創(chuàng)新醫(yī)療傳感器技術(shù)方案解析

信號采集的挑戰(zhàn)

ECG信號的測量可能極具挑戰(zhàn)性，因為存在著大的DC偏壓，以及各種干擾信號。一個典型電極上的這種電勢可以高達300mV。干擾信號包括來自電源的50Hz/60Hz干擾、由于病人活動而造成的運動干擾、電外科設(shè)備的射頻干擾、除顫脈沖、起搏器脈沖，以及其它監(jiān)護設(shè)備的干擾。

對于不同的最終設(shè)備， 一臺ECG將需要不同的精度和帶寬：- 頻率在0.05Hz~30Hz之間的標準監(jiān)護需求;- 頻率從0.05Hz~1000Hz的診斷型監(jiān)護需求。

采用高輸入阻抗儀表放大器(INA)可以抑制掉一些50Hz/60Hz的共模干擾，它消除了兩個輸入端上共同的交流線噪聲。要進一步抑制線路上的電源噪聲，可將信號反向，再由一個放大器通過右腿回送給病人。只要幾微安甚至更小的電流，就可以顯著提高CMR，并保持在UL544的限制范圍內(nèi)。另外，50Hz/60Hz的數(shù)字陷波濾波器也可以進一步降低這種干擾。

模擬前端的選項

對于便攜ECG而言，優(yōu)化模擬前端的功耗以及PCB區(qū)非常關(guān)鍵。由于技術(shù)的進步，現(xiàn)在有幾種前端的選擇：

采用低分辨率ADC(需要所有的濾波器);

采用高分辨率ADC(需要少量濾波器);

采用Σ-Δ ADC(不需要濾波器，除INA外不需要放大器，無DC偏移);

采用順序或同步采樣方案。

當使用低分辨率( 16位)ADC時，信號需要顯著地提高增益(通常是100x~200x)，才能達到所需分辨率。當使用高分辨率(24位)ADC時，信號需要4x~5x的適度增益。這樣就可以省掉第二個增益級，以及用于消除DC偏移的電路。這樣就從整體上減少了面積和成本。另外，Δ-Σ方案還保留了信號的全部頻率分量，從而為數(shù)字后處理帶來了極大的靈活性。

當采用順序采樣方案時， 每個通道都將ECG的導(dǎo)線復(fù)用到一個ADC上。此時，相鄰?fù)ǖ乐g有一個確定的扭曲。當采用同步采樣方案時， 每個通道都有一個專用ADC，因此通道之間沒有扭曲。

飛思卡爾有大量低成本的開發(fā)板，叫做MED-EKG模塊，這是一種極其萬能的系統(tǒng)，設(shè)計者可以快速地建立一個心電系統(tǒng)的原型。當用作飛思卡爾Tower系統(tǒng)的一部分時，設(shè)計者可獲得一個全功能的系統(tǒng)，通過一個定制設(shè)計的電路板，只要更換套件中的任何單個模塊，就可以方便地修改、更換或升級成一個定制的設(shè)計。

另外， 采用Monebo Kinetic ECG算法也使設(shè)計者能夠為用戶提供對ECG波形的信號處理與解析，從而幫助保健專家獲取心臟的參數(shù)。它提供高度精確的QRS(在一個典型心電圖上能看到的一組三個相連波—通常為心電圖軌跡中最重要、目視最明顯的部分)檢測，并能對多達16線的ECG捕捉數(shù)據(jù)做特征提取、心拍分類、間隔測量及節(jié)律分析等。

無觸點ECG不再是科學(xué)幻想。Plessey半導(dǎo)體公司與英國蘇塞克斯大學(xué)開發(fā)了電勢集成電路(EPIC)傳感器，這是一種電勢檢測(EPS)技術(shù)，這種傳感器的陣列只要裝在病人的胸口，就可以獲得相當于12線ECG的讀數(shù)，而沒有一堆導(dǎo)線、導(dǎo)電膠和容易脫落的電極。

