心臟除顫器測(cè)試分析儀的電磁兼容設(shè)計(jì)

 除顫器是利用瞬間釋放的高能量脈沖電流，通過(guò)短暫的電擊去除心臟的室顫(VF)或房顫(AF)，并使其恢復(fù)正常心律的種有效的醫(yī)療救護(hù)儀器。顯然，除顫器的性能優(yōu)劣將直接關(guān)系到臨床急救的效果。作者研制的心臟除顫器測(cè)試分析儀，可對(duì)除顫器的各功能參數(shù)，包括放電能量、最大電流及電壓，同步觸發(fā)延遲時(shí)間、除顫器放電時(shí)間等進(jìn)行校準(zhǔn)檢驗(yàn)，且能模擬人體輸出多種心率、多種導(dǎo)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)心電波形以及檢定除顫器性能的特定波形，并兼有檢測(cè)與心電信號(hào)同步的除顫放電功能。

在除顫器測(cè)試分析儀的研制過(guò)程中，針對(duì)出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象，分析了干擾現(xiàn)象，分析了干擾產(chǎn)生的原因及干擾的特點(diǎn)，采取了一些抗干擾措施，通過(guò)應(yīng)用EMI(電磁干擾)濾波器，去除了放電脈沖在儀器內(nèi)部所產(chǎn)生的強(qiáng)烈干擾，使除顫器測(cè)試分析儀工作穩(wěn)定可靠，具有良好的電磁兼容性。

1 系統(tǒng)的基本原理及干擾特點(diǎn)

本儀器以飛利浦單片機(jī)80C52為控制核心，完成對(duì)除顫器各項(xiàng)功能的測(cè)試分析，并通過(guò)接口電路對(duì)分析結(jié)果分析顯示和傳輸，原理框圖如圖1所示。除顫器測(cè)試分析儀主要完成兩部分功能：(1)完成對(duì)除顫器放電能量的準(zhǔn)確測(cè)量;(2)準(zhǔn)確、穩(wěn)定地輸出各種心電波形及測(cè)試波形。為檢驗(yàn)除顫器的自動(dòng)除顫功能及其特性參數(shù)要求分析儀能輸出多種波形，包括具有多種導(dǎo)聯(lián)輸出的ECG(心電圖)波且幅值可調(diào)，同時(shí)輸出高幅值ECG信號(hào)、直流脈沖、方波、三角波、復(fù)合波、多種頻率的正弦濾以及多種心律的標(biāo)準(zhǔn)R波。各種波形的輸出通過(guò)數(shù)字合成，由程序產(chǎn)生的波形經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出，然后通過(guò)模擬電路變換成要求的輸出模式。放電能量的檢測(cè)是基于除顫器的高壓放電脈沖通過(guò)模擬人體阻抗的模擬電阻(典型阻值為50Ω)放電，經(jīng)衰減后送入可變?cè)鲆娣糯笃?，變?yōu)锳/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)，然后進(jìn)行處理和顯示。

根據(jù)對(duì)儀器的要求，除完成各項(xiàng)功能外，在對(duì)除顫器的放電進(jìn)行測(cè)試時(shí)，必須能夠承受由放電脈沖帶來(lái)的強(qiáng)烈干擾，不死機(jī)、不復(fù)位，在不采用干擾避開(kāi)法、系統(tǒng)智能復(fù)位法等措施時(shí)，程序仍能正常執(zhí)行。同時(shí)，由于儀器必須具有恢復(fù)放電脈沖波形的功能，測(cè)量模擬通道不能對(duì)放電信號(hào)采用濾波、浪涌阻尼等措施。這就對(duì)儀器的抗干擾性能提出了更高的要求。

系統(tǒng)的干擾源一部分是儀器內(nèi)部數(shù)字電路、供電電源所產(chǎn)生的干擾以及儀器外部空間輻射電磁波干擾;另一部分干擾來(lái)自除顫器的放電脈沖。其干擾具如下特點(diǎn)：

(1)電壓峰值高、能量大，最高電壓可達(dá)5000V，最大放電能量可達(dá)360J;

(2)放電時(shí)間短，除顫器放電脈沖時(shí)間僅為10ms左右，脈沖前沿時(shí)間約為2ms;

(3)放電波形復(fù)雜，對(duì)不同型號(hào)的除顫器，放電脈沖的形狀不同，有單向指數(shù)衰減型、雙向指數(shù)衰減型、單向截止型及雙向截止型等;

