抗高频电刀干扰心电监护系统的研究与实现

维普资讯 http://www.cqvip.com 研究论著一　抗高频电刀干扰心电监护系统的研究与实现　刘　冰　王志中　王一抗　李　雷　（上海交通大学生命科学技术学院上海市　２００２４０）　摘要　电刀是现代手术中必备的电外科装置，然而电刀在使用时往往对监护仪器产生严重的干扰，影响对手术中病人的　实时监测，使得心电波形的显示严重失真，心率计算发生错误。在模拟电路方面提出了多种创新措施，有效地解决了电刀　干扰问题，可以协助医生准确快速地做出诊断。此外，针对医疗仪器中的残余调制工频干扰和基线漂移，除了使用数字梳　状滤波器之外，还创新地提出一种有效的滤波算法——带锁相环的自适应梳状滤波器。这种方法滤波利用锁相环对工频　信号及其倍频进行采样，不但节约成本、容易实现，而且可以跟踪电源频率，完全滤除工频干扰及其高次谐波。　关键词　电刀；信号处理；梳状滤波；自适应滤波；锁相环；　中图分类号：ＴＨ７７７；ＴＮ７９＋．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—８８６８（２００７）０３—０００１—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥＣＧ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｇａｉｎｓｔ　ｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｂｙ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｕｒｇｉｃａＩ　ｕｎｉｔ　ＬＩＵ　Ｂｉｎｆｌ，ＷＡＮＧ　Ｚｈｉ—ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙｉ—ｋａｎｆｌ，Ｌｌ　Ｌｅｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｌｉｆｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｍｏｄｅｍ　ｓｕｒｇｅｒｉｅｓ，ＥＳＵ　ｉｓ　ａｎ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｕｒｇｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ＥＳＵ　ｕｓｕａｌｌｙ　ａｆｆｅｃｔｓ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｔｉｅｎｔ．Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅｓｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｏｍｅ　ｎｅｗ　ｉｄｅａｓ　ｉｎ　ａｎａｌｏｇ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｂａｓｅ—ｌｉｎｅ　ｅｘｃｕｒｓｉｏｎ．ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｃｏｍｂ　ｆｉｈｅｒ　ｗｉｔｈ　Ｐｈａｓｅ—　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ（ＰＬＬ），ｂｅｓｉｄｅｓ　ｄｉｇｉｔｌａ　ｃｏｍｂ　ｉｆｌｔｅｒｓ．