心血管疾病導(dǎo)致的死亡位居各類疾病之首，而其中心源性猝死占心臟病死亡的比例約為50%或更高。心源性猝死絕大多數(shù)由心臟驟停即室顫引起，且95%發(fā)生在院外，生存率不足1%。對(duì)這類病人的最佳救治時(shí)間是“黃金4分鐘”，由于自動(dòng)體外除顫器(AED)是可被非專業(yè)人員使用的醫(yī)療設(shè)備，因此，AED被譽(yù)為心源性猝死患者的“救命神器”。
近年來(lái)，國(guó)家逐步加大對(duì)AED等急救醫(yī)療設(shè)備的配置力度。《健康中國(guó)行動(dòng)（2019-2030年）》提出，要完善公共場(chǎng)所急救設(shè)施設(shè)備配備標(biāo)準(zhǔn)；《中華人民共和國(guó)基本醫(yī)療衛(wèi)生與健康促進(jìn)法》也明確了公共場(chǎng)所應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定配備AED等必要的急救設(shè)備設(shè)施，提高院前急救效率。在需求和政策雙重推動(dòng)下，近年來(lái)AED市場(chǎng)迎來(lái)高速增長(zhǎng)。Frost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示，2014-2018年中國(guó)除顫儀行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模（按銷售額統(tǒng)計(jì)）由5.6億元增長(zhǎng)至10.2億元，，預(yù)測(cè)2026年中國(guó)AED行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)30億元。作為一家高性能半導(dǎo)體技術(shù)企業(yè)，ADI公司深耕醫(yī)療電子領(lǐng)域數(shù)十載，始終將領(lǐng)先模擬技術(shù)與醫(yī)療產(chǎn)業(yè)深度融合，面對(duì)新一輪的市場(chǎng)要求，依托核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提供大量的放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理、音頻處理、隔離和電源管理解決方案，使AED應(yīng)用的產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性達(dá)到最佳程度。
安全性第一，正確認(rèn)識(shí)自動(dòng)體外除顫器
AED是一種便攜式電子器件，可以自動(dòng)診斷可能危及患者生命的心室纖維性顫動(dòng)和心室性心博過(guò)速兩種心律失常癥狀。自動(dòng)一詞是指設(shè)備可以自主分析患者狀況；為了幫助分析的順利開展，多數(shù)設(shè)備都是語(yǔ)音提示，有些還可能有顯示屏，用于指導(dǎo)用戶操作。借助簡(jiǎn)單的語(yǔ)音和可視命令，AED在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮易用性，即使是外行也可輕松上手。
除顫器可以是體外式、經(jīng)靜脈式或植入式，具體取決于所用或所需設(shè)備的類型。體外除顫器按操作方式可以分為手動(dòng)型和自動(dòng)型兩種，按能量傳輸方式則可分為單相波形和雙相波形兩種。
除顫需要通過(guò)一種稱為除顫器的設(shè)備將治療劑量的電能送入患者心臟。這會(huì)使心肌的重要部分去極化，終止節(jié)律障礙，并借助人體心臟竇房結(jié)中的天然起搏器重新建立正常竇性心律。能量選擇由AED設(shè)備根據(jù)心電圖（ECG）和兩個(gè)除顫器電極的阻抗自動(dòng)確定，然后，安全處理器控制電路，以選定的能量為高電壓電容充電。在電容充電完成之后，設(shè)備會(huì)提示用戶進(jìn)行電擊操作，這是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的操作，必須進(jìn)行雙重確認(rèn)，以確保操作人員和患者的安全。在除顫前后，都可以使用選配的多導(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護(hù)儀（3/5/10導(dǎo)聯(lián)）對(duì)治療效果進(jìn)行評(píng)估。除顫器電極中的ECG是簡(jiǎn)單的單導(dǎo)聯(lián)ECG，用于R小波識(shí)別等基本ECG測(cè)量，而可選的多導(dǎo)聯(lián)ECG則是診斷監(jiān)視電平，可以檢測(cè)復(fù)雜問(wèn)題。
如何應(yīng)對(duì)AED設(shè)計(jì)面臨的高要求？
在AED設(shè)計(jì)中，安全性是首要考慮因素。任何操作都必須確保操作人員和患者的安全，因此有必要采用一些冗余設(shè)計(jì)。比如如果超時(shí)，則使已充電電容放電；如果目標(biāo)阻抗超出人體的承受范圍，則禁用能量傳輸功能。而且設(shè)備必須在內(nèi)部高電壓器件與低電壓器件之間提供隔離機(jī)制。正如大家所知，除顫工作于高電壓模式，而信號(hào)處理器則工作于低電壓模式。其次，快速響應(yīng)至關(guān)重要，由于AED是一種用于挽救生命的設(shè)備，因此，設(shè)備響應(yīng)越快，挽回生命的可能性就越大。此外，AED可以用于多種領(lǐng)域，例如救護(hù)車、 直升機(jī)等高振動(dòng)條件；陽(yáng)光、多雨天氣等室外應(yīng)用環(huán)境，因此，AED可能需要具備抗振能力、防水能力等，以適應(yīng)各種復(fù)雜條件。
ADI的系統(tǒng)級(jí)整體解決方案可滿足以上設(shè)計(jì)要求，并在提供評(píng)估板、仿真工具和應(yīng)用專業(yè)技術(shù)的同時(shí)，還可為客戶的設(shè)計(jì)和開發(fā)工作提供支持。
ADI公司的整體解決方案
