前言

使用心電圖機測量待測者的心電圖時(shí)，常會(huì )因為待測者身上的市電訊號干擾，造成心電圖上的 50/60 Hz 噪聲增加，這可能會(huì )影響醫生正確判讀心電圖波形所代表的心臟疾病。因此如何在市電干擾嚴重的環(huán)境下，正確無(wú)誤的測量心電圖，實(shí)在是一個(gè)嚴峻的挑戰。

另外，在不同身體位置可能會(huì )存在不同的直流電壓差，兩位置間（例如：左手、右手間）的直流電壓差可達 300 mV、甚至 1000 mV。而心電訊號的電壓范圍一般介于 0.5 mV 到 3 mV 之間，因此如何避免這些數百 mV 的 DC 訊號干擾正常心電訊號，又是另一種挑戰。

醫療測試標準中，共模抑制比 CMRR（Common Mode Rejection Ratio）的測試目的，就是為了確保心電圖機在上述的 50/60 Hz 干擾和 DC 偏移的情形下，仍然可以正常的顯示心電圖，以利醫生做正確的判讀。接下來(lái)將詳細介紹 CMRR 測試的原理和方法。

CMRR 測試原理

1. 測試線(xiàn)路：

依據三個(gè)心電圖機測試標準中所規定的測試線(xiàn)路圖，如圖1：

圖1、CMRR 測試線(xiàn)路圖

圖1 左側的「信號產(chǎn)生器」產(chǎn)生市電頻率的訊號，其仿真的就是干擾待測者身上的市電訊號，旁邊經(jīng)過(guò)一個(gè)由 C1、Ct、Cx 并聯(lián)組成的共 200 pF 的線(xiàn)路到 B 點(diǎn)（共模點(diǎn)），這 200 pF 電容模擬的就是人體對地的容抗；圖中兩個(gè)封閉虛線(xiàn)，分別代表標準要求的線(xiàn)路金屬內外屏蔽，由于兩塊金屬片之間會(huì )有雜散電容 Cx，并且這個(gè) Cx 電容值會(huì )隨不同 CMRR 測試設備而不同，因此使用一個(gè)可調電容 Ct 使得 Cx+Ct=100 pF，再加上 C1 得 200pF。由于 C1=100 pF，和 Cx+Ct 的 100 pF 剛好形成一半的分壓，因此 Ct 調到適當的值之后，B 點(diǎn)電壓 Vc 會(huì )剛好是信號產(chǎn)生器輸出電壓 Vs 的一半，也就是 Vc=0.5Vs。

之后是 S0 開(kāi)關(guān)，所有 CMRR 測試 S0 都是閉合的，只有噪聲電平測試時(shí)才打開(kāi)。S0 開(kāi)關(guān)之后，所有待測心電圖機的電極線(xiàn)都串接一個(gè) 51KΩ 并聯(lián) 47nF 的模擬電極皮膚阻抗線(xiàn)路。除了 N(RL) 電極外，由 S1 到 Sn 開(kāi)關(guān)控制各電極是否串接這個(gè)阻抗線(xiàn)路。另外待測電極，圖1 的例子待測電極是 R(RA) 電極，可由 SDC 開(kāi)關(guān)控制是否有 ±300 mV 直流偏置電壓的迭加，此 ±300 mV 便是在仿真人體不同位置間的直流電壓差。 

2. 測試重點(diǎn)：

CMRR 的測試，除了 IEC60601-2-47（中國對應標準：YY 0885）移動(dòng)式心電圖機部分要多測兩倍電源頻率外，所有標準中的測試方法幾乎相同，只是測試電壓，串接電極皮膚阻抗線(xiàn)路的方式和通過(guò)準則有些差異；另外，測試前，待測裝置的 50/60 Hz 頻率的陷波器（Notch Filter）必須關(guān)閉。主要包含了下面 5 個(gè)測試的重點(diǎn)：

• 設置信號源電壓 Vs

心電標準：IEC60601-2-25 / 27（YY 0782 / 1079 / 1139）要求 20 Vrms 電源頻率信號電壓（Vs），IEC60601-2-47（YY 0885）則要求 Vs = 8Vp-v（2.828Vrms）電源頻率和 Vs = 1.422 Vp-v（0.502Vrms）兩倍電源頻率。

