利用ECG AFE簡(jiǎn)化病人監(jiān)護(hù)儀設(shè)計(jì)

保證使用電氣連接設(shè)備的病人的安全同樣至關(guān)重要，但這會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。病人有時(shí)可能需要進(jìn)行除顫，在這時(shí)候，我們必須防止系統(tǒng)自身受到此類活動(dòng)的影響。不僅如此，還有其他的許多行業(yè)規(guī)范以及實(shí)踐中的實(shí)際問題也會(huì)影響系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)。

圖1是12導(dǎo)聯(lián)ECG(心電圖)監(jiān)控器件的典型信號(hào)鏈，架構(gòu)非常復(fù)雜，存在各種細(xì)微差別和復(fù)雜性。

ECG監(jiān)控

ECG的測(cè)量，即心臟的電活動(dòng)。測(cè)量ECG信號(hào)的設(shè)備包括便攜式動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀、臨床心電圖儀以及高通道心臟標(biāo)測(cè)系統(tǒng)，這些設(shè)備在不斷開發(fā)中。這些測(cè)量系統(tǒng)使用的環(huán)境十分廣泛，圖2中所示的是其中的一些典型場(chǎng)合。例如醫(yī)院的使用環(huán)境包括手術(shù)室、重癥監(jiān)護(hù)室、電生理實(shí)驗(yàn)室等，每種環(huán)境都有需要解決的設(shè)計(jì)難題。這些環(huán)境所面臨的設(shè)計(jì)難題的復(fù)雜性和測(cè)量目標(biāo)都十分廣泛，而且范圍仍在不斷擴(kuò)大。隨著醫(yī)療保健行業(yè)朝著遠(yuǎn)程病人監(jiān)控方向發(fā)展，開發(fā)人員面臨著一系列新的挑戰(zhàn)，需要隨時(shí)提出新的應(yīng)對(duì)措施。

ECG信號(hào)

ECG信號(hào)是心臟在一段時(shí)間內(nèi)電性活動(dòng)的經(jīng)胸反映，通過皮膚電極采集并于外部進(jìn)行記錄。它是由心電圖設(shè)備產(chǎn)生的無創(chuàng)記錄。ECG信號(hào)的幅度通常為0.25mV~5mV，由各種波所組成，如正常竇性心律圖。正常竇性心律的偏差說明可能存在異常，醫(yī)生可以借此評(píng)估病人的健康狀況并作出相應(yīng)處理。

ECG信號(hào)的采樣圖由P波、QRS波群和T波組成，代表一個(gè)心動(dòng)周期中的心臟電性活動(dòng)。一個(gè)心跳周期P波：心房收縮;QRS波群：心室興奮;T波：心室激動(dòng)后的復(fù)原活動(dòng)。如今，通過研究心臟不同層面的電氣特性，心臟病專家能夠確定很多與心臟功能相關(guān)的異常現(xiàn)象。如圖3所示。

ECG測(cè)量

在ECG測(cè)量中，電極即電勢(shì)傳感器，放置在胸部和/或四肢各個(gè)部位。導(dǎo)聯(lián)來自ECG電極的各種數(shù)學(xué)組合。雖然出于歷史的原因，有些人認(rèn)為這已經(jīng)過時(shí)，但在臨床環(huán)境中，12導(dǎo)聯(lián)ECG依然是最常見的設(shè)置。12導(dǎo)聯(lián)ECG包括三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)肢體導(dǎo)聯(lián)VR、VL與VF，也就是通常所說的Goldberg加壓導(dǎo)聯(lián)，以及6個(gè)心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)，即V1~V6。心前區(qū)導(dǎo)聯(lián)也稱V導(dǎo)聯(lián)，大多數(shù)心臟病專家認(rèn)為其屬于獨(dú)立矢量，這也是威爾遜中心電端和目標(biāo)V電極的差異所在。威爾遜中心電端本身由右臂、左臂和左腿導(dǎo)聯(lián)組成，可進(jìn)行3分頻。我們可以發(fā)現(xiàn)，要想形成12導(dǎo)聯(lián)ECG，只需連接9個(gè)電極即可。通常還會(huì)采用第10個(gè)電極來提供“右腿驅(qū)動(dòng)”，隨著映射的心臟層面增加，測(cè)量心臟生物電信號(hào)也變得更加復(fù)雜。

如圖4所示，Einthoven導(dǎo)聯(lián)和V導(dǎo)聯(lián)一樣可視為獨(dú)立矢量，信號(hào)來自導(dǎo)聯(lián)1、2、3，從兩臂間或一條手臂與左腿之間測(cè)量得出。加壓導(dǎo)聯(lián)aVL、aVR和aVF與導(dǎo)聯(lián)1、2、3源自同樣的三個(gè)電極。以aVL為例，正極為左臂，負(fù)極為右腿和右臂的組合。因此，上述導(dǎo)聯(lián)不屬于獨(dú)立導(dǎo)聯(lián)。在胸導(dǎo)聯(lián)連接V1~V6，6個(gè)正電極放置于胸部，之前提到的作為測(cè)量參考的威爾遜中心電端則相當(dāng)于負(fù)電極。

圖2醫(yī)療保健系統(tǒng)中需要ECG監(jiān)控的環(huán)境

圖3 ECG信號(hào)

圖4經(jīng)過心臟的aVx導(dǎo)聯(lián)測(cè)量

電極就位以后，就可以開始測(cè)量心臟的電性活動(dòng)。圖5顯示的是典型的12導(dǎo)聯(lián)ECG打印結(jié)果。橫軸方向每個(gè)大正方形為200ms，每個(gè)小正方形為40ms?？v軸方向當(dāng)增益為1時(shí)，每個(gè)小正方形相當(dāng)于100μV，即0.1mV。增益為1時(shí)，最左側(cè)的校準(zhǔn)信號(hào)代表1mV CAL信號(hào)的10mm垂直偏轉(zhuǎn)。1mV的CAL信號(hào)通常寬160ms。每個(gè)導(dǎo)聯(lián)均體現(xiàn)在ECG帶上，用以識(shí)別心臟特征的異常情況。

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