医用测量设备抗干扰技术探讨

2012-09-12王燕妮李传伟

中国医疗器械信息 2012年12期

关键词：信号线干扰信号屏蔽

王燕妮李传伟

1威海市立医院（威海 264200）

2威海职业学院（威海 264210）

从事医疗测量设备开发的技术人员和使用医疗测量设备的医护人员，都知道干扰信号是影响测量结果的主要原因。对于测量中出现的各种无用信号我们称之为噪音，它对正常的有用信号的

1.医用测量设备常见干扰

传输进行扰乱，使得测量出现误差。对此我们可以采取屏蔽、滤波等多种抗干扰技术来抑制噪声，因此医用测量设备的抗干扰技术十分重要。

1.1 常见干扰方式

通常干扰分为差模干扰、共模干扰和串模干扰。差模干扰就是线与线之间的干扰，如电源相线与中线之间的干扰。对三相电路而言，相线与相线之间的干扰也是差模干扰。差模干扰有时也称为常模干扰、横模干扰或对称干扰，这是载流体之间的干扰。共模干扰一般指在两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声，往往是指同时加载在各个输入信号接口段的共有的信号干扰，共模干扰是在信号线与地之间传输，属于非对称性干扰。串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的，串模干扰通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。

表1. 医用测量设备常见干扰

1.2 常见干扰种类

医疗测量设备常见干扰表现的形式很多，可以从持续期很短的尖峰干扰到电源的完全丢失，概括起来包括自然干扰和人为干扰，常见干扰如表1所示。

1.3 干扰对医疗测量仪器设备的影响

各种与人体直接接触的医疗测量设备，如心脑电图机、监护仪、超声诊断仪等，是直接检测人体生物电信号的仪器设备。由于测量信号非常微弱，受到干扰就会在检测结果上产生似于某些病变的畸变造成误诊，同时还会引起微电击，严重时还有生命危险。对于带有计算机系统的测量仪器，当共模干扰中的尖峰干扰幅度达到2V～50V，时间持续数微秒时，可引起计算机逻辑错误、信息丢失等。强磁场会使显像管、X线影像增强管显示图象变形失真，加速器射线偏移，计算机磁盘记录数据破坏，呼吸机工作失灵，心脏起博器工作失效等。

2.提高医用测量设备的抗干扰能力

2.1 医用测量设备电路设计要合理

测量设备电路要选择合适的工作点，这样干扰就会小，如图1所示。在电路中接入R3和电容C，因为流过R1和R2电流较大，从而产生低频噪声较大，C的接入是将此噪声短接入地；而R3的接入避免基极信号短接入地，R3上的低频噪声干扰就不能加V管基极，故产生的低频噪声干扰就很小。

2.2 选择的元器件噪声要低

采用稳压二极管做电源在使用时，应选用齐纳稳压二极管，并在稳压管两端并接一个大电容，这样部分干扰信号可以通过电容接入大地，能够进一步减小干扰信号，进一步减小电源干扰信号对电路的影响。同样还可以选用温度系数较小的元器件或无电感器件等来抑制干扰信号。

图1. 噪声干扰消除电路

图2. 电源滤波电路原理图

图3. 电磁干扰形成

2.3 选择适宜的滤波器

合适的滤波器在电路中能够减小电路的干扰信号，对于电路中的电源噪声干扰就可以采用滤波器滤除干扰信号。正常频率在100Hz，当频率较大时意味着出现故障了，干扰信号也就随之增大，就需要滤除干扰噪声信号，如图2所示，只有进行RC滤波，才能为A1、A2提供电源。

2.4 滤除寄生耦合干扰

我们知道电源内阻不可能为零，因此电路中的各种信号通过电源内阻R0时会产生压降。这个交流压降信号会随直流送到各级电路中，产生寄生耦合，寄生耦合在电路中能够形成正反馈，对于电路中的储能元件，还会形成振荡。为了防止寄生耦合的干扰，可以采用RC滤波电路。当电路工作频率较高时，则可采用LC滤波电路来滤除寄生干扰。在每级电路的大容量电解电容旁边并联一个相对较小的非电解电容，在高频时能够形成较大的阻抗，可消除寄生电感产生的干扰。