腦電標準：IEC60601-2-26 要求 2Vrms 電源頻率信號電壓（Vs）。

• 調整共模電壓 Vc

在不接任何待測設備電極線(xiàn)的設置下，調整可調電容 Ct 直到共模點(diǎn)電壓值（Vc）為電源頻率信號電壓值（Vs）的一半，即 Vc=0.5Vs。這個(gè)步驟主要是確定 Ct + Cx=100 pF。

• 平衡測試

接上待測設備的所有電極線(xiàn)，先做平衡測試，依標準規定設置，S1 到 Sn 全開(kāi)或全閉，然后測量心電圖機上所有導聯(lián)波形幅度。由于所有電極線(xiàn)設置都相同，故稱(chēng)為平衡測試。

• 不平衡測試

依標準規定設置，一次一個(gè)開(kāi)關(guān)，逐次開(kāi)或閉待測電極的 Sn 開(kāi)關(guān)，其余 Sn 開(kāi)關(guān)的開(kāi)閉和待測電極的 Sn 開(kāi)關(guān)相反。譬如當 S1 開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，其余 S2~Sn 開(kāi)關(guān)閉合，S1 開(kāi)關(guān)所連接電極線(xiàn)稱(chēng)為待測電極線(xiàn)，因為和其他電極線(xiàn)設置不同故稱(chēng)此測試為不平衡測試。測量所有導聯(lián)波形幅度。

• 迭加 ±300 mV 直流偏置電壓

在待測電極在線(xiàn)迭加 ±300 mV 直流偏置電壓，測量所有導聯(lián)波形幅度。

所有導聯(lián)波形幅度通過(guò)的準則：IEC60601-2-25 / 27（YY 0782 / 1079 / 1139）不超過(guò) 10 mmp-v（1 mVp-v），IEC60601-2-47（YY 0885）不超過(guò) 4 mVp-v，IEC60601-2-26 不超過(guò) 0.1 mVp-v。

依照上述，那么多少 dB 的 CMRR 值才能通過(guò)標準呢？首先，CMRR dB 值的公式為：

CMRR (dB)= 20*log?(Vout/Vin)-----------(1)

其中 Vout 為待測心電圖機上的導聯(lián)振幅值，Vin 為 CMRR 測試儀器的共模電壓 Vc。以 IEC60601-2-25/27 來(lái)說(shuō) Vout 不超過(guò) 10 mmp-v (1 mVp-v)，Vin 為共模點(diǎn)的電壓值 10 Vrms，所以通過(guò) IEC60601-2-25/27 所需的 CMRR 值（最大）為：

20*log?((1 mVp-v)/(10 Vrms))=20*log?((1 mVp-v)/(10*2√2 Vp-v))?20*log?((0.001Vp-v)/(28.28Vp-v))?-89dB

依相同方式推算，IEC60601-2-47 在電源頻率時(shí)所需的 CMRR 值為 -60dB，兩倍電源頻率時(shí) CMRR 值為 -45dB；IEC60601-2-26 所需的 CMRR 值則為 -89dB。但由于心電、腦電標準皆需做不平衡測試（上述第 4 項），此不平衡電路會(huì )在差動(dòng)放大器前產(chǎn)生些微的電壓差，此時(shí)原來(lái)的共模訊號變成微小的差模訊號，經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器放大后輸出電壓會(huì )比平衡測試時(shí)更大些，但仍然要符合標準的要求。

CMRR 測試方法

1. 測試環(huán)境設置

開(kāi)始測試 CMRR 時(shí)，首先要注意的是測試環(huán)境；由于環(huán)境中的市電頻率（50/60 Hz）噪聲會(huì )透過(guò)輻射或大地的回路來(lái)干擾測試，因此如何避免這些噪聲影響測試結果，是測試前重要的準備工作。圖2 是使用鯨揚科技的 CMRR 測試儀「CMRR 3.0+」來(lái)測試一臺 12 導心電圖機的測試系統圖：