ＦｏＨｏｗｉｎｇ　ｔｈｅ￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｓａｍｐｌｉｎｇ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇｌｙ，ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｕｌｄ　ｅａｓｉｌｙ　ｃｌｅａｒ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｗｈｉｃｈ　ｃｏｕｌｄ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｒｅｄｕｃｅｄ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ＥＳＵ；ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｃｏｍｂ　ｆｉｈｅｒ；ａｄａｐｔｉｖｅ　ｆｉｈｅｒ；ＰＬＬ　１　电刀的工作原理和干扰特性　和对病情的判断。　随着医学技术的发展，先进的电子仪器在手术中得以广泛的应　２原理与方法　用。其中，高频电刀是手术中一种进行组织切割和凝血的必备仪器ｌｌｌ。　２．１　改进电路　高频电刀是一个大功率的变频变压器，它将２２０Ｖ／５０Ｈｚ的低压　改进电路的基本方框图如图ｌ所示。　低频电流经变频变压、功率放大转换为频率４００ｋＨ　１ＭＨｚ．电压为几　２．１．１　模块一　千甚至上万伏的高频电流。电刀工作时正常的电流环路是：电刀一手　模块一是直流逆变电源。如图２所　术切口一人体肌肉一电刀极板一电刀口。电刀的工作频率很高，通常　示。在普通的心电放大器里Ｔｌ、　两者　图１　电路基本框图　在５０ｏｋＨｚ～２ＭＨｚ，属于射频ＲＦ（ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，５００ｋＨｚ～１ＭＨｚ）范围，　是合二为一的。在这里接人一段双绕线，电源端绕２圈，　端绕一圈，　输出功率在３００Ｗ左右。通常调制频率为２０－－４０ｋＨｚ。占空比可调。　然后把导线双绞。这样做无疑提高了能量的损失。但也大大减少了电　然而，电刀的普遍使用也给我们带来一些麻烦。一般在手术室里　源电路高频磁场的干扰。导线的电阻值很低。从而使电源端产生的高　有很多敏感的电子仪器，高频电刀的使用和这些仪器之间不可避免地　频磁场在这里短路，同时还可以把电源和后方电路更有效地隔离开　产生电磁干扰。此外，和仪器的直接接触同样会造成干扰。使用电刀　来，提高仪器的安全性能。　时，通过电刀作用电极进入病人体内的电流通常都会干扰监护仪　２．１．２模块二　ＥＣＧ波形、呼吸波形的显示及参数的计算。干扰的程度由多方面因素　模块二是典型的　决定，包括电刀的输出功率大小、输出频率、作用电极的工作方式及其　抗高频电路，由电阻、电　如何与身体接触、作用电极与监护仪导联电极之间的距离和方位等。　容和电感组成．如图３　实际使用中，若手术部位在离心电检测电极较远的地方。如二　所示。由于电感可以产　四肢，对心电信号则没有明显的影响。但是在对病人进行开胸手术　生严重的电磁干扰．所　雷　时，监护仪的心电检测电极正好处于高频电刀的工作环路之中。漏　以对电感的放置要有屏　图２模块一电路图　电流通过检测电极进入监护仪的输入电路，对监护信号的接收和显　蔽，以避免电感间的相互干扰。我们做了１个带有３个暗格的屏蔽盒　示造成一定的影响，尤其是当电刀极板的导电性较差时。监护仪所　子，把电感放人相应的格子中，然后给电感接伏地。同时，整个模块电路　显示的心电信号会出现完全或部分失真，将影响监护仪的正常工作　放大前置之前的部分也要加以隔离，即图中虚线所示。为保证电路的屏　作者简介：刘冰，硕士研究生；王志中，教授，博士生导师，主要从事医学　蔽效果，这部分电路不但要接伏地，还要真实接地（图中所示为阴影的　信号处理、远程医疗方面的研究。本课题由国家“９７３”计划项目（２００５　接地信号）。　ＣＢ７２４３０３）资助。　为了提高共模抑制比，减少差模干扰，对于电感、电容、电阻真值　医疗卫生装备・２００７年第２８卷第３期１　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｍａｌ・２００７　Ｖｏｌ　２８　ＮＯ．３　Ｉ　维普资讯 http://www.cqvip.com 一研究论著　基卜ｌ　　Ｉ　图３模块二电路图　的选择要求也是很高的。它们之间的不对称，或是小小的误差都会产　生差模信号。　