肺

醫(yī)用呼吸機(也叫輔助呼吸機，或機械式呼吸機(MV))能將空氣推入病人的肺內(nèi)。呼吸機可以在重癥監(jiān)護治療中用作人工呼吸，或家庭中治療呼吸暫停疾病。現(xiàn)代設(shè)備采用了智能電路，能夠混合氣體，或根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)確定一個固定或受控的風(fēng)扇速度。意法半導(dǎo)體公司的解決方案包括所需要的全部半導(dǎo)體器件，以及通過批準的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)安靜且可靠的運行。

自從機械式呼吸機發(fā)明并在醫(yī)院和保健機構(gòu)中使用以來，它已經(jīng)拯救了很多人的生命。但重癥監(jiān)護病房(ICU)中用MV存活時間超過一周的病人會增加患醫(yī)療并發(fā)癥如呼吸機相關(guān)肺炎(VAP)及院內(nèi)感染的風(fēng)險，在ICU中的死亡率高6倍。

使用MV病人的橫隔膜肌會快速萎縮，隨著時間推移而越來越難以脫離呼吸機。

Avery Biomedical開發(fā)了一種呼吸起搏系統(tǒng)，它采用射頻(RF)耦合的接收器，能同時發(fā)送電源和信號。其重要性源于以下兩點：

1. 不存在植入的電池，因此沒有內(nèi)部損耗問題。除非機械損壞，否則對任何病人，植入體都可望終生使用，而與年齡無關(guān)。

2. 植入部件和外置部件之間沒有經(jīng)皮的連接。由于病人的皮膚沒有損傷，因此沒有對皮膚損傷的長期保護問題，也沒有慢性感染風(fēng)險。

另一個關(guān)鍵點是，系統(tǒng)采用的是負壓呼吸原理。即通過橫隔膜的收縮，使肺內(nèi)壓力低于大氣壓，讓空氣流入。這在生理上是正確的，也是我們現(xiàn)在呼吸的原理。正壓換氣(無論是面罩還是機械換氣機)都是壓氣，既不自然，也有患VAP或換氣相關(guān)肺炎的高風(fēng)險。VAP是呼吸機依賴病人再次入院的最常見原因。降低再入院率(減少Medicare/Medicaid為他們支付的費用)是最近醫(yī)療改革的焦點之一。

對于下一代裝置， 新的發(fā)展甚至采用血管電極的較少侵入性方法，適用于采用局部麻醉經(jīng)皮插入的病人(任何需要接觸內(nèi)部器官或其它組織的醫(yī)療過程都通過經(jīng)皮膚的針刺穿透，而不采用暴露內(nèi)部器官和組織的“切口”方案)，膈神經(jīng)可以通過電致運動，保持橫隔膜的強度與抗疲勞能力，改善呼吸，以及盡早脫離MV的可能性。一旦通過FDA和相關(guān)機構(gòu)的批準，這一技術(shù)還可縮短ICU停留時間，降低死亡率，并減少醫(yī)院的費用。

通過采用這種最少侵入性技術(shù)的正確膈神經(jīng)刺激，可以產(chǎn)生有節(jié)奏的隔膜收縮。膈神經(jīng)刺激的閾值電勢是1.26V。封裝電極激活神經(jīng)所需電流預(yù)計不到引線型電極的三倍。一般采用180μs脈沖周期的平衡雙相脈沖。

新型商用傳感器與手持設(shè)備(如iPhone、Blackberry與iPad)的微電路創(chuàng)新要求有低成本、小體積和低功耗。這些努力傳播到生物醫(yī)學(xué)電子領(lǐng)域，帶來了更多神奇的解決方案，可改善植入體，并通過非接觸性刺激和檢測裝置，如感應(yīng)電源與數(shù)據(jù)傳輸，以及低功耗RF器件，最終消除對大多數(shù)醫(yī)療植入體的需求。