前言

輸入阻抗是影響心電圖機(jī)精準(zhǔn)度的重要規(guī)格，也因此每臺(tái)心電圖機(jī)都必須測(cè)試輸入阻抗。本篇會(huì)介紹輸入阻抗的原理，并以實(shí)例算出心電圖機(jī)輸入阻抗的數(shù)值；此外，輸入阻抗與 CMRR 也有關(guān)聯(lián)，在此也會(huì)加以說明。

輸入阻抗測(cè)試原理

從電路學(xué)的角度來看人體組成，可將人體模擬成等效的電阻、電容電路；而輸入阻抗的測(cè)試目的，便是當(dāng)心電圖機(jī)透過電極接觸到人體時(shí)，可以將最大的電壓耦合心電圖機(jī)，進(jìn)而確保心電圖機(jī)的測(cè)量精準(zhǔn)度。

輸入阻抗測(cè)試的原理是將信號(hào)源信號(hào)直接輸出到心電圖機(jī)，然后測(cè)量心電圖機(jī)上對(duì)應(yīng)導(dǎo)程波形的電壓 V，接下來在信號(hào)源和心電圖機(jī)間經(jīng)過一組并聯(lián)線路（620KΩ 并聯(lián) 47nF），再測(cè)量心電圖機(jī)上對(duì)應(yīng)導(dǎo)程波形的電壓 Vi。在 IEC60601-2-25 / 27（YY 0782 / 1079 / 1139）中，輸入阻抗的要求為至少 2.5MΩ。Vi 和 V 的電壓差異要在 20% 以內(nèi)；而 IEC60601-2-47（YY 0885）中則要求，輸入阻抗至少要 10MΩ，因此要求 Vi 和 V 的電壓差異要在 6% 以內(nèi)。

圖1、測(cè)試線路示意圖（未加并聯(lián)線路），V 是心電圖機(jī)上對(duì)應(yīng)導(dǎo)程波形的電壓

圖1 為未加測(cè)試輸入阻抗并聯(lián)線路的示意圖；圖中左側(cè)有一測(cè)試信號(hào)源，其電壓大小為 V，在不加并聯(lián)線路時(shí)，假設(shè)心電圖機(jī)上對(duì)應(yīng)導(dǎo)程波形的電壓測(cè)量值也是 V。

下圖為加入并聯(lián)線路示意圖。其在中間加了 620K? 電阻并聯(lián) 4.7nF 電容的并聯(lián)線路，在加入并聯(lián)線路后，假設(shè)心電圖機(jī)上對(duì)應(yīng)導(dǎo)程波形的電壓測(cè)量值變?yōu)?Vi。

圖2、測(cè)試線路示意圖（加入并聯(lián)線路），Vi 是心電圖機(jī)上對(duì)應(yīng)導(dǎo)程波形的電壓

依據(jù)分壓原理：Vi=Zi/( Z+Zi )*V → Vi*(Z+Zi)=Zi*V → Vi*Z=Zi*(V-Vi)

故可得 Zi 與 Z 的關(guān)系式：Zi = Vi/( V-Vi )*Z ------------- (1)

接下來將說明如何從 (1) 式推得標(biāo)準(zhǔn)要求的 2.5M? 跟 10M?。在 IEC60601-2-25 / 27（YY 0782 / 1079 / 1139）中，Vi 和 V 的電壓差要在 20% 以內(nèi)，也就是 ，將代入 (1) 式中得 ，Z 為 620K? 電阻并聯(lián) 4.7nF 電容。

在實(shí)際狀況中，Z 含有 4.7nF 電容，Zi 含有電極線的電容，兩者的容抗皆會(huì)隨著頻率而變化，也因此標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試 0.67Hz 及 40Hz 兩個(gè)頻率；若是以純阻抗來表示輸入阻抗，因此忽略 Z 與 Zi 的容抗，則輸入阻抗 ；此結(jié)果與 IEC60601-2-25 / 27（YY 0782 / 1079 / 1139）要求相符。

IEC60601-2-47（YY 0885）則要求 Vi 和 V 的電壓差異要在 6% 以內(nèi)，也就是，將代入 (1) 式中得，此結(jié)果與 IEC60601-2-47（YY 0885）要求的相符。

輸入阻抗測(cè)試方法

1. 測(cè)試環(huán)境設(shè)置

開始測(cè)試前，需先將測(cè)試環(huán)境架設(shè)好；由于環(huán)境中的市電頻率（50 / 60Hz）噪聲會(huì)透過輻射或大地的回路來干擾測(cè)試，因此如何避免這些噪聲影響測(cè)試結(jié)果，是測(cè)試前重要的準(zhǔn)備工作。圖3 是使用鯨揚(yáng)科技的單道測(cè)試儀「SECG 4.0」來測(cè)試一臺(tái) 12 導(dǎo)心電圖機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)圖。