2.5 减小电子仪器内的配线干扰

医疗测量仪器内部的配线包含电源线、信号线、控制线等，不要捆扎在一起，防止互相产生干扰。对于电磁感应来说，尽量将导线远离强电设备及动力网，调整走线方向及减小导线回路面积都是必要的，调整走线方向以及两信号线以短的节距绞合，干扰电压就能降为原有的1/10～1/100；对于静电感应来说，当把两信号线采用双绞合的形式绞扭且使两根信号线到干扰源的距离大致相等时（常把导线绞成为直径20倍的节距），就能使信号回路所包围的面积大为减小，使电场通过在两信号线上的感应耦合进入回路的串模干扰电位差大为减少。

2.6 屏蔽电磁干扰信号

电磁干扰多来源于空间电磁耦合形成，有静电干扰和电磁干扰。干扰源通过分布电容产生干扰信号，电容值越大，产生的干扰就越大。对于弱信号的测量，信号引线要尽量短，尽量减小分布电容和寄生电感。电磁干扰是干扰源与被干扰源器件之间耦合产生，如图3所示。有外部电磁干扰和测量仪器内部器件产生的干扰，仪器内部带磁芯的电感和变压器等都是重要的干扰源，对电磁干扰最敏感，为减小电磁干扰，要对电磁敏感器件进行屏蔽，如把干扰源置入用金属做成的屏蔽盒内。对于线路中的高频振荡电路，也可加装屏蔽盒来抑制干扰。

2.7 医疗测量设备的接地

医用测量设备的接地电阻要小，一般接地电阻应不大于0.1～0.3Ω，这样可以确定基准电位并且能保护操作人员避免触电。接地点选择不当就会使接地点电位发生变化，如果线路的接地阻抗较大，则信号电流流过该阻抗时将会产生压降，使电路基准电位发生变化。另外两个以上接地点很容易形成闭合环路，两接地点间电位差和对环路的电磁感应使环路中出现电流从而产生电压降，也会使电路中的基准电位发生变化。因此要抑制接地不当引起的干扰，就要减小接地阻抗，避免接地回路出现电流，可采用一点接地和并联接地的方法。对于高频信号电路要求就近接地，减小接地感抗，接地线过长容易产生振荡，改变基准电压值。

3.强场源下的医疗测量设备抗干扰技术

在辐射环境下干扰信号都比较强，所产生的强电场、磁场、辐射效应、电磁现象等形成复杂干扰信号和对地电流，严重地影响着医疗测量设备的正常工作。

3.1 测量系统内部抗干扰技术

在强场源下的测试仪器为了尽可能减小干扰，应该在电路的输入级采用限幅、钳位保护电路和门控自锁电路等，图4就是门控自锁电路，当被测试信号被系统接收后通过了门电路，此时门电路被控制信号控制而关闭，干扰信号就被隔离从而达到抑制干扰的目的。

在强场源环境下，要把测试信号传输到接收记录端，需要对测量设备内部的线路进行选择和信号处理，把模拟信号变成抗干扰强的数字信号进行传输。

3.2 测量设备外部抗干扰技术

在强场源下干扰信号非常大，容易形成很强的电磁干扰。因此对于传输电缆需要进行屏蔽，通常可以采用双屏蔽电缆，内屏蔽金属网悬挂，外屏蔽金属网接地，这样可以很好地减小干扰。对于测量设备探头和仪器的连接部分是产生干扰的主要部分，因此可以将仪器设备放置在一个具有屏蔽性好的金属壳体内，而且探头和仪器连接部分要采取抗干扰措施，如采用屏蔽网来泄漏地电流等产生的干扰，屏蔽层需要接地。

3.3 强场源下接地抗干扰技术

对于强场源下的接地电阻应该越小越好，电缆外部屏蔽网要尽可能一点接地，尽量不要出现多点接地，因为在强场源下两点接地会有强电流流过，产生很大的电位差，会使传输信号的基准电位发生变化，产生干扰信号，使得最终结果产生误差。

3.4 光电耦合技术的应用

利用光电耦合技术在强场源下进行信号的传输，就是利用发光二极管把电信号转变为光信号，通过光缆或光纤进行传输，接收器再经光电转换，把光信号转换成电信号。因为信号是通过光进行传输的，不存在电平比例关系。在进行数字信号传输时可以采用光电耦合技术，并且能够有效地抑制干扰。