心电图(ECG)安排六大寻事与处理计划

2020-02-16 08:46 shenhua

  )是一种常见的医疗记录,在许多恶劣的环境中,它也必须清晰可读并保持精确。无论是医院、救护车、飞机、轮船、诊所还是家里,干扰源无处不在。新一代高度便携式子系统越来越多地投入医院外应用,制造商面临着持续的降低系统成本并缩短开发时间,同时保持或提高性能水平的压力,这就给ECG设计工程师提出了相当严苛的要求:实现一种安全有效、能够应对目标使用环境挑战的ECG子系统。

  本文说明通常所认为的ECG子系统设计的主要挑战,并提供关于如何应对的各种方法建议。本文讨论的挑战包括安全、共模/差模干扰、输入动态范围要求、设备可靠性和保护、降噪以及EMC/RFI考虑。

  安全始终是ECG设计师的头号关注对象。设计师必须严防来自交流电源的电涌或过压,以及经过ECG电极的任何可能超过10μArms推荐限值的电流路径影响到病人和操作人员。在ECG子系统本身或其它与病人或操作人员相连的医疗设备发生故障时,可能出现危险电压或电流,ECG设计的终极目标就是确保病人和操作人员安全,不会受此类电压或电流伤害。

  开始ECG设计之前,工程师必须确定其临床应用及在哪里使用和存放设备。工程师必须评估所有可能导致电流施加于病人的设备误用情况和潜在外部连接。当施加的电流(吸入或流出)小于10μArms时,即使在单一故障条件下,操作人员和病人的安全也不会有问题。必须防止病人意外触电,并且保护ECG设备不受紧急使用心脏除颤器所产生的极端电压影响。

  ECG系统必须符合联邦法律、国际标准和相关国家/地区指令的要求。美国食品药品管理局(FDA)将医疗产品分为三类:I类、II类和III类。不同类别对产品设计和审批过程有不同的要求。例如,用于诊断心脏节律的便携式动态监护仪视作II类设备,带ECG子系统的心脏监护仪和除颤器则归为III类设备。

  设备所属的类别决定FDA批准上市所需的上市前备案/申请的类型,以及其他事项。如果设备归为I类或II类,并且不在豁免之列,则上市需要经过510k程序。所有归为豁免一类的设备须遵守关于豁免的限制规定。设备豁免的限制规定参见21CFxxx.9,其中xxx指862-892部分。对于III类设备,必须通过上市前审批申请(PMA)才能上市,除非该设备是一种在1976年医疗设备修正案通过之前即已上市的设备或等同设备,并且不需要PMA。在后一种情况下,设备可以经过510k程序上市。

  设备分类取决于设备的目的用途和使用说明。医疗设备还有三种分类或分级:B型、BF型或CF型,这些分类会影响设备的设计和使用方式。根据IEC60601-1,不同类型的设备适用不同的漏电流限制和安全测试。该IEC标准还将“应用部分”定义为医疗设备中与病人发生物理接触,以便医疗设备执行目标功能的部分。

  多数医疗设备归为BF型或CF型。BF型设备指的是与病人但不包括心脏发生传导接触的设备,CF型则专门指与心脏直接接触的设备和部件。建议ECG设计师将所有ECG应用都视为CF型III类系统。设计师无法控制ECG子系统如何应用于病人,如果病人可以通过某一点接触心脏,则设备必须归为III类,因为应用部分可能与心脏直接接触。所有心脏监护仪和除颤器都归为III类设备。

  人类心脏对50Hz至60Hz的电流最为敏感。已经证明,只要34μArms的50Hz/60Hz电流流经心脏,心脏就会受损,引发危害生命的事件。考虑到ECG系统与病人相连时可能执行的各种程序,包括针对起搏器/自动植入式心脏复律除颤器(AICD)的留置导尿等,目前的50Hz/60Hz电流限制设定为10μArms。在ECG设计中,无故障条件下的10μArms限值就是设计参数。美国心脏病学会(ACC)同时建议将10μArms的限制扩展到单一故障条件下。

  设计师必须检查电极之间、从电极到电路或从电极到大地的电流可能引起单一故障,导致电流超过10μArms的所有情形。这种源/吸电流与频率相关,但10μArms限值对应的频率范围是DC至1kHz。从1kHz到100kHz,电流水平随频率线kHz时,电流以1mArms为限。解决方案为在信号路径中放置电阻,以及/或者使用限流器件。ADI公司的器件可以协助保护病人安全。

  ECG测量心脏的电气系统产生的电压。与此同时,ECG子系统必须抑制环境电信号,如交流电源、安全系统和射频干扰(RFI)等,以便放大和显示ECG信号。共模电压不提供有关心脏的任何有用信息,实际上还可能影响测量精度。ECG系统必须能够在响应目标信号——差模ECG电压的同时,抑制共模干扰。在有小差分信号的情况下抑制大共模信号的能力,就是系统的共模抑制(CMR)性能。

  共模抑制可以通过多种方式来测量,本文讨论两种方法。第一种方法是将所有ECG电极连在一起,然后相对于ECG模拟前端基准电压驱动这些电极。对于单电源供电,该基准电压可以是RLD电极驱动的一个虚拟电压,它等于单极性电源电压与隔离地电压的中间值。这种情况下,共模抑制等于输出电平与输入电平的比值(20×log(VOUT/VIN)),VIN为施加的共模电压,VOUT为特定目标导联上的电压。要查看导联II的共模抑制,须相对于右腿驱动引脚将电压施加于所有电极输入端(如果这代表了ADC或RLD基准电压的中间值),并且将设备设置为显示导联II。导联II显示的电压为VOUT,施加的电压为VIN。

  另一种测量共模抑制的方法是将所有电极连在一起,相对于大地驱动这些电极。同样,共模抑制的定义是20×log(VOUT/VIN),其中VIN为共模驱动信号,VOUT为特定目标导联显示的信号。

  这部分子系统设计和器件选择要求模拟人体对象、交流电源的环境耦合、进入和经过病人的输入RFI,以及它对ECG放大器共模信号抑制性能的影响。输入RFI可以通过多种方法消除,包括差模和共模滤波、环境屏蔽以及算法。

  图2显示一个传统的高频低通滤波器网络,它易受C1A、C1B和C2值之差的影响。图3显示一个集成X2Y电容实现方案,由于X2Y结构和设计的特性,其性能更高。

  专用ECG设计师应当模拟潜在的环境,从而不仅确定交流电源共模信号,而且确定在ECG电极连接到病人时可能到达ECG电极的其它共模和差模信号。为保护除颤器,多数ECG电缆都嵌入有保护电阻。这种影响,加之电缆电容的差异和前端EMI滤。