可挽救生命的那些醫(yī)療電子技術(shù)

 對(duì)胸部進(jìn)行一個(gè)小小的、及時(shí)的電擊(如:用除顫器電擊)可挽救心臟驟停(SCA)患者的生命。電擊(3kV至5kV，50A)阻止心臟產(chǎn)生無(wú)用的撲動(dòng)(顫動(dòng))，這種撲動(dòng)不能將血液輸送至大腦和其它器官。這種電擊讓心臟重新有序地泵送血液。在醫(yī)院，心臟監(jiān)測(cè)通常是用一臺(tái)心電圖(ECG)儀配一個(gè)獨(dú)立的除顫器。當(dāng)用除顫器進(jìn)行拯救電擊時(shí)，ECG 探頭(如:電極)連接在患者身上。不用說(shuō)，ECG必須承受這種電擊并繼續(xù)正常工作。

根據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)(AHA)的數(shù)據(jù)，每年發(fā)生接近383,000起醫(yī)院外的心臟驟停，其中88%心臟驟停發(fā)生在家中。不幸的是，在醫(yī)院外發(fā)生心臟驟停的患者中，只有不到8%的人存活了下來(lái)。這些統(tǒng)計(jì)數(shù)字發(fā)人深省。在醫(yī)學(xué)術(shù)語(yǔ)中，心力衰竭與SCA有很大不同。SCA沒(méi)有征兆信號(hào)，人就這么倒下了。心力衰竭發(fā)生之前通常具有多種、比較明顯的征兆。

如果沒(méi)有起保護(hù)作用的皮膚，極小的電流也會(huì)損害患者心臟。在對(duì)電敏感的患者中，即使微量電流(10μA)也會(huì)引起室顫。要知道，使用ECG和獨(dú)立除顫器時(shí)，將多種設(shè)備同時(shí)連接至患者的情況并不罕見(jiàn)。顯而易見(jiàn)，總漏泄電流必須保持在能夠危及人類(lèi)心臟的門(mén)限以下。

除顫器和挽救生命的電擊

許多人認(rèn)為除顫器是重啟心臟，但實(shí)際上是停止心臟工作。心臟中有一種稱為纖顫的隨機(jī)跳動(dòng)，這意味著心臟工作不協(xié)調(diào)，不泵送血液。除顫器將心臟電擊至不活動(dòng)狀態(tài)，允許重新開(kāi)始正常竇性心律。

圖1所示為醫(yī)院用除顫器，訓(xùn)練有素的醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行毫秒級(jí)的電擊，挽救生命。為貫穿胸部并擊中心臟，3kV至5kV電壓和50A電流是必要的。要求高電壓和電流的原因是因?yàn)槿梭w中大約75%的成分是鹽水，身體傳導(dǎo)了大部分電流，將心臟旁路。

圖1：帶電極的醫(yī)院用除顫器。注意，患者身上有外部心電圖或心臟監(jiān)護(hù)儀，從胸部的白色圓片(電極)和導(dǎo)聯(lián)(線)可看出來(lái)。

第二種除顫器(圖2)為自動(dòng)體外除顫器(AED)，設(shè)計(jì)供培訓(xùn)較少的公眾使用。這些一次性電極片有兩個(gè)目的：一是利用心電圖監(jiān)測(cè)心臟;二是 施加高壓電擊。

圖2：胸部按壓CPR(左圖)迫使血液循環(huán)，為大腦及其它生命器官供血，直到AED重啟心臟(右圖)。

AED保護(hù)器的輸入不受高壓和電流沖擊的損害，因?yàn)橹篮螘r(shí)施加電擊，因此能夠，且確實(shí)能在電擊期間斷開(kāi)ECG監(jiān)護(hù)儀。然而，醫(yī)院用除顫器往往與獨(dú)立ECG或監(jiān)護(hù)儀配合使用，后者的ECG或監(jiān)護(hù)儀無(wú)法得到提前警告，必須要承受高壓和高電流沖擊。

ECG的除顫器保護(hù)

從圖1可知，電壓可能高達(dá)3kV至5 kV，電流高達(dá)50A。圖3所示除顫器測(cè)試配置看起來(lái)非常像標(biāo)準(zhǔn)ESD測(cè)試配置，但有一個(gè)重要區(qū)別。ESD測(cè)試具有皮法級(jí)的電容，但除顫器測(cè)試配置的電容則有數(shù)微法。因此，來(lái)自于除顫器的多余的能量必須在ECG之前消散掉。

圖3：除顫器測(cè)試配置(注意較大電容)。

圖4：典型ECG前端除顫器保護(hù)電路。LA = 左臂;RA = 右臂;RL = 右腿。

圖4所示為除顫器的典型ECG保護(hù)電路。為方便起見(jiàn)，我們標(biāo)記了頂部左臂(LA)輸入電路中的元件。正常ECG波形為毫伏數(shù)量級(jí)(0.5mV至7mV)，但高壓除顫器的數(shù)量級(jí)則為千伏，可持續(xù)5ms至20ms——這是個(gè)長(zhǎng)時(shí)間對(duì)于承受如此高壓的電子元件來(lái)說(shuō)。大多數(shù)ECG前端使用諸如圖2所示的氖輝光燈管進(jìn)行保護(hù)，例如NE-2或NE-23 (I1和I2)。NE-23內(nèi)部具有小放射點(diǎn)，提供光子，以穩(wěn)定電離電壓。氖輝光燈管的替代品是氣體放電避雷器管或瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。

