姚文坡，毛靖寧，劉鐵兵

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

心電圖機(jī)；工頻干擾；電磁屏蔽；濾波

0　引言

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

工頻干擾的抑制是當(dāng)前電子儀器使用中必須要考慮的問(wèn)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(chǎng)。抑制工頻干擾可以通過(guò)多種途徑[3]，例如在使用中合理安排信號(hào)導(dǎo)聯(lián)線和電源線之間的相對(duì)位置、對(duì)使用的儀器或電源進(jìn)行屏蔽，從硬件電路角度看，還可以設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的工頻干擾抑制電路降低其對(duì)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(shù)，如自適應(yīng)濾波、小波分析以及獨(dú)立分量分析[5-7]等對(duì)工頻干擾加以抑制。本文主要分析在心電圖機(jī)檢定中，如何通過(guò)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(guān)心電圖機(jī)和其檢定數(shù)據(jù)工頻干擾問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析。

1　工頻干擾

工頻干擾源為50 Hz工頻電磁場(chǎng)及其諧波，主要來(lái)自相關(guān)元器件的漏電流或漏磁場(chǎng)，屬于低頻干擾，在高頻測(cè)量中影響并不明顯。工頻干擾信號(hào)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(huì)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(yùn)動(dòng)有關(guān)，如熱運(yùn)動(dòng)、躍遷和復(fù)合等，而且頻率范圍較寬，波形無(wú)規(guī)則并且隨機(jī)[8]。工頻干擾頻率單一，即電網(wǎng)的50 Hz，干擾信號(hào)波形變化有一定的規(guī)律。另外，當(dāng)電源開(kāi)啟或是導(dǎo)聯(lián)線和電源線位置發(fā)生變化時(shí)，變化電流引起的磁場(chǎng)以及變化的磁場(chǎng)可以引起較為明顯的工頻干擾。

工頻干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的表現(xiàn)方式不同，例如在音頻檢測(cè)中出現(xiàn)點(diǎn)滴連續(xù)的噪聲，指針在小范圍內(nèi)抖動(dòng)，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(dāng)儀器設(shè)備線路發(fā)生變化或者設(shè)備接觸某些物體時(shí)，干擾信號(hào)幅度可能出現(xiàn)較大變化。

2　心電圖機(jī)檢定

2.1心電圖機(jī)以及檢定設(shè)備EGC-1C

心電圖機(jī)按照不同的分類(lèi)方法可分為多種類(lèi)型，例如模擬和數(shù)字心電圖機(jī)、單道和多道心電圖機(jī)等。心電圖機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[9]。

我院本次待檢心電圖機(jī)有多種類(lèi)型，包括數(shù)字心電圖機(jī)，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(jī)，如光電6511等。

圖1　心電圖機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

本次使用的心電圖機(jī)檢定儀為EGC-1C，是在EGC-1A、EGC-1B及EGC-1B98基礎(chǔ)上改進(jìn)推出的新型智能化的心腦電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀檢定機(jī)。EGC-1C可按國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程[10]對(duì)各類(lèi)心腦電圖機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀以及除顫儀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的檢定，并可提供超低頻信號(hào)及模擬心電信號(hào)用于其他測(cè)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(biāo)準(zhǔn)的心率信號(hào)等。

2.2工頻干擾對(duì)心電圖機(jī)檢定的影響

根據(jù)JJG 543—2008《心電圖機(jī)檢定規(guī)程》，心電圖機(jī)檢定的內(nèi)容主要有內(nèi)定標(biāo)電壓、電壓測(cè)量、時(shí)間間隔、時(shí)標(biāo)、幅頻特性、耐極化電壓、噪聲和共模抑制比8項(xiàng)檢定。

在進(jìn)行內(nèi)定標(biāo)電壓檢定時(shí)，檢定儀輸出1.000 mV的峰峰值、1.000 s的方波，心電圖機(jī)靈敏度設(shè)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(jī)輸出的方波較為準(zhǔn)確，幅度變化較小。長(zhǎng)期觀察僅有個(gè)別波形出現(xiàn)單個(gè)幅值的偏離，偏離大小約為1 mm，相當(dāng)于0.1 mV，但是偏離現(xiàn)象出現(xiàn)的概率較小，通常十幾個(gè)周期中有1次。當(dāng)導(dǎo)聯(lián)線和電源線布置不合理或者接近插排，心電圖機(jī)輸出的方波出現(xiàn)偏差的概率增大，2～3個(gè)方波周期中會(huì)出現(xiàn)1次偏差，甚至嚴(yán)重情況下單個(gè)周期中出現(xiàn)多個(gè)偏差或者方波出現(xiàn)連續(xù)的小幅抖動(dòng)。圖2中給出了內(nèi)定標(biāo)電壓檢定中理想方波、出現(xiàn)個(gè)別偏差以及嚴(yán)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(gè)別偏差的情況不會(huì)影響心電圖機(jī)的整體波形，因此在有效的屏蔽下，心電圖機(jī)在臨床使用中輸出的波形沒(méi)有過(guò)大的失真，不會(huì)影響對(duì)患者身體狀況的診斷。而圖2（c）右邊出現(xiàn)連續(xù)抖動(dòng)的情況則已經(jīng)導(dǎo)致波形的失真，在觀察患者心電信號(hào)時(shí)，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(shuō)明工頻干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無(wú)法從心電信號(hào)判斷患者身體狀況。

