一种新型的抗电刀干扰心电采集模块

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本文提出了一种抗电刀干扰的高集成度心电采集模块的实现方法。该模块已作为心电OEM模块应用于多参数监护仪中。

    引言

    随着现代医学和仪器技术的快速发展，先进的医疗仪器设备得到了广泛的应用。如在手术室中，医生用高频电刀对病人进行组织切割和凝血，而同时还通过多生理参数监护仪实时监测病人的病情和发展趋势，以便根据情况及时进行有效的处理。电刀使用时，其所产生电气干扰会通过身体的传导和辐射等多种途径进入心电采集模块，使心电波形的数据严重失真，心率计算发生错误，严重影响监护仪的心电监测性能。现代的监护仪的发展趋向于模块化、小型化和智能化，本文根据市场需求提出了一种抗电刀干扰心电采集模块的实现方法，与传统心电采集模块相比，在性能相当的情况下，模拟电路大为缩减，功耗降低，体积减小，适应了模块设计中小型化、单片化、硬件软件化的发展趋势，具有很高的性价比。

    心电采集模块采用ADI公司的微控制芯片ADmC847作为核心，它具有8通道高精度的24位S-D型ADC，整合了片内参考电平、电源管理、与2通道12位高精度DAC，支持ISP在线调试，外接32kHz晶振，通过锁相环可工作在12MHz下。片内还集成有62k字节的FLASH与8k字节的SRAM，片上外设资源包含有UART、SPI、双I2C串行接口、3个定时器、看门狗和PWM。心电信号的检测利用微控制芯片内集成的ADC进行的；液晶接口可以外接液晶模块来进行独立使用时的心电波形显示；RS-232接口作为数据和程序传输接口，可以进行IAP和采样数据上传。
　　
   模拟电路设计

    模拟电路是模块中直接与人体连接的电路，主要负责原始信号的调理。对于本文提出的心电模块，其主要的要求是在处理过程中对电刀产生的干扰有足够的抑制作用而同时保证心电信号不失真。心电模拟电路中常用的用来防止静电、电除颤对器件损坏的保护电路，由于其设计方法比较成熟，本文并未涉及。

   无源线性网络设计

    电刀相当于一个变频变压器，它的输出电压极高，并通过高电流密度使细胞气化或干化以达到切割或凝血的目的。如美国Valleylab的Force FX型高频电刀，当工作在单极凝血的喷射式凝血模式时，输出的峰值电压可高达9000V。为了抑制电刀的高压高频干扰，模块模拟部分的最前端为一个无源线性网络，电刀产生的干扰主要以传导的方式进入心电采集模块，共模干扰和差模干扰同时存在。网络为对称式结构，两路人体心电信号V11、V12分别输入到对称的两个输入端，大时间常数的阻容组合R3、C1、R4、C2用来衰减电刀产生的差模干扰，而R1、R2、C0则用来对共模干扰进行抑制。由于电路工作环境的特殊性，器件选取时需要综合考虑系统的输入阻抗、阻容的极限参数和衰减特性。在不使用电刀时，由于心电信号在滤波器的通带范围内，心电信号几乎无衰减的进入并联差动放大器，而在电刀开启后，由于其工作频率远高于滤波器的截止频率，因而可以把它衰减到不足以影响后续电路的正常工作。滤波电路均采用无源线性元件电容和电阻，避免了非线性失真的引入。同时，无源线性网络还采用了共模驱动技术，通过电阻R1、R2提取共模信号来驱动后级及右腿驱动电路，防止由于阻容元件的不匹配造成共模干扰转变为差模干扰，以提高共模抑制比。用仿真软件multisim2001对电路进行幅频分析可见其良好的低通特性，在500kHz可以达到-80dB衰减。

    放大电路

    心电测量中，电极与人体皮肤表面接触形成的半电池会产生极化电压，它缓慢变化，表现为很低频的噪声信号，国家标准中规定极化电压最大为300mV，远大于心电信号。传统的心电采集模块设计中，由于采用的往往是精度比较低的逐次逼近型ADC，为避免放大器的饱和，采用了前置多级放大，并在中间加入了时间常数电路去除极化电压，继而对信号进行交流放大。由于放大器的输入端存在寄生二极管或保护二极管，当电压发生突变时，电容两端的电压不能发生突变，电流就会通过二极管和电阻对电容充电。国家标准中要求时间常数电路的时间常数不小于3.2s，所以当放大器的输入端受到瞬间大脉冲的干扰(如电刀的启停)或导联切换时，很容易会出现堵塞现象，这使得放大器需要很长时间才能使基线恢复到正常位置。另一方面，心电信号取自两个标准导联，如果以双端模式输入到ADC，则理论上其共模增益为0，即共模抑制比为无穷大。而采用了传统的前置放大电路后，由于将双端信号转换成了单端信号，电路的共模抑制比下降了，而且还受到后级仪用放大器性能的制约。上述传统电路的缺陷在本模块中均得到了克服。