(4)干擾直接進(jìn)入儀器內(nèi)部。由于本儀器是便攜式儀器，模擬人體的50Ω電阻置入儀器內(nèi)，因此干擾產(chǎn)生于儀器內(nèi)部;

(5)干擾復(fù)雜。由于模擬人體的50Ω電阻所需功率大(該電阻一般為繞線電阻)，此電阻存在較大的分布電感及分布電容，放電脈沖經(jīng)該電阻必然產(chǎn)生較強(qiáng)的復(fù)雜干擾。

2 抗干擾設(shè)計(jì)及EMI濾波器的選用

干擾源產(chǎn)生的電磁干擾信號(hào)一般通過(guò)電容的靜電耦合、電感的磁耦合、公共阻擾的地電源耦合、電磁輻射感應(yīng)耦合等途徑傳播到被干擾的對(duì)象。由于強(qiáng)烈干擾源與測(cè)量控制電路置于同一機(jī)箱內(nèi)，彼此相距很近，故電磁干擾傳播要為近場(chǎng)感應(yīng)，即電容耦合、磁耦合。此外，公共阻抗耦合也是傳遞干擾的重要途徑，因此除了采用常用的軟件抗干擾措施(如空指令的使用、數(shù)字濾波等)外，還從以下幾方面進(jìn)行整機(jī)的電磁兼容設(shè)計(jì)，以解決干擾問(wèn)題。

2.1 抑制干擾源

為有效降低干擾源的干擾，模擬人體的50Ω大功率電阻采用無(wú)感電阻，在布線時(shí)充分注意減少由引線帶來(lái)的寄生電抗參數(shù)、合理分配放電采樣電阻的空間位置等，特別注意大電流通路的焊接質(zhì)量，以防接觸不良引起火花放電造成更強(qiáng)干擾;選用低頻率電路芯片可有效地降低噪聲，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.2 關(guān)于屏蔽層的設(shè)計(jì)

采用屏蔽的目的是為了在干擾的環(huán)境條件下保證系統(tǒng)信號(hào)傳輸性能。這種抗干擾措施可屏屏外來(lái)干擾，也可減少本身向外輻射能量。衡量器件傳輸性能的指標(biāo)是ACR值(衰減/串?dāng)_比)。非屏蔽線在ACR值符合要求的條件下，其傳輸帶寬和傳輸速率可以大大高于標(biāo)準(zhǔn)帶寬和標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率。但是當(dāng)信號(hào)以很高的速率在線路中傳輸時(shí)，由于受到外界的電磁干擾以及自身內(nèi)部的串?dāng)_，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤，降低系統(tǒng)的性能。所以系統(tǒng)中采用較低的速率傳輸數(shù)據(jù)，以增加系統(tǒng)的可靠性和安全性。

為了有效減少外界的電磁干擾，可以采用屏蔽措施。屏蔽分靜電屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽，靜電屏蔽要求可靠地接地。實(shí)際的屏蔽系統(tǒng)存在著一些必須注意的問(wèn)題，如接地方式、接地導(dǎo)線以及屏蔽的完整等。應(yīng)慎重選用屏蔽電纜，因?yàn)槠帘尾坏珪?huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)牟黄胶?，而且?huì)改變電纜的電容耦合，從而衰減增加，降低信號(hào)輸出端的平衡性。同時(shí)考慮到干擾源與測(cè)量控制電路在同一儀器內(nèi)，距離很近，若內(nèi)部用屏蔽層，且屏蔽未良好地連接時(shí)，增加的電容效應(yīng)將非常明顯。在于以上考慮，在系統(tǒng)內(nèi)部放電電阻與線路板及連接電纜之間，不采用屏蔽措施。但是對(duì)于塑料機(jī)殼的屏蔽必須仔細(xì)考慮，為降低外界電磁干擾，采用噴涂金屬屏蔽層，同時(shí)要求涂層達(dá)到一定的厚度且對(duì)縫隙、孔洞進(jìn)行泄露處理，特別注意可靠地接地。

2.3 抑制干擾的耦合通道及提高敏感電路的抗干擾措施

為了便于儀器安裝及簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，結(jié)合上述關(guān)于屏蔽與非屏蔽的分析，儀器內(nèi)部不采用屏蔽措施。為了解決干擾問(wèn)題，除了采取軟件及常用硬件抗干擾措施外，還采用多層線路板及EMI濾波器來(lái)增加儀器的抗干擾能力。

