便攜式心電監護儀前置放大電路和抗干擾的設計（二）

2.4 數字電路與模擬電路的隔離處理

對于便攜式監護儀來(lái)說(shuō)，它是由數字電路和模擬電路混合構成的。因此在布線(xiàn)時(shí)就需要考慮模擬部分與數字部分互相干擾的問(wèn)題。 數字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強。對信號線(xiàn)來(lái)說(shuō)，高頻的信號線(xiàn)盡可能遠離敏感的模擬電路器件；對地線(xiàn)來(lái)說(shuō)，整個(gè)PC B對外界只有一個(gè)結點(diǎn)；在PC B板內部數字地和模擬地實(shí)際上是分開(kāi)的，只是在PC B與外界連接的接口處，數字地與模擬地有一點(diǎn)短接。屏蔽珠又稱(chēng)抗干擾珠、電磁/射頻干擾抑制器，它具有很好的抗高頻干擾作用，在電子線(xiàn)路中可用來(lái)屏蔽連線(xiàn) 和電纜中的傳導性干擾。在這里，我們選取6.8LH的屏蔽珠來(lái)隔離模擬和數字的電源。

2.5 元件的布局和PCB板的設計

在PCB板中，包含多種類(lèi)型的電路，有小信號的模擬電路、高速數字電路、高頻的GPRS信號等。為了避免各部分電路中信號相互耦合而產(chǎn)生干擾， 對不同類(lèi)型的電路部分進(jìn)行分離布局是PCB板設計的一個(gè)基本原則。各部分之間不僅應保持相當距離，還要分開(kāi)走線(xiàn)。

電源系統的布線(xiàn)包括電源線(xiàn)V_DD和地線(xiàn)V_SS的布線(xiàn)，是系統抗干擾的一個(gè)重要部分。V_DD和V_SS應盡可能擴大面積，以防止因電磁能量較強而產(chǎn)生電磁干擾能量的發(fā)射，這也是保證高頻信號到地之間具有低阻抗的措施。

2.6 對模擬電路加屏蔽的技術(shù)

微弱的心電信號埋沒(méi)在周?chē)鞣N頻率的電磁場(chǎng)在人體內感應出的干擾信號中，而這些干擾信號的感應電壓都是通過(guò)人體和導聯(lián)線(xiàn)與干擾源的耦合電容或電感在起作用。加上GP RS的高頻信號對送入A/ D的模擬小信號會(huì )產(chǎn)生相當大的影響。

所以，除了將模擬電路部分和數字電路部分分離布局以外，還要對模擬電路部分加上屏蔽罩。

3 抗干擾軟件設計方案

當隨機干擾信號混入輸入信號時(shí)，可以采用模擬濾波器來(lái)濾除信號中無(wú)用的成分，以提高信號的質(zhì)量。但是模擬濾波器在低頻和甚低頻時(shí)實(shí)現起 來(lái)是比較困難的，而數字濾波器則不存在這些問(wèn)題。它具有高精度、高可靠性和高穩定性的特點(diǎn)，因而被廣泛地應用于克服隨機干擾引起的誤差。數字濾波器的數學(xué) 運算通常有兩種實(shí)現方法。一種是頻域法，即利用FFT快速運算辦法對輸入信號進(jìn)行離散傅立葉變換，根據所希望的頻率特性進(jìn)行濾波。另一種方法是時(shí)域法，這 種方法是通過(guò)對離散抽樣數據作差分數學(xué)運算來(lái)達到濾波目的的。由于該方法簡(jiǎn)單易用，適用于實(shí)際應用。數字濾波器依據沖激響應的寬度劃分為有限沖激響應濾波器（ FIR）和無(wú)限沖激響應濾波器（IIR）。由于無(wú)限沖激響應濾波器具有無(wú)限記憶和運算項數較少的特點(diǎn)，并且對于相同階次的數字濾波器而言， IIR具有更高的精度。故為了在保證濾波質(zhì)量的前提下提高速度，我們采用IIR濾波器。

3.1低通濾波器的設計

通過(guò)使用低通濾波器，我們希望能夠濾除高于EC G頻率范圍的高頻部分。我們選取的采樣頻率為fs=200Hz，所以T = 5ms.根據ECG的頻率范圍，我們選取截止頻率fc=99Hz，根據低通濾波器設計數據表，我們選取通帶最大衰減寬度rp =0.1dB，選取阻帶最小衰減rs =60dB，階數n=4.根據Matlab的設計結果，得出算法程序的公式：

3.2帶阻濾波器的設計

通過(guò)實(shí)驗發(fā)現，單獨依靠模擬帶阻濾波器來(lái)消除50Hz工頻干擾，效果是不理想的。為此，我們再采用數字濾波器來(lái)消除工頻干擾。我們選取 的采樣頻率為fs=200Hz，所以T=5ms.在這里，我們同樣采用橢圓函數濾波器。首先，設計橢圓函數濾波器的階數。選取通帶截止頻率w_p1=45， w_p2=55，阻帶截止頻率為w_s1= 49.8， w_s2= 50.2.選取通帶最大衰減寬度rp = 0.1dB，選取阻帶最小衰減rs =60dB.根據Matlab的設計結果，得出算法程序的公式：

