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設計出高安全性高可靠性的產品,迎接自動體外除顫器市場

2021-08-26 來源:EEWORLD

心血管疾病導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由心臟驟停即室顫引起,且95%發生在院外,生存率不足1%。對這類病人的最佳救治時間是“黃金4分鐘”,由于自動體外除顫器(AED)是可被非專業人員使用的醫療設備,因此,AED被譽為心源性猝死患者的“救命神器”。


近年來,國家逐步加大對AED等急救醫療設備的配置力度。《健康中國行動(2019-2030年)》提出,要完善公共場所急救設施設備配備標準;《中華人民共和國基本醫療衛生與健康促進法》也明確了公共場所應當按照規定配備AED等必要的急救設備設施,提高院前急救效率。在需求和政策雙重推動下,近年來AED市場迎來高速增長。Frost&Sullivan數據顯示,2014-2018年中國除顫儀行業市場規模(按銷售額統計)由5.6億元增長至10.2億元,,預測2026年中國AED行業市場規模將超過30億元。作為一家高性能半導體技術企業,ADI公司深耕醫療電子領域數十載,始終將領先模擬技術與醫療產業深度融合,面對新一輪的市場要求,依托核心技術優勢,提供大量的放大器、數據轉換、信號處理、音頻處理、隔離和電源管理解決方案,使AED應用的產品質量和可靠性達到最佳程度。


安全性第一,正確認識自動體外除顫器


AED是一種便攜式電子器件,可以自動診斷可能危及患者生命的心室纖維性顫動和心室性心博過速兩種心律失常癥狀。自動一詞是指設備可以自主分析患者狀況;為了幫助分析的順利開展,多數設備都是語音提示,有些還可能有顯示屏,用于指導用戶操作。借助簡單的語音和可視命令,AED在設計時充分考慮易用性,即使是外行也可輕松上手。


除顫器可以是體外式、經靜脈式或植入式,具體取決于所用或所需設備的類型。體外除顫器按操作方式可以分為手動型和自動型兩種,按能量傳輸方式則可分為單相波形和雙相波形兩種。


除顫需要通過一種稱為除顫器的設備將治療劑量的電能送入患者心臟。這會使心肌的重要部分去極化,終止節律障礙,并借助人體心臟竇房結中的天然起搏器重新建立正常竇性心律。能量選擇由AED設備根據心電圖(ECG)和兩個除顫器電極的阻抗自動確定,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,設備會提示用戶進行電擊操作,這是一項高風險的操作,必須進行雙重確認,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聯ECG監護儀(3/5/10導聯)對治療效果進行評估。除顫器電極中的ECG是簡單的單導聯ECG,用于R小波識別等基本ECG測量,而可選的多導聯ECG則是診斷監視電平,可以檢測復雜問題。

 

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如何應對AED設計面臨的高要求?


在AED設計中,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計。比如如果超時,則使已充電電容放電;如果目標阻抗超出人體的承受范圍,則禁用能量傳輸功能。而且設備必須在內部高電壓器件與低電壓器件之間提供隔離機制。正如大家所知,除顫工作于高電壓模式,而信號處理器則工作于低電壓模式。其次,快速響應至關重要,由于AED是一種用于挽救生命的設備,因此,設備響應越快,挽回生命的可能性就越大。此外,AED可以用于多種領域,例如救護車、 直升機等高振動條件;陽光、多雨天氣等室外應用環境,因此,AED可能需要具備抗振能力、防水能力等,以適應各種復雜條件。


ADI的系統級整體解決方案可滿足以上設計要求,并在提供評估板、仿真工具和應用專業技術的同時,還可為客戶的設計和開發工作提供支持。


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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系列產品可滿足系統的設計要求,該系列產品為完全集成的1 MSPS、12位數據采集系統,在單芯片內集成高性能多通道ADC、16位/32位MCU和Flash/EE存儲器。其中ADC具有多達12路單端輸入,另外還有4個ADC輸入通道,與4個DAC輸出引腳復用。4路DAC輸出僅在特定型號上提供(ADuC7020、ADuC7026、ADuC7028和ADuC7029)。然而,在無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。低漂移帶隙基準電壓源、溫度傳感器和電壓比較器完善了ADC的外設設置。總之,ADI這系列的低成本單芯片MCU,搭載豐富的外設,可完全滿足AED設計在安全性上的要求。 


在ADI設計的AED系統信號鏈中,除了可滿足設計要求的產品模塊外,還有多導聯ECG分立式模擬前端(AFE)解決方案,它是在除顫前后對治療效果進行評估不可或缺的重要部分。ECG系統通過測量活組織表面電位來記錄心臟在一段時間內的電性活動,它使用生物電位電極來拾取身體特定部位的心臟信號,兩個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量后顯示為ECG輸出上的一個通道。AFE的主要功能是將心臟信號數字化。由于需要