    本文中的心电模块利用了ADmC847中集成S-D型ADC，它具有24位的高分辨率、108Ω的输入阻抗及差动输入模式，通道前端含有PGA(程控增益放大器)，可以通过编程设置合适的输入范围。由于具有了足够的分辨率，同时PGA可以保证信号占有足够的动态范围，所以原始信号基本不需要放大，或仅需要进行低倍的直流放大，即无需加入时间常数电路，这样就避免了放大器的堵塞。据此，本模块中放大电路只包含了一个有两个运放组成的并联差动放大电路，结构极为简单。无源线性网络的输出接至放大电路的输入端，经过低倍放大后以差分模式输入到ADC中。在高分辨率的24位采样结果中，通过软件去除高位中极化电压的影响，提取低位有效位的心电信号，恢复心电波形。这样与传统心电采集模块相比，虽然增加了一部分的软件处理量，但是以现有高性能的MCU处理速度来看，还远没有达到其处理极限。而与此同时，模拟电路部分的缩减，却带来模块体积和功耗的降低和稳定性的提高。

   右腿驱动电路

   工频(50Hz)干扰是心电测量中最重要的干扰。仅靠前置放大器的高共模抑制比还不足以抑制工频干扰，右腿驱动电路也是抑制工频干扰的有效方法。本模块采用人体共模电平信号(COM)与ADmC847 集成的DAC的输出信号通过运算放大器做差动放大，把放大后信号作为右腿驱动信号。该方法不仅可以抑制50Hz工频干扰，还可根据ADmC847检测到的心电信号适当调整人体电平，便于ADC采样。电路中同样加入了阻容滤波器，防止电刀的高频信号经过右腿驱动电路窜入放大器。
     数字电路设计

    ADmC847不仅具有丰富的数字资源可提供高达12M的运算速度，还具有良好的模拟接口，其高集成度极大的简化了心电模块的设计工作，为心电信号的实时监控和后续处理提供了保障。本设计中心电信号经过主ADC输入通道采集，采用全差分输入，双极性配置，输入缓冲使能且范围为±2.56V。采样数据可直接通过串口送至上位机处理，也可在模块内使用自适应相干模板法先进行软件滤波再上传。
　　
   IAP实现

    ADmC847提供了一种用户下载(ULOAD)模式，可以对其进行在应用编程(IAP)。通过在代码空间高6K字节空间上(位于用户程序存储器E000H—F7FFH)编写Bootloader，可以用我们自定义的协议将应用软件下载到程序空间的低56K上，而不需要模块硬件上有丝毫的改动。用户可以将模块串口与PC连接，利用我们提供的PC及软件，远程下载最新的软件，实现产品软件升级换代。

    结语

    本文介绍的心电采集模块是对传统心电模块电路结构上的创新，已经作为心电OEM模块应用于术中多参数监护仪中，也可以作为独立的心电模块进行术中心电波形的监视仪。实际应用表明，该电路以很少的元件数量、简单的电路结构实现了高性能的心电信号数据采集，同时对高频电刀干扰有很强的抑制作用，具有很高的性价比。利用产品集成的IAP技术，可以直接通过串口实现本地或远程下载、更新软件，降低了产品的维护成本。
　　
   参考文献：
   1. 杜娟，路宏敏，郭乃武等, 心电监护中的抗电刀干扰方法, 北京生物医学工程; 2003,22(3),220~222
   2. 李刚，林凌,新型的高性能生物电放大器,电子产品世界, 2002,11, 52~53
   3. ADuC845_7_8_a data sheet, ADI, 2004,6
   4. 李刚，林凌, 抗高频电刀心电监测模块，中国发明专利，专利(申请)号：200610013144.6.
   5. 林凌，李刚, 高精度采集微弱信号的方法与电路，中国发明专利，专利(申请)号：200610013461.8.