電阻R1的范圍為10kΩ至20kΩ，可安裝在放大器內(nèi)或內(nèi)置到電纜，是串聯(lián)元件用于限制氖光燈中電流。電阻R2和R3，與電容C1、C2和C3一起，形成低通濾波器。二極管D1將電壓限制到較低電平。D1可為齊納二極管或雪崩二極管、金屬氧化物變阻器(MOV)，或者晶閘管浪涌保護(hù)器。D1電容與C1一起是低通濾波器的一部分。電容C2為共模濾波器，而C3提供差分濾波。通常C3比C2大10倍左右。SW1為高壓信號(hào)線保護(hù)器：檢測(cè)高電壓的開(kāi)關(guān)，關(guān)斷串聯(lián)開(kāi)關(guān)，打開(kāi)箝位電路，降低放大器處的電壓。SW1可用限流二極管代替，后者看起來(lái)像JFET，源極和漏極連接在一起。二極管D2和D3為ESD保護(hù)二極管，將放大器輸入箝位至電源。注意放大器頂部的C4和齊納二極管D6，其吸收和箝位正電源。C5和D7對(duì)負(fù)電源的作用相同。

“沒(méi)有什么是完美無(wú)缺的。”這句話世代相傳，我們?cè)谶@里又用上了。該ECG除顫器保護(hù)電路的權(quán)衡取決于放大器的保護(hù)和ECG正確工作所必須的頻率響應(yīng)的好壞。保護(hù)裝置的電容是保證正確心臟頻率響應(yīng)的關(guān)鍵。

重復(fù)的電擊會(huì)造成除顫器輸入裝置性能下降。由于電擊性能下降，以及除顫器的玻璃外殼破裂導(dǎo)致空氣和水進(jìn)入燈管，從而污染氖輝光燈管。所以，大多數(shù)制造商建議至少每年更換輸入保護(hù)裝置。在醫(yī)院環(huán)境下，ECG和除顫器使用頻繁，電擊次數(shù)更多，性能下降甚至更快。

現(xiàn)在，我們必須考慮射頻干擾(RFI)、靜電放電(ESD)、電磁干擾(EMI)以及抗擾性(EMS)對(duì)該保護(hù)設(shè)計(jì)的影響。

圖5：原理圖，防止ESD、EMI、EMS和RFI等有害的電氣現(xiàn)象的原理圖。

圖5中的裝置分為三類(lèi)：

1. 限壓裝置：氣體放電控制器、金屬氧化物變阻器、電壓抑制器二極管、雙向觸發(fā)二極管，以及開(kāi)關(guān)。

2. 限流裝置：保險(xiǎn)絲、斷路器以及熱熔斷路器。

3. 上升時(shí)間減速器：電阻、電感、線圈、磁珠和電容，這些元件均減緩瞬態(tài)的上升時(shí)間，從而為其它保護(hù)裝置預(yù)留動(dòng)作時(shí)間。

電容與電阻配合使用，磁珠以及電感作為低通濾波器。這種方法控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的抗混疊濾波。通過(guò)將沖擊在時(shí)間上進(jìn)行分散，從而放緩ESD上升時(shí)間，允許電容效率更高。每個(gè)電容的工作電壓、等效串聯(lián)電阻(ESR)以及自諧振頻率點(diǎn)必須與應(yīng)用的頻率及帶寬相匹配。自諧振頻率點(diǎn)可能意味著需要多個(gè)較小電容并聯(lián)，以吸收ESD的快速上升時(shí)間和除顫器電擊脈沖。

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都是相互的，他們?cè)诒Ｗo(hù)自身系統(tǒng)免受外部損害的同時(shí)，也避免器件有可能對(duì)外產(chǎn)生任何的意外的輻射信號(hào)。

所有這些器件都有助于ECG的保護(hù)電路。由于這將是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，所以明智的做法是對(duì)其進(jìn)行模擬。在這方面，有免費(fèi)及低成本的計(jì)算和仿真工具可用。

終極目標(biāo)是患者保護(hù)

有很多關(guān)于穿過(guò)心臟的安全電流水平的研究，醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生過(guò)上下浮動(dòng)，現(xiàn)在的安全水平據(jù)說(shuō)是低于4μA至10μA。這使得醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)是要求非?？量踢吘壴O(shè)計(jì)。同時(shí)也要注意，多種設(shè)備同時(shí)連接至患者的情況并不罕見(jiàn)。所以，總漏泄電流必須保持在能夠危及患者心臟的門(mén)限以下。

具體到現(xiàn)實(shí)中，除顫器設(shè)計(jì)者必須全面了解可能的電流輸入保護(hù)方法，然后選擇成本合理的最佳保護(hù)。必須始終保護(hù)患者，其中包括對(duì)醫(yī)療設(shè)備在使用期內(nèi)進(jìn)行正確檢查和校準(zhǔn)。