圖3、測(cè)試系統(tǒng)圖

測(cè)試時(shí)，首先需注意 SECG 4.0 及待測(cè)設(shè)備是否共地。建議做法便是將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)（包含 SECG4.0 及待測(cè)設(shè)備）共地到一片獨(dú)立（不可接其他系統(tǒng)的地或大地）的金屬板上，此金屬板建議大小為 60 公分 x 100 公分（或更大）；此做法有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)共地 (2) 測(cè)試系統(tǒng)與其他系統(tǒng)地噪聲隔離 (3) 金屬板會(huì)吸收測(cè)試系統(tǒng)噪聲的能量。若待測(cè)設(shè)備沒有可接出的地線，這時(shí)待測(cè)設(shè)備輸入端為浮接（floating）的狀態(tài)；此時(shí)可以讓 SECG 4.0 地線單獨(dú)接至金屬板上。

圖中的測(cè)試計(jì)算機(jī)經(jīng)過變壓器連接至插座上，此時(shí)若將計(jì)算機(jī)直接放置至金屬板上，市電噪聲便會(huì)進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)，也因此測(cè)試計(jì)算機(jī)需放置至金屬板外，僅以 USB 連接至 SECG 4.0（或待測(cè)設(shè)備）上，以免影響測(cè)試結(jié)果。

2. 輸入阻抗測(cè)試實(shí)例

以下為 IEC60601-2-25（YY 0782）的測(cè)試實(shí)例及其步驟：

 (1) 架設(shè)好測(cè)試環(huán)境后，開啟 SECG 4.0 測(cè)試軟件

 (2) 選擇正弦波（3mV，0.67Hz）

 (3) 輸出信號(hào)至 RA 上，測(cè)量導(dǎo)程 II 輸出電壓為 Vref = 2.5mV，如圖4

圖4、導(dǎo)程 II 波形（未加 620kΩ / 4.7nF）

 (4) 加入并聯(lián)電路 620KΩ / 4.7nF

 (5) 設(shè)定直流偏壓為 300mV，然后測(cè)量導(dǎo)程 II 輸出電壓 Vpp = 2.4mV（下段詳細(xì)說明），如圖5

圖5、導(dǎo)程 II 波形（加 620kΩ / 4.7nF 及 300mV 直流偏壓）

 (6) 設(shè)定直流偏壓為 -300mV，然后測(cè)量導(dǎo)程 II 輸出電壓 Vpp = 2.4mV，如圖6

圖6、導(dǎo)程 II 波形（加 620kΩ / 4.7nF 及 -300mV 直流偏壓）

 (7) 調(diào)整輸出頻率為 40Hz（正弦波，3mV，40Hz）

 (8) 測(cè)量導(dǎo)程 II 輸出電壓為 Vref = 2.8mV，如圖7

圖7、導(dǎo)程 II 波形（40Hz，未加 620kΩ / 4.7nF）

 (9) 加入并聯(lián)電路 620KΩ / 4.7nF

 (10) 設(shè)定直流偏壓為 300mV，然后測(cè)量導(dǎo)程 II 輸出電壓 Vpp =2.5mV，如圖8

圖8、導(dǎo)程 II 波形（40Hz，加 620kΩ / 4.7nF 及 300mV 直流偏壓）

 (11) 設(shè)定直流偏壓為 -300mV，然后測(cè)量導(dǎo)程 II 輸出電壓 Vpp = 2.5mV

圖9、導(dǎo)程 II 波形（40Hz，加 620kΩ / 4.7nF 及 -300mV 直流偏壓）

 (12) 重復(fù)步驟 3 至步驟 11，但依次調(diào)整輸出電極為 LA / LL / V1 ~ V6，對(duì)應(yīng)的測(cè)量導(dǎo)程為導(dǎo)程 I / III / V1 ~ V6

3. 計(jì)算心電圖機(jī)的輸入阻抗

由圖4 到圖9，可以算出不同頻率時(shí)心電圖機(jī)輸入阻抗的估計(jì)值。

 (1) 在 67Hz 時(shí)：

圖4 為待測(cè)心電圖機(jī)在 3mV, 0.67Hz 正弦波的測(cè)試結(jié)果，取其導(dǎo)程 II 為 Vref=2.5mV。圖5、圖6 分別為加入并聯(lián)電路及 +300mV、-300mV 的測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)程 II 為 Vpp=2.4mV。