２．１．３模块三　尽管用了很多方法，但在电路中的差模信号是不可能完全避免的。　前级的差模小信号，还有系统内外的噪声，经过后面的放大后，会淹没　心电等有用信号，甚至偏离电路正常工作的线性饱和点。对于前者，有　经验的医生会辨别出有用的信号，但对后者要达到系统的稳定．要等待　很长时间．这就大大降低了工作的效率。针对这一问题，我们提出了模　块三．非线性自动增益模块（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＧａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏ１）．如图４所示。　翅霉警毫　图４模块三电路图　这块电路可以把超出范围的幅值迅速拉回到工作点。模块二的　高频电压（或是大的直流信号）传到模块三后，通过Ｄ１，Ｄ２，对正负电　压值进行检波，通过Ｒ１９传到ＩＣ３１。由Ｒ３０和Ｃ１８组成高频滤波器　对信号进行高频滤波，传到ＩＣ３２的１３脚。Ｒ３２和Ｒ３３中引出一个直　流电平，当１３脚电压高到一定时，与１２脚的信号组成差模信号传人　ＩＣ３２。当输出电压足够高时，ＣＭＯＳ门被打开，引入一个负反馈到　ＩＣ１４，从而降低环路增益。　总之　通过比较，若是没有超出限定电压值，电路正常工作。若是　超出限值，则进入调节反馈，使电压尽快稳定下来。继续正常的工作。　２＿２工频干扰的滤除　心电信号（ＥＣＧ）是心脏电活动在人体体表的表现．信号一般比较　微弱，为毫伏级，频率为０．Ｏ５—１０ｏＨｚ。在心电信号的采集、放大、检测等　过程中，有来自外界的各种干扰，其中以呼吸影响及电极与皮肤接触　滑动产生的基线漂移（基线漂移的原因有多种，其中由运动造成体表　电极与皮肤之间细微的滑动和硬件电子元件热效应造成参数变化是　主要原因）和５０Ｈｚ交流电及其多次谐波引起的工频干扰尤为普遍　。　现有的滤除工频的方法主要有软件方法和硬件方法。在硬件方面，工　频干扰是一种共模信号，可以设计高质量的前置放大器和良好的屏蔽脚以　及优秀的电源模块，减弱工频干扰对系统的影响。早期的仪器中主要采用　硬件电路设计的方法目，随着微处理器和微计算机的发展，数字滤波器已逐　渐取代模拟滤波器。如：Ｏｌｉａｅｉ等采用Ｓｉｇｍａ－－ｄｅｌｔａｔ￣Ａ／ＤＣ来提高带宽内　ＳＮＲ；美国Ａｎａｌｏｇ　ＤｅｖｉｃｄＶ２￣的一些芯片也采用　△技术。　最早采用的平滑滤波算法简单，处理速度较快．但通频带很窄，对　信号削弱很大；ＮＯＴＣＨ简单整系数滤波器大大简化计算过程，但由于　滤波延时较大，并且只能滤除固定频率，滤波效果受到一定限制：自适　，）医疗卫生装备・２００７年第２８卷第３期　厶　Ｃｈｉｎｅｓｅ　ＭｅｄｉｃａＩ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｊｏｕｒｎａｌ－２００７　Ｖ０１２８　Ｎｏ３　应滤波利用它在给定点的衰减为无穷大．其它频率部分保持不变的特　性来滤除干扰信号，对窄带干扰又十分有效的抑止作用，但需要参考　通道并且计算量巨大。Ｌｉ　Ｇａｎｇ￣等人提出了自适应相干模法可以抑止　工频干扰，滤除基线漂移，不足之处在于低频与窄带干扰信号输出的　抑止带宽必须相等，干扰频率在小范围内渡动时难以兼顾。　２．２．１　数字梳状滤波器　数字梳状滤波器是一种结构简单的窄带滤波器，突出的特点在于　其计算量小，响应时间十分迅速．很适合实时系统。所需控制的频率　在Ｚ平面上的零点，从而对陷波频率能够完全抑制，传递函数【１］为：　日（ｚ）＝上　１一ａｚ　其中，ａ＝－Ｉ一１／ｋ，ｎ＝２￣ｒｌＴｗ，ａ的取值越靠近１，带宽越窄衰减速度越大，　但是相应的计算量也就越大。该滤波器的幅频响应和相频响应见图５　所示，图中取ｊ｝＝３２，采样率Ｆ￣－－４００Ｈｚ＇ｎ＝８；　式子中的　零点可以滤除　角频率为Ⅳ　和　ｋｗ　各次正弦谐　誊　堇誊　暑　｝　誊丰誊三　誊　波的干扰。从该　式的零极点图　（见图６所示）　可以看到，梳状　滤波器的零点　璺晕魁单　和极点很接近，一曲Ｐ）氆　雨罂　　所以滤波器在　０　０　０　ｏ　０　，驯』　—　ｍ　●　　一需滤波处可以　滤除无穷大，其　它的频率成分　基本保持不变．　