圖2、CMRR 測試系統圖

測試時(shí)，首先需注意 CMRR 3.0+ 及待測設備是否共地。建議做法便是將整個(gè)測試系統（包含 CMRR 3.0+ 及待測設備）共地到一片獨立的（不可接其他系統的地或大地）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)測試系統共地 (2) 測試系統獨立 (3) 金屬板會(huì )吸收測試系統噪聲的能量。若待測設備沒(méi)有可接出的地線(xiàn)，這時(shí)待測設備輸入端為浮接（floating）的狀態(tài)；此時(shí)可以讓 CMRR 3.0+ 地線(xiàn)單獨接至金屬板上。

圖3 為平衡測試 CMRR 3.0+ 和心電圖機都沒(méi)有接至金屬板的測試結果。可以看到所有導聯(lián)輸出的訊號，因為市電頻率（50/60 Hz）噪聲的干擾，會(huì )隨時(shí)間做不規則變化，也就是無(wú)法確定輸出訊號的大小，因而無(wú)法得到確定的結果。

圖3、測試系統無(wú)共地至金屬板上

2. CMRR 測試實(shí)例

以下為 IEC60601-2-25/27 的測試實(shí)例及其步驟：

 (1) 關(guān)閉待測裝置的 50/60 Hz 頻率的陷波器（Notch Filter）

 (2) 先不連接所有的電極線(xiàn)到 CMRR 3.0+ 上

 (3) 設置信號源電壓 Vs，IEC60601-2-25/27 需選擇 Supply Voltage 為 20 Vrms

 (4) 選擇 Frequency 為 50 或 60 Hz

 (5) 調整共模電壓 Vc：調整面板上的 Ct（Adjustable Capacitor）直到 Vc 為~10 Vrms

圖4、調整 Vc 電壓至 Vs 電壓的一半

 (6) 連接所有電極線(xiàn)到 CMRR 3.0+ 上

 (7) 平衡測試：選擇 Electrode with Impedance 為 None（S1 到 Sn 全閉）

 (8) 調整 DC Offset 為 Off

 (9) 測量 ECG 上所有導程輸出至少 15 秒（最大輸出導聯(lián) I ~ 0.1 mm）

圖5、平衡測試結果

 (10) 不平衡測試：調整 Electrode with Impedance 為 RA（僅 S1 打開(kāi)）

 (11) 測量 ECG 上所有導程輸出至少 15 秒（最大輸出導聯(lián) I = 2 mm）

圖6、RA 不平衡測試結果（RA 加阻抗）

 (12) 迭加 +300 mV 直流偏置電壓，調整 DC Offset 到「+300 RA」

 (13) 測量 ECG 上所有導程輸出至少 15 秒（最大輸出導聯(lián) I = 2 mm）

圖7、RA 不平衡測試迭加 +300 mV 直流偏壓

 (14) 迭加 -300 mV 直流偏置電壓，調整 DC Offset 到「-300 RA」

 (15) 測量 ECG 上所有導程輸出至少 15 秒（最大輸出導聯(lián) I = 2 mm）

圖8、RA 不平衡測試迭加 -300 mV 直流偏壓

 (16) 調整 DC Offset 到 Off

 (17) 調整 Electrode with impedance 到 LA

 (18) 測量 ECG 上所有導程輸出至少 15 秒（最大輸出導聯(lián) I = 2.2 mm）

圖9、LA不平衡測試結果（LA 加阻抗）

 (19) 調整 DC Offset 到「+300 LA」

 (20) 測量 ECG 上所有導程輸出至少 15 秒（最大輸出導聯(lián) I = 2.2 mm）

圖10、LA 不平衡測試迭加 +300 mV 直流偏壓

 (21) 調整 DC Offset 到「-300 LA」

 (22) 測量 ECG 上所有導程輸出至少 15 秒（最大輸出導聯(lián) I = 2.2 mm）

圖11、LA 不平衡測試迭加 -300 mV 直流偏壓

 (23) 重復步驟 10~15，但依次調整 Electrode with impedance 到 LL/V1~V6

依據上述實(shí)例測得的結果，尋找幅值最大的導聯(lián)。圖5 平衡測試最大振幅的導聯(lián) I 波形的幅度為 ~0.1 mm，在 20 mm/mV 的增益下電壓 Vout = 0.1 / 20 = 0.005 mV，代入 (1) 式中得 CMRR 值為：