(1)基于電路原理，放電能量檢測(cè)電路采用差分有源衰減電路，使放電脈沖取樣電阻浮置，減少通過(guò)公共阻抗的電耦合傳遞的干擾。衰減電阻網(wǎng)絡(luò)采用多個(gè)精密金屬膜電阻，以提高衰減比例精度及減少電抗分布參數(shù)。

(2)線路板設(shè)計(jì)采用多層線路板，減小電磁干擾。合理安排器件分布，將信號(hào)采集及預(yù)處理部分、波形產(chǎn)生部分等與數(shù)字信號(hào)部分(如單片機(jī)控制單元、存儲(chǔ)器、擴(kuò)展I/O口等)從空間上隔離開(kāi)。此外，將電源產(chǎn)生部分集中在一個(gè)區(qū)域，使線路板平面盡量靠近儀器底板(底板為儀器外殼屏蔽)，起到多層板作用;合理布線，盡量減小回路面積，以減小射頻干擾;印制板上走線方向盡量避免突發(fā)，否則會(huì)導(dǎo)致阻抗的不連續(xù)和產(chǎn)生輻射，造成射頻干擾。由于儀器為便攜式儀器，必須采用低功耗CMOS電路。但由于CMOS電路輸入阻抗高，會(huì)引起很?chē)?yán)重的信號(hào)反射畸變，從而增加系統(tǒng)的噪聲，因此布線盡可能短，盡量減少過(guò)孔數(shù)目。

2.4 EMI濾波器的應(yīng)用

EMI電子元件品種很多，如電感尖、電容類(lèi)、壓敏電阻類(lèi)、LC組合件類(lèi)、常規(guī)EMI濾波器類(lèi)等。各類(lèi)又包含許多品種類(lèi)型，如帶鐵氧體磁珠的三引線圓片電容器、疊層片式浪涌吸收器、鐵氧體扼流圖等。

由于干擾屬近場(chǎng)干擾，干擾強(qiáng)烈且復(fù)雜。為此，濾波器必須安裝在線路板上，不但要對(duì)信號(hào)線采用EMI濾波器，在電源通常也采用EMI濾波器。為節(jié)省空間，采用焊接式安裝，同時(shí)為保證濾波性能，特別注意焊接工作。

選作濾波器時(shí)主要是確定濾波器的截止頻率。截止頻率的選擇必須保證濾波器的通帶能夠覆蓋有用信號(hào)的帶寬，保證設(shè)備的正常工作，同時(shí)最大限度地濾除不必要的干擾。為防止電磁輻射引起數(shù)字信號(hào)傳輸錯(cuò)誤、造成死機(jī)和復(fù)位等，在數(shù)字信號(hào)通道上接入抗高頻干擾的EMI濾波器。采用日本村田公司生產(chǎn)的帶鐵氧體磁珠的三引線圓片電容器DSS310系列EMI濾波器，其等效電路如圖2示，插入損耗與頻率的關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

針對(duì)模擬信號(hào)的抗干擾，也采用同類(lèi)EMI濾波器，只是在選擇截止頻率時(shí)保證大于信號(hào)的帶寬?？紤]由近場(chǎng)對(duì)公共線路所帶來(lái)的沖擊浪涌干擾，選用帶鐵氧體磁珠的三引線圓片壓敏一電容器型EMI濾波器DSS710系列，圖4為其對(duì)電源干擾的抑制特片和壓縮特性。壓敏電壓22V，電容量可達(dá)22000pF，加上鐵氧體磁珠的作用，其對(duì)電磁干擾的抑制頻率可以降低到3MHz以上，衰減大于20dB，且抑制頻率范圍明顯展寬。此類(lèi)濾波器用于系統(tǒng)各種電源通道中。

以惠普的CodeMaster除顫器為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行多次測(cè)試，并同時(shí)與瑞典METRON公司生產(chǎn)的除顫器分析儀QA-45進(jìn)行比對(duì)，其測(cè)試數(shù)據(jù)如表 1(QA-45在給定的測(cè)試范圍內(nèi)，精度為±2%)所示。僅以除顫器放電能量的性能指標(biāo)進(jìn)行分析，在低能量測(cè)試中(<50J)，誤差遠(yuǎn)小于2%;高能量測(cè)試中，誤差也能控制在2%之內(nèi)。經(jīng)連續(xù)多次的高能量的放電測(cè)試，證明系統(tǒng)具有良好的重復(fù)性及穩(wěn)定性，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的性能要求。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)表