正是我们滤除　工频所需要的。　以实践为　例：图７为原始　心电信号，图８　是加上５０Ｈｚ干　扰信号后的心　－　　ｌ一　ｆ　图７原始心电信号频率的波形　图８有５０Ｈｚ干扰的心电信号波形　维普资讯 http://www.cqvip.com 电信号，滤波器滤噪结果如图９所示。　图９滤波器滤除干扰的过程　可以看到，在１　０００点以后．数字滤波器基本把５０Ｈｚ干扰信号滤　除，重现原来的心电信号。但是这种数字梳状滤波器会把零点的直流　分量一并滤除。有些情况下，零点处的直流分量是一个重要的信息，　要保存这些信息．可以用下面的自适应滤波器。　２．２．２带锁相环的自适应滤波　自适应信号处理的特点是：可以不知道提取信息的先验统计知　识，通过不断的递归更新处理参数，逐步减小误差，得到一个最优效　果。这种处理方法不但更接近实际情况，而且更符合非平稳的要求。其　信号流程图如图１０所示。　ＸＩｔ￣ｅｌｃｏｓ（ｋ２１ｒ／ｎ）；　恐　ｃｌｓｉｎ（ｋ２ｃｒ／ｎ）；　均　ｃｌｃｏｓ（ｋ４１ｒ／，）；　ｘ４＾＝ｃｌｓｉｎ（ｋ４￣／ｎ）；　由图１０所示，　为输入信号，　为输出　信号，　为权系数，运　算时，要不断更新阢。　为阻尼系数。对Ｘ。ｔ　取９０。相移得到Ｘ２ｋ（即　Ｘ２ｋ为　的正交序列），　图１０　自适应梳状滤波器信号流程图　同样，　为工频二次谐　波分量Ｘ３ｋ正交序列。　可见用这种办法要比前者麻烦，而且需要较多的ＭＤ转换器，推导出　传递函数的公式和频率特性图（见图ｌ１）如下：　图１１　自适应梳状滤波器的幅度特性　＝２１．６１　ｃ　＋２　１－２ｃｏｓ（２￣／ｎ）ｚ＋ｚ　１－２ｃｏｓ（４￣／ｎ）ｚ＋ｚ　为了节约成本，提高系统的实时性和准确性。利用锁相技术给自　适应滤波器加１个锁相环，它可以跟随电源对干扰频率在小范围内的　波动，用电源频率的整数倍（例如８倍）作为心电采样信号频率，可以　省去Ａ，Ｄ转换器的数量。　采用锁相技术进行频率跟踪电源的变化后，可以使陷波器能完全　消除所需抑止频率分量的干扰。其特点主要是利用锁相环对信号进　行倍频采样，实现给定信号的跟踪和捕捉。幅频滤除的带宽可以达到　研究论著一　４９．９　５０．１Ｈｚ．对零点处的基线　漂移也能同时滤除。　该锁相环电路是一个可　嘲ｌ网　ｌ圣恽　　以跟踪输入信号相位的闭环　自动控制系统。基本方框图如　图１２所示　启动工作时，锁相环先从失锁状态进入锁定状态，当环路锁定后，　ＶＣＯ的振荡频率　跟踪　变化，做出相应的变化。在滤除工频干扰　时．将ＶＣＯ信号的频率锁定在参考频率的Ｎ次倍频上，即可完成目　标，这种简单的做法可以大大降低工业生产成本。　本文所述方法，对于其它医学信号中的滤除工频干扰同样适用。　３结论　针对滤除心电监护仪的高频干扰，本文分别在模拟电路和滤波方　法上做了一些研究和改进。　模拟电路中，在电源线路中加入一有特殊绕法的线圈，以牺牲　能量的办法来换取对高频干扰的滤除：模拟滤波电路中的电感注　意要屏蔽、接伏地，这部分电路还要真实的接地，以尽量减少对信　号的干扰，提高共模抑制比；系统内外的干扰和差模信号经放大　后，常常造成整个电路的阻塞，淹没有效信号，所设计的非线性自　动增益环节（ＡＧＣ）可以有效地把溢出去的电压拉回来，形成反馈　回路。　工频处理上．比较了几种常用的滤波方法后．提出了数字梳状滤　波器和带锁相环的自适应滤波器。数字梳状滤波器系数简单，可实时　应用，滤除了工频，没有保留零点的直流分量。自适应滤波器可以保　存零点的直流分量。该滤波器利用锁相环对工频信号的倍频进行采　样，实时跟踪信号频率，节约了　Ｄ采样器的数量，不但可以滤除　５０Ｈｚ及其倍频谐波，而且可以去除基线漂移。同时，可以把梳状滤波　器的带宽限制到很窄，干净剔除干扰。　参考文献　［１】Ｈｅｒｍｉｎｉ　Ａ　Ｈ，Ｃｌｉｑｕｅｔ　Ａ　Ｊｒ．