20*log?((0.005 mVp-v)/(10 Vrms))=20*log?((5*〖10〗^(-6) Vp-v)/(28.28Vp-v))?-135 dB

但是實(shí)際上導聯(lián) I 的輸出幾乎是一條直線(xiàn)，測量出的幅值應該不是正確的輸入 10 Vrms 的反應值，CMRR 應該更優(yōu)于 -135 dB，這在后面「高于標準的 CMRR 測試」章節中會(huì )再詳細討論。

用同樣的方法測量圖6 中 RA 不平衡測試最大振幅的導聯(lián) I 波形，得幅度為 2 mm，在 20 mm/mV 的增益下電壓 Vout = 2 / 20 = 0.1 mVp-v，代入 (1) 式中得 CMRR 值為：

20*log?((0.1 mVp-v)/(10 Vrms))?20*log?((1*〖10〗^(-4) Vp-v)/(28.28Vp-v))?-109 dB

比較圖5 和圖6 的測量結果可以觀(guān)察到，不平衡測試的波形幅度一般會(huì )比平衡測試的波形幅度來(lái)得大；這是由于不平衡電路會(huì )產(chǎn)生些微的電壓差，此時(shí)原來(lái)的共模訊號變成微小的差模訊號，經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大器放大后輸出電壓會(huì )比平衡測試時(shí)更大些。因此 CMRR 值變得較差。

圖7 和圖8 分別為不平衡測試時(shí)，迭加 ±300 mV 直流偏置電壓的測試結果。最大幅值都發(fā)生在導聯(lián) I，由于兩者導聯(lián) I 都相等于沒(méi)有迭加 DC 的幅值，因此 CMRR 值皆為 -109 dB。這是由于待測設備迭加 ±300 mV 直流偏壓時(shí)仍在差動(dòng)放大器的線(xiàn)性工作區間內的緣故。

圖9 至圖11 為 LA 不平衡測試結果，最大幅值都發(fā)生在導聯(lián) I，且導聯(lián) I 幅值皆為 2.2 mm @20mm/mV，Vout = 0.11 mV，因此 CMRR 值如下：

圖9-11：導聯(lián) I 幅值 2.2 mm @20mm/mV，Vout = 0.11 mV

20*log?((0.11 mVp-v)/(10 Vrms))?20*log?((11*〖10〗^(-5) Vp-v)/(28.28Vp-v))?-108.2 dB

接著(zhù)繼續測試其他導聯(lián)線(xiàn)（LL/V1~V6），若是所有測試，其導聯(lián)振幅皆不大于 2.2 mm（0.11 mVp-v），則可以說(shuō)此心電圖機的 CMRR 值約為 108 dB。

其他注意事項

• 關(guān)閉陷波器（Notch Filter）

CMRR 測試頻率為市電頻率，若在此時(shí)開(kāi)啟市電頻率的陷波器，測試電壓會(huì )被陷波器濾除；這時(shí)測試結果并不是差動(dòng)放大器的 CMRR 值，而是陷波器及 CMRR 的綜合結果。為了確保差動(dòng)放大器可以達到心電標準的要求，因此，標準明確描述測試 CMRR 時(shí)需將陷波器關(guān)閉。

以下為心電圖機不平衡測試時(shí)，有無(wú)開(kāi)啟陷波器比較。

圖12、不平衡測試（關(guān)閉陷波器）

圖13、不平衡測試（開(kāi)啟陷波器）

由上圖可知，不平衡測試時(shí)開(kāi)啟陷波器，陷波器會(huì )將大多數的 50/60 Hz 測試訊號濾除，因此導聯(lián)波形幅度變得很小，不能反應差動(dòng)放大器的 CMRR 值，也因此無(wú)法測得差動(dòng)放大器真正的 CMRR 值。