若仔細(xì)觀測(cè)圖5 的波形，可以看到 0.67Hz 正弦波上有一個(gè) 60Hz 的干擾噪聲，這是由于加入 620KΩ / 4.7nF 并聯(lián)電路后造成心電圖機(jī)不平衡的輸入，因而環(huán)境的 60Hz 噪聲被心電圖機(jī)引入，放大顯示出來，要減小外界環(huán)境的 60Hz 干擾噪聲必須確實(shí)接上金屬片，或增加心電圖機(jī)的 CMRR 值，這點(diǎn)會(huì)在后面再詳細(xì)討論。

若是噪聲無法wan全消除，Vpp 值的計(jì)算就必須避開噪聲的影響，圖10 中需要取上下噪聲的平均值后再計(jì)算 Vpp 值，因此 Vpp = 2.4mV，而不是 2.55mV。相同的方法用在圖8 的 40Hz 信號(hào)上。

圖10、加并聯(lián)電路產(chǎn)生的 60Hz 干擾噪聲，需要取上下噪聲的平均值后再計(jì)算 Vpp 值

由 (1) 式  Zi=Vi/( V-Vi )*Z=2.4/(2.5-2.4)*620kΩ=14880kΩ=14.88MΩ

輸入阻抗約為 14.88MΩ

 (2) 在 40Hz 時(shí)：

圖7 為待測(cè)心電圖機(jī)在 3mV, 40Hz 正弦波的測(cè)試結(jié)果，取其導(dǎo)程 II 電壓為 Vref=2.8mV。圖8、圖9 分別為加入并聯(lián)電路及 +300mV、-300mV 的測(cè)試結(jié)果，其導(dǎo)程 II 為 Vpp=2.5mV。

由 (1) 式  Zi=Vi/( V-Vi )*Z=2.5/(2.8-2.5)*620kΩ=5166kΩ=5.16MΩ

輸入阻抗約為 5.16MΩ

輸入阻抗與 CMRR 的關(guān)聯(lián)

CMRR（共模抑制比，Common Mode Rejection Ratio）為抑制 50 / 60Hz 環(huán)境噪聲的能力。在 CMRR 不平衡測(cè)試中，會(huì)加入 51KΩ 并聯(lián) 47nF 來模擬電極皮膚阻抗線路，且在加入此并聯(lián)電路后 CMRR 測(cè)試結(jié)果仍需符合標(biāo)準(zhǔn)要求；620KΩ / 4.7nF 并聯(lián)電路的加入會(huì)和 CMRR 不平衡測(cè)試結(jié)果相似，因此心電圖機(jī)的 CMRR 值越優(yōu)，加入 620KΩ / 4.7nF 并聯(lián)電路測(cè)試輸入阻抗時(shí) 50 / 60Hz 噪聲的干擾越小。

在 CMRR 不平衡測(cè)試中，加入并聯(lián)阻抗后差異越小，代表心電圖機(jī)抑制 50 / 60Hz 環(huán)境噪聲越好；在輸入阻抗測(cè)試中，加入并聯(lián)阻抗后差異越小代表心電圖機(jī)輸入阻抗越大，越能完整地將測(cè)試信號(hào)耦合輸入心電圖機(jī)。因此，CMRR 不平衡測(cè)試時(shí)值越優(yōu)，測(cè)試輸入阻抗時(shí)受到的干擾越小。

結(jié)語

心電圖設(shè)備中輸入阻抗的規(guī)格，影響到實(shí)際測(cè)試人體時(shí)的電壓精準(zhǔn)度，心電圖機(jī)的輸入阻抗越高測(cè)試時(shí)所受的人體影響越小；此外，相同心電設(shè)備在不同頻率其輸入阻抗會(huì)不同，因此標(biāo)準(zhǔn)會(huì)在不同頻率下測(cè)試輸入阻抗。另外，CMRR 與輸入阻抗的相關(guān)聯(lián)，也造成輸入阻抗較好，CMRR 通常也較好。

SECG 4.0 是一臺(tái)可以wan全符合各類心電標(biāo)準(zhǔn)要求的性能測(cè)試儀器（CMRR 和系統(tǒng)噪聲除外），除了標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源外還包含了 620KΩ / 4.7nF 并聯(lián)電路和 ± 300mV 直流電壓的疊加線路，使得輸入阻抗的測(cè)試更方便和準(zhǔn)確。

參考數(shù)據(jù)

1. IEC 心電標(biāo)準(zhǔn) IEC60601-2-25:2011、IEC60601-2-27:2011、IEC60601-2-47:2012。

2. 中國(guó)心電標(biāo)準(zhǔn) YY0782-2010、YY1079-2008、YY0885-2013、YY1139-2013。

3.  Application Note「CMRR 測(cè)試原理和方法」。