Ａ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｍ—　ａｇｎｅｔｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｓｕｒｇｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｌｉｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０００，２５（２）：１１２－１１８．　［２１赵卫全．高频电刀的基本原理及使用［ＪＪ．医疗设备信息，２００１，１６　（１）：２０—２６．　［３】　Ｍｉｌａｎｉ　Ｄ　Ｌ．Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ＥＣＧ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ａｇａｉｎｓｔ　ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　ｓｕｒｇｉｃａｌ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．Ｕ．Ｓ．Ｐａｔｅｎｔ，１９８９（４）：８００－８９４．　［４１　Ｓｕｍｍｅｒｖｉｌｅ　Ｔ．Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　ａｍｐｓ　ｈｉｋｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ　Ａｍｐｌｉｉｆｅｒｓ　Ｐｒｏｔｅｃｔ　Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ　Ｆｒｏｍ　Ｄａｍａｇｅ　ａｎｄ　Ｅｎｈａｎｃｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．　『５１谌雅琴，李刚，叶文字．单片机应用系统中去除工频干扰的快速实　现［Ｊ１．单片机宇嵌入式系统应用，２００２（２）：１８—２３．　［６】　Ｏｌｉａｅｉ，Ｏｌｍｉｄ．Ｓｉｇｍｅ—ｄｅｈａ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｓｐｅｃｔｒａｌｌｙ　ｓｈａｐｅｄ　ｆｅｅｄｂａｃｋ［Ｊ】．ＩＥＥＥ　Ｔｒｎａｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ａｎｄ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ＩＩ：Ａｎａｌｏｇ　ａｎｄ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００３，５０（９）：５１８－５３０．　［７１　Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅ．ＡＤｕＣ８４５—７—８一ａ　ｄａｔａ　ｓｈｅｅｔ［Ｚ１．Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅ￣ｃｅ，　２０Ｏ４—６．　［８１李刚，林凌，虞启琏．滤除工频干扰的自适应相干模板法［ＪＪ＿中国生　物医学工程学报．１９９７，１６（３）：２８１．　［９１王志中，王一抗，朱贻盛．数字陷波器的实现方法　．上海交通大学　学报，１９９５，２９（９）：２１—２５．　［１０１　ＰＩａｔｉｓｅ　Ｕ，Ｃｖｉｋｌ　Ｍ，Ｚｅｍｖａ　Ａ．Ｅ佑ｃｉｅｎｔ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｔｈｒｅｅ—　ｃｈａｎｎｅｌ　ＥＣＧ　ｄｉｇｉｔｌａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ［Ｊ１．Ｉｎｆｏｒｍａｃｉｊｅ　ＭＩＤＥＭ，　２００５，３５（１）：２０—２７．　（２００６—１　１－２０收稿２００７—０３—０７修回）　医疗卫生装备・２００７年第２８卷第３期　ｃｈｉｎｅｓｅ　ＭｅｄｉｃａＩ　ＥｑｕｉｐｍｅｎｔｄｏｕｍａＩ・２００７　Ｖｏｌｌ２８　ＮＯ．３　ｕ