頻干擾。工頻干擾形成的基本條件有3個：一是存在干擾源；二是干擾能夠進入系統(tǒng)；三是干擾能夠轉(zhuǎn)化為和信號相同的測量值。因此，抑制工頻干擾需要從其產(chǎn)生的3個基本條件著手，只要破壞3個基本條件之一，便可以消除工頻干擾對儀器使用的影響。下面根據(jù)工頻干擾的相關原理分析使用中抑制工頻干擾的措施。

（1）檢查電源穩(wěn)定性。穩(wěn)定的交流電源對儀器影響較小，如果交流電源不穩(wěn)定，使用中容易發(fā)生電流變化，進而產(chǎn)生交變磁場，形成干擾。在電源不穩(wěn)定的情況下，我們可以考慮使用性能較好的穩(wěn)壓電源，或是使用電池為心電圖機供電。

（2）對儀器或電源進行屏蔽。工頻干擾影響儀器正常工作主要是通過電場和磁場進入電路系統(tǒng)。通過對使用中的儀器或者電源部分進行屏蔽可以有效地防止工頻干擾通過輻射的方式干擾設備工作。如圖4所示，假設電源是帶電體，在周圍產(chǎn)生電場，電力線起于正電荷，終止于負電荷。當加上金屬屏蔽后，可以有效消除帶電體產(chǎn)生的電場，但需要將屏蔽接地，否則無法起到屏蔽效果。屏蔽體不接地，電源正電荷（+q）將在屏蔽體內(nèi)側(cè)感應出等量負電荷（-q），外側(cè)出現(xiàn)等量正電荷（+q），屏蔽體外部仍產(chǎn)生電場，因而無法起到屏蔽作用。

圖4　不同條件下的電場分布情況

（3）心電圖機和檢定儀有效接地。在對儀器或電源進行屏蔽中提到對屏蔽的接地，心電圖機和檢定儀在使用時均需要合理有效的接地。2種儀器接地點不一致，或是其中一種接地不到位可能導致工頻干擾影響檢定工作的準確性。

（4）導聯(lián)線的纏繞方式。導線引入的磁場干擾，干擾磁場經(jīng)過一定面積的輸入回路，感生出感應電動勢并與心電圖機檢定信號疊加形成干擾。采用有效的導線纏繞方式（如減少環(huán)路面積）可以有效降低工頻干擾對儀器的影響[11]。

（5）地環(huán)路干擾。心電圖機與檢定儀同時使用時，2種儀器有自己的接地點，2個接觸點間接地導線上產(chǎn)生電流壓降。抵抗地環(huán)路干擾的主要措施包括使儀器的輸入懸空，并要有較高的對地漏阻抗，導線與其屏蔽線應在信號源處接地，在接地機殼和浮置放大器之間接入保護屏蔽。

在對心電圖機和計量設備采用合理的屏蔽、接地和導線纏繞方式后，工頻干擾對設備計量檢定結(jié)果的影響大大減小。在心電圖機定標中，方波的整體波形較為平整，極少出現(xiàn)由工頻干擾造成的波形抖動和誤差。在幅頻特性檢測中，正弦波也沒有出現(xiàn)波形抖動，整體波形走勢平穩(wěn)，其他檢測環(huán)節(jié)中的觀測波形也并未出現(xiàn)嚴重的干擾現(xiàn)象。工頻干擾是很多電器設備使用中需要考慮的干擾因素，但是通過合理的電磁屏蔽和相關措施可以有效解決工頻干擾造成的影響。

4　結(jié)論

工頻干擾在心電圖機的檢定以及其他電子儀器的使用中是必須考慮的問題，會對醫(yī)療設備診斷的準確性產(chǎn)生影響。結(jié)合本次心電圖機的檢定，我們發(fā)現(xiàn)在儀器的使用中需要了解工頻干擾產(chǎn)生的原理以及對檢定過程的影響，并采取相應的措施抑制其影響。

為了減小工頻干擾對儀器使用的影響，一般的屏蔽手段可以起到一定的作用。例如在本文心電圖機的檢定中，首先要合理安排電源線和導聯(lián)線的位置關系，降低干擾源對系統(tǒng)檢定的影響，并且將導聯(lián)線置于檢定儀的屏蔽盒中，抑制工頻干擾進入檢定系統(tǒng)。

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（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

[中國圖書資料分類號]R318.6；TH772.2A

1003-8868（2015）05-0089-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.05.089

姚文坡（1987—），男，助理工程師，主要從事醫(yī)學信號處理和醫(yī)療設備方面的研究工作，E-mail:yaowen512@163.com。

210002南京，南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學工程科（姚文坡，毛靖寧，劉鐵兵）

劉鐵兵，E-mail:njbull@163.com