在安全性上，ADI的精密模擬微控制器ADUC702X系列產(chǎn)品可滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，該系列產(chǎn)品為完全集成的1 MSPS、12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在單芯片內(nèi)集成高性能多通道ADC、16位/32位MCU和Flash/EE存儲(chǔ)器。其中ADC具有多達(dá)12路單端輸入，另外還有4個(gè)ADC輸入通道，與4個(gè)DAC輸出引腳復(fù)用。4路DAC輸出僅在特定型號(hào)上提供(ADuC7020、ADuC7026、ADuC7028和ADuC7029)。然而，在無(wú)DAC輸出的情況下，這些引腳仍然可以用作ADC的輸入引腳，這樣ADC的輸入最多可以達(dá)到16通道。ADC可以在單端或差分輸入模式下工作。低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器和電壓比較器完善了ADC的外設(shè)設(shè)置。總之，ADI這系列的低成本單芯片MCU，搭載豐富的外設(shè)，可完全滿足AED設(shè)計(jì)在安全性上的要求。
在ADI設(shè)計(jì)的AED系統(tǒng)信號(hào)鏈中，除了可滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品模塊外，還有多導(dǎo)聯(lián)ECG分立式模擬前端(AFE)解決方案，它是在除顫前后對(duì)治療效果進(jìn)行評(píng)估不可或缺的重要部分。ECG系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量活組織表面電位來(lái)記錄心臟在一段時(shí)間內(nèi)的電性活動(dòng)，它使用生物電位電極來(lái)拾取身體特定部位的心臟信號(hào)，兩個(gè)電極間的差分電壓或某一電極與多電極平均電壓之間的差分電壓可在測(cè)量后顯示為ECG輸出上的一個(gè)通道。AFE的主要功能是將心臟信號(hào)數(shù)字化。由于需要抑制來(lái)自強(qiáng)射頻源、起搏信號(hào)、導(dǎo)聯(lián)脫落信號(hào)、共模頻率、其他肌肉信號(hào)及電噪聲的干擾，該過(guò)程十分復(fù)雜。
為了防止ECG前端受損，ECG系統(tǒng)需要內(nèi)置保護(hù)電路來(lái)應(yīng)對(duì)靜電放電、除顫器放電或其他過(guò)壓過(guò)流事件。如果沒有某種形式的保護(hù)，多數(shù)有源器件將無(wú)法耐受ESD 測(cè)試相關(guān)的電壓。為了幫助設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)分立式除顫器保護(hù)電路，ADI低功耗、5電極 ECG AFE ADAS1000是功能全面的5通道ECG，集成了呼吸和脈搏檢測(cè)功能，經(jīng)過(guò)測(cè)試能夠耐受高水平的ESD和輸入電流電壓。ADAS1000 ECG AFE的封裝引腳具有大ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)，已經(jīng)過(guò)評(píng)估，能夠耐受最大的源/吸電流。
ADAS1000是ADI專門針對(duì)監(jiān)控級(jí)和診斷級(jí)心電圖測(cè)量而設(shè)計(jì)，由5個(gè)電極輸入和1個(gè)專用右腿驅(qū)動(dòng)(RLD)輸出參考電極構(gòu)成，旨在簡(jiǎn)化采集和確保高質(zhì)量ECG信號(hào)的任務(wù)。為了簡(jiǎn)化產(chǎn)線測(cè)試、開發(fā)以及提供整體上電測(cè)試，ADAS1000提供了許多特性。例如，通過(guò)校準(zhǔn)DAC提供直流和交流測(cè)試激勵(lì)、循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)冗余測(cè)試，以及對(duì)所有相關(guān)寄存器地址空間的回讀功能。輸入結(jié)構(gòu)為差分放大器輸入，允許用戶選擇不同配置方案來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)應(yīng)用。
ADAS1000功能框圖
ADAS1000不但支持基本的心電圖信號(hào)監(jiān)控元件，還配有多種功能，比如前面提到過(guò)的呼吸測(cè)量（胸阻抗測(cè)量）、導(dǎo)聯(lián)線/電極連接狀態(tài)、內(nèi)部校準(zhǔn)、起搏偽像檢測(cè)功能等。一個(gè)ADAS1000支持5個(gè)電極輸入，為進(jìn)行傳統(tǒng)的6導(dǎo)聯(lián)心電圖測(cè)量提供了方便。通過(guò)另外級(jí)聯(lián)一個(gè)ADAS1000-2（輔助）器件，系統(tǒng)可以進(jìn)行真正的12導(dǎo)聯(lián)測(cè)量；通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)器件（3個(gè)及以上），系統(tǒng)可測(cè)量15條及以上的導(dǎo)聯(lián)線。
結(jié)語(yǔ)
AED市場(chǎng)東風(fēng)已至，但由于使用頻率以及應(yīng)用場(chǎng)景等多方因素影響，AED產(chǎn)品的安全性、可靠性性成為目前各大廠商技術(shù)攻克要點(diǎn)。ADI在發(fā)揮最強(qiáng)項(xiàng)的信號(hào)調(diào)理和信號(hào)處理能力基礎(chǔ)上，集成電源、無(wú)線傳輸?shù)韧暾盘?hào)鏈，推出模組乃至完整的系統(tǒng)級(jí)解決方案，使得AED系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠在ADI提供的系統(tǒng)信號(hào)鏈產(chǎn)品中找到一系列解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)他們面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。