李力嘉 伍玥

摘要：參考電極電路一直都是醫(yī)用電子儀器課程的教學(xué)難點(diǎn)，同時(shí)相關(guān)教材一直缺乏對(duì)該電路進(jìn)行詳細(xì)的描述，同時(shí)對(duì)內(nèi)置參數(shù)的選擇也沒(méi)有很詳細(xì)的說(shuō)明，對(duì)此，本文將基于腦電系統(tǒng)普遍采用的參考電極電路，分析該電路的特性即相關(guān)參數(shù)選擇的原因。

關(guān)鍵字：ETI;CMPdL;接觸阻抗;DILL

有兩個(gè)因素限制了實(shí)際應(yīng)用中醫(yī)用電子儀器系統(tǒng)的CMRR值，它們分別是：組織

電極問(wèn)阻抗（ETI）失配和電極的前置放大增益失配。由于EEG信號(hào)需要電極采集并需要通過(guò)導(dǎo)聯(lián)線傳輸?shù)胶蠹?jí)系統(tǒng)，故這期間的器件失配將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的CMRR降低。而器件的失配是不可避免的，故為了增大CMRR，需要在共模信號(hào)的干擾路徑上想辦法。參考電極電路就是一種用于增強(qiáng)CMRR的電路，它通過(guò)將共模輸入信號(hào)通過(guò)參考電極反饋到檢查者以抵消人體共模信號(hào)的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)共模信號(hào)的抑制作用。

參考電極電路的分析：

但作為用于人體生物電測(cè)量的醫(yī)療電子儀器，由于需要將電極直接與人體相連，必然使得人體成為測(cè)量電路的一部分，即有電流流過(guò)人體，這就存在對(duì)人體產(chǎn)生致命威脅的可能性。故GB9706.1-1995、2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了設(shè)備的患者漏電流以及患者輔助電流的交流電流不得超過(guò)0.1mA。因此，對(duì)于參考電極電路，引共模信號(hào)返回人體，更需要限制電流在0.1mA，以保障人體安全。一般，持續(xù)時(shí)間小于200ms時(shí)，5mA（60Hz）的電流并不會(huì)引起室顫，這對(duì)于50Hz信號(hào)同樣適用。GB 9706.1所規(guī)定的0.hnA的安全電流指最大平均電流，瞬時(shí)電流只需要不超過(guò)5mA即可。

結(jié)合上述人體安全電流可知，Ro的選取需要以安全電流為標(biāo)準(zhǔn)。一方面需要要保證最大電流在5mA以下，同時(shí)需要讓最大平均電流小于0.1mA。一般地Ro的需大于100kΩ。表1給出了當(dāng)G 100時(shí)，Ro取不同值時(shí)參考電極電路的工作狀態(tài)。to，t1分別對(duì)應(yīng)電路的初始狀態(tài)和建立穩(wěn)態(tài)時(shí)間。表1G固定為100，Ro取不同值時(shí)參考電極電路工作狀態(tài)

參照表1，為了使Ko的取值在100-500kΩ之間，參考電極電路中的Ro取值取在200kΩ左右。

由式3可知，理想狀態(tài)下G的取值越大，共模衰減越理想。結(jié)合圖1可知，G=R3/R4。由此R4越小，Rs越大，則G越大。但是R4過(guò)小，會(huì)在其上造成過(guò)多的功率損耗（電流增大導(dǎo)致），而Rs過(guò)大又容易引入外界噪聲（單純的電阻在反相放大器中會(huì)額外放大環(huán)境噪聲），同時(shí)由于實(shí)際運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)有限，過(guò)大的G值會(huì)導(dǎo)致參考電極電路不工作。故，綜合考慮，R4的取值一般取10kΩ左右，而若用純電阻，則R3的值一般不超過(guò)1MΩ。同時(shí)，當(dāng)采用干電極時(shí)，如果電極偏移和電極阻抗失配同時(shí)存在時(shí)，在100kΩ-10MΩ這么大阻抗范圍內(nèi)，保證回路的穩(wěn)定會(huì)變得非常困難。故，可以將R3更換為一個(gè)小值電容（一般在幾個(gè)nF范圍），利用容抗實(shí)現(xiàn)反饋，一方面滿足低頻的放大G值，一方面避免了高頻信號(hào)的引入。介于此，Ro的取值也可以不采用單純的大電阻，可以在電阻上并接一個(gè)小電容，以實(shí)現(xiàn)高阻抗，從而可以避免環(huán)境噪聲的引入。

參考電極電路與使用在心電圖機(jī)上的右腿驅(qū)動(dòng)電路（DRL）類(lèi)似，由于其在共模信號(hào)抑制上的作用突出，故常在采用電極和導(dǎo)聯(lián)線檢測(cè)生物信號(hào)的儀器上。在傳輸生物電信號(hào)時(shí)，由于生物電信號(hào)非常微弱，傳輸電纜均采用有屏蔽層，屏蔽層可以屏蔽外界電磁干擾，但是屏蔽層與芯線之間的分布電容也會(huì)引入干擾，此時(shí)需要引出參考電極電路跟隨器輸出反饋到屏蔽層，使屏蔽層電位抬高到與放大器內(nèi)部輸出電位，從而大大降低分布電容的影響。對(duì)此，多家芯片商給出了具體的解決方案（但多針對(duì)的是DRL電路），其實(shí)質(zhì)就是在DRL電路上多引出一個(gè)輸出線給屏蔽層。如TI公司就在其INA118的芯片資料里給出的DRL電路原理圖。由于電路原理相同，故EEG的參考電極電路可參考此類(lèi)解決方案加以改進(jìn)設(shè)計(jì)。