•  不同心電圖機的 CMRR 測試結果

不同的心電圖機，因為使用的組件和線(xiàn)路的設計不同，CMRR 的測試結果也會(huì )不同。在公式 (1) 中、CMRR 值主要是由心電圖機的心電圖上測量各導聯(lián)波形的振幅 Vout 和 CMRR 測試儀器的輸出訊號振幅 Vin 兩個(gè)主要參數的比值再取 20Log 計算出來(lái)的，其中 Vin 值在標準中已有規定，因此 CMRR 值的決定主要在待測心電設備的硬件設計，因此若是測試結果 CMRR 值不符合標準所需，就必須重新檢視心電設備的硬件設計。以下為使用相同  CMRR 測試儀器（鯨揚科技的 CMRR 3.0+）及測試環(huán)境設置下，不同心電圖機的測試結果。

平衡測試
心電圖機 A
心電圖機 B

不平衡測試（RA 加阻抗）
心電圖機 A
心電圖機 B

由上面的兩臺心電圖機測試的結果可以看出，雖然使用的是相同的測試儀器及測試環(huán)境設置，因待測心電圖不同，其導聯(lián)波形幅值 Vout 也會(huì )不同，計算后的 CMRR 值自然也會(huì )不同。

• 高于標準的 CMRR 測試

有些心電圖機制造商會(huì )要求其制造的心電圖機有更高于標準的 CMRR 規格（譬如 140 dB），如此在一些市電干擾嚴重的環(huán)境中，仍可以正確無(wú)誤的測量心電圖。要達成這個(gè)目標，除了要能精確的測量心電圖顯示的最小電壓（Vout）外，可能還需要將 CMRR 測試儀器的測試電壓（Vin）提高，才能測到更高的 CMRR 值。

以圖5 為例，測到的 Vout = 0.01 mV (0.2 mm)，假設這臺心電圖機最小可以測量導聯(lián)波幅就是到 0.2 mm，也就是 0.01 mV（20 mm/mV 增益的設置下），針對 Vc = 10 Vrms 的心電標準要求，只能測到 -129 dB 的 CMRR 值，因此若要測到更高的 CMRR 值，勢必要增加 CMRR 測試儀器的輸出電壓 Vs。

圖14 是將 CMRR3.0+ 的 Vs 設置到 70.71 Vrms (200 Vp-p)，則 Vc = Vs/2 = 35.35 Vrms (100 Vp-p)，此時(shí)測量到的導聯(lián) I 的幅值仍是 0.2 mm，因此 CMRR 值就可以測到 140 dB，計算如下：

20*log?((0.01 mVp-v)/(35.35 Vrms))?20*log?((1*〖10〗^(-5) Vp-v)/(100 Vp-v))?-140 dB

圖14、平衡測試（Vs = 70.71 Vrms）

CMRR3.0+ 測試儀器有這樣超過(guò)標準所需電壓的輸出功能，可協(xié)助心電圖機制造商測試更高于標準 CMRR 規格的心電圖機。

結語(yǔ)

心電圖設備中 CMRR 的規格是抑制 50/60 Hz 市電訊號干擾很重要的一項功能，而 50/60 Hz 干擾或大或小無(wú)處不在，因此能夠確保顯示正確的心電圖波形，足夠的 CMRR 值實(shí)是一個(gè)重要因素。至于要如何正確地測量心電圖機的 CMRR 值，則又是另一項要注意的事項。

心電圖標準中都有明確的說(shuō)明測試線(xiàn)路和步驟，因此依據標準的需求設計一臺測試儀器來(lái)測試心電圖機的 CMRR 值是必需的。但由于標準線(xiàn)路中的高電壓電源（20 Vrms = 58 Vp-v），低電源輸出容抗（200 pF），內外屏蔽的要求，每個(gè)項目都考驗著(zhù)測試儀器的制造難度。CMRR3.0+ 就是逐一克服這些挑戰，完成可以符合各類(lèi)心電和腦電設備 CMRR 測試的要求。另外，如前一節所述，在心電圖機最小可以測量導聯(lián)波幅到 0.2 mm，也就是 0.01 mV 的條件下，可測到 -140 dB 的 CMRR 值。

參考數據

1. IEC 醫療專(zhuān)用標準 IEC60601-2-25:2011、IEC60601-2-27:2011、IEC60601-2-47:2012、IEC60601-2-26:2012。

2. 中國心電標準 YY0782-2010、YY1079-2008、YY0885-2013、YY1139-2013。