量相同的腔體組成，兩腔體間有一個(gè)復合材料做的高彈性隔膜，隔膜在水壓作用下可左右伸展，腔體各有一進(jìn)出水口連接 三通電磁閥，三通電磁閥控制切換容量室內透析液的進(jìn)出。如圖2a所示工作時(shí)，電磁閥V 1中下端相通，水在脫水泵驅動(dòng)下進(jìn)入A室，隔膜向左伸展A室容量增大，同時(shí)電磁閥V2上下端相通， B室中的水在A(yíng)隔膜的擠壓下排出B室，經(jīng)過(guò)送液傳感器。送液傳感器用以監測容量室透析液的流動(dòng)，當檢測到容量室排盡時(shí)，發(fā)出控制信號切換電磁閥V1、V 2的工作狀態(tài)（如圖2b） ，電磁閥V 2中下端相通，水進(jìn)入B室，隔膜向右伸展，同時(shí)電磁閥V 1上下端相通， A室中的水排出。送液傳感器重新檢測到流量，直至容量室排盡再次切換V1、V 2工作狀態(tài)。在容量室的容量固定的情況，送液傳感器對電磁閥切換進(jìn)行計數即可精確的計算出透析液的送液量。透析液經(jīng)送液傳感器進(jìn)入由流量控制閥與流量反饋 閥組成的平均流量控制單元，流量控制閥是一個(gè)三通可控閥，排出流量等于進(jìn)液量減去反饋量，只要控制反饋量大小即可控制透析液的平均流量，流量反饋閥由直流 電機控制，精度為？ 5ml/ min，透析液的平均流量在（ 400~ 600） ml/min連續可調。當A液監測傳感器監測的透析液電導度及溫度監測值在設定范圍內時(shí)，旁路三通電磁閥V14左右端相通，電磁閥V15打開(kāi)，透析液進(jìn)入透析器，與血液進(jìn)行離子交換后的廢液從透析器另一端流出，經(jīng)過(guò)濾器、V15、透析壓力傳感器進(jìn)入漏血檢測器。漏血檢測器是紅細胞探測 器，防止當透析器中的透析膜破裂后透析液進(jìn)入血液，保證治療安全。

檢測靈敏度可調范圍為（ 200~ 1000） ppm，即1L透析液中只要混有（ 0.2~ 1） ml的血液，檢測器就可以檢出并發(fā)出報警。透析液壓力傳感器用以監測透析液壓力，防止透析壓力過(guò)高造成透析膜破裂，危及透析安全及影響治療效果。

流出漏血檢測器的透析廢液經(jīng)負壓泵進(jìn)入脫氣室，廢液中混入的空氣集于密閉的脫氣室上方，脫氣室內浮動(dòng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)電磁閥V8排出空氣，保證了排液容量室流量精 度。透析廢液經(jīng)排液容量室、排液傳感器、POD（ Pressure Offset Device）、熱交換器排出機器。負壓泵是個(gè)直流可調速泵，根據設定的病人脫水速度（ 0~ 5.99L/ h）控制泵轉速，控制電壓在8V~ 21V ，泵前壓力即透析液壓力從70mmHg到- 400mmHg.排液容量室和排液傳感器的結構原理與送液容量室和送液傳感器相同，可精確計算出透析廢液的排液量。病人的實(shí)際脫水量等于排液量減去送液 量，只要精確控制負壓泵的轉速，即可控制病人的脫水速度及總的脫水量，脫水精度達到？ 30ml/h.壓力補償裝置PO D的一端通過(guò)電磁閥V 7與病人的靜脈壓力檢測口相通，是為防止由于病人靜脈壓波動(dòng)引起跨膜壓TMP（ Transmembr ane Pressure）波動(dòng)過(guò)大，影響脫水精度。熱交換器是利用排出的廢液溫度對進(jìn)入透析機的反滲水進(jìn)行預熱。

在消毒、酸洗狀態(tài)時(shí)，主水路工作狀態(tài) 不變，只是旁路三通電磁閥V14右上端相通，電磁閥V15關(guān)閉，水流不進(jìn)入透析器起到一個(gè)安全防護作用。將A液和B液的吸管分別插入各自的沖洗腔，電磁閥V9、V10、V11打開(kāi)，消毒液、酸洗液在A(yíng)液泵、 B液泵的作用下經(jīng)V9、V 10、V11、AB液沖洗腔進(jìn)入主水路，對整個(gè)水路系統進(jìn)行消毒及酸洗。

在/清洗0狀態(tài)時(shí)，主水路工作狀態(tài)同 /消毒0狀態(tài)，只是將A液、B液、消毒液、酸洗液的吸管分別插入各自的沖洗腔，電磁閥V9、V10、V11打開(kāi)， A液泵和B液泵反轉，水由主管路經(jīng)A B液沖洗腔、V9、V10、V11、消毒液沖洗腔、酸洗液沖洗腔、單向閥、由出水口排出機器，在對整個(gè)水路清洗的同時(shí)，也清洗了吸管和沖洗腔。

JM S S DS- 20血液透析機的水路系統與其它品牌的血透機（如Fr esen ius費森尤斯、Nikk iso日機裝等）相比，最大的特點(diǎn)是取消了超濾泵，由負壓泵同時(shí)完成負壓脫氣與超濾功能，配合進(jìn)出液容量室及POD精確控制超濾，簡(jiǎn)化了水路系統，降低了 機器成本，但實(shí)現了同樣的功能。

4結束語(yǔ)

作為便攜式監護儀器，硬件結構簡(jiǎn)單、體積便于攜帶是其自身固有的特點(diǎn)。本文針對這些特點(diǎn)，提出了采用單極性供電方 式實(shí)現前置放大電路的設計思想，同時(shí)也論述了心電信號抗干擾的設計方案。本文著(zhù)重介紹了抗干擾的硬件解決方案，而要滿(mǎn)足便攜式儀器的這些基本特點(diǎn)，軟件抗 干擾解決方案的重要地位則是不可忽視的。為此，我們把這一部分放在以后的心電信號預處理中加以詳細介紹。