在幅頻特性檢定中，首先設(shè)定檢定儀幅度為10 mm，然后進(jìn)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(jī)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(gè)幅度樣點(diǎn)。圖3（a）、（b）分別為在心電圖機(jī)開(kāi)啟和關(guān)閉濾波功能時(shí)的幅度變化曲線。

從圖3可以看出，當(dāng)檢定儀輸出信號(hào)頻率為50 Hz時(shí)，無(wú)論心電圖機(jī)是否開(kāi)啟濾波功能，心電圖機(jī)顯示波形的幅度均為0。這說(shuō)明心電圖機(jī)內(nèi)部包含工頻干擾抑制模塊，可以有效抑制工頻干擾對(duì)心電圖機(jī)使用的影響。

圖2　內(nèi)定標(biāo)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(jī)的幅頻特性

心電圖機(jī)內(nèi)有抑制工頻干擾的電路模塊，可以降低工頻干擾對(duì)心電圖機(jī)的影響，但是工頻干擾分布廣泛，在使用中應(yīng)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(jī)檢定前和檢定過(guò)程中我們需要檢查電源的穩(wěn)定性、儀器插頭導(dǎo)線是否良好，并且將導(dǎo)聯(lián)線放置在檢定儀的屏蔽盒內(nèi)，使導(dǎo)聯(lián)線和電源線盡量遠(yuǎn)離，盡可能地避免工頻干擾。因?yàn)閷?duì)于高靈敏度儀器的檢定，如心、腦電圖機(jī)，容易受到電場(chǎng)磁場(chǎng)的干擾，進(jìn)而影響儀器使用的準(zhǔn)確度，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致儀器數(shù)據(jù)過(guò)分偏離準(zhǔn)確值。

上述操作可以避免工頻干擾的影響，下面詳細(xì)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(gè)：一是存在干擾源；二是干擾能夠進(jìn)入系統(tǒng)；三是干擾能夠轉(zhuǎn)化為和信號(hào)相同的測(cè)量值。因此，抑制工頻干擾需要從其產(chǎn)生的3個(gè)基本條件著手，只要破壞3個(gè)基本條件之一，便可以消除工頻干擾對(duì)儀器使用的影響。下面根據(jù)工頻干擾的相關(guān)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(duì)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(jìn)而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，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(jī)供電。

（2）對(duì)儀器或電源進(jìn)行屏蔽。工頻干擾影響儀器正常工作主要是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)入電路系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)使用中的儀器或者電源部分進(jìn)行屏蔽可以有效地防止工頻干擾通過(guò)輻射的方式干擾設(shè)備工作。如圖4所示，假設(shè)電源是帶電體，在周?chē)a(chǎn)生電場(chǎng)，電力線起于正電荷，終止于負(fù)電荷。當(dāng)加上金屬屏蔽后，可以有效消除帶電體產(chǎn)生的電場(chǎng)，但需要將屏蔽接地，否則無(wú)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(yīng)出等量負(fù)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(chǎng)，因而無(wú)法起到屏蔽作用。

圖4　不同條件下的電場(chǎng)分布情況

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

（4）導(dǎo)聯(lián)線的纏繞方式。導(dǎo)線引入的磁場(chǎng)干擾，干擾磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)一定面積的輸入回路，感生出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并與心電圖機(jī)檢定信號(hào)疊加形成干擾。采用有效的導(dǎo)線纏繞方式（如減少環(huán)路面積）可以有效降低工頻干擾對(duì)儀器的影響[11]。

（5）地環(huán)路干擾。心電圖機(jī)與檢定儀同時(shí)使用時(shí)，2種儀器有自己的接地點(diǎn)，2個(gè)接觸點(diǎn)間接地導(dǎo)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(duì)地漏阻抗，導(dǎo)線與其屏蔽線應(yīng)在信號(hào)源處接地，在接地機(jī)殼和浮置放大器之間接入保護(hù)屏蔽。

在對(duì)心電圖機(jī)和計(jì)量設(shè)備采用合理的屏蔽、接地和導(dǎo)線纏繞方式后，工頻干擾對(duì)設(shè)備計(jì)量檢定結(jié)果的影響大大減小。在心電圖機(jī)定標(biāo)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(dòng)和誤差。在幅頻特性檢測(cè)中，正弦波也沒(méi)有出現(xiàn)波形抖動(dòng)，整體波形走勢(shì)平穩(wěn)，其他檢測(cè)環(huán)節(jié)中的觀測(cè)波形也并未出現(xiàn)嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象。工頻干擾是很多電器設(shè)備使用中需要考慮的干擾因素，但是通過(guò)合理的電磁屏蔽和相關(guān)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(jī)的檢定以及其他電子儀器的使用中是必須考慮的問(wèn)題，會(huì)對(duì)醫(yī)療設(shè)備診斷的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。結(jié)合本次心電圖機(jī)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(duì)檢定過(guò)程的影響，并采取相應(yīng)的措施抑制其影響。

為了減小工頻干擾對(duì)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(jī)的檢定中，首先要合理安排電源線和導(dǎo)聯(lián)線的位置關(guān)系，降低干擾源對(duì)系統(tǒng)檢定的影響，并且將導(dǎo)聯(lián)線置于檢定儀的屏蔽盒中，抑制工頻干擾進(jìn)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(guó)圖書(shū)資料分類(lèi)號(hào)]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(xué)信號(hào)處理和醫(yī)療設(shè)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(xué)工程科（姚文坡，毛靖寧，劉鐵兵）

劉鐵兵，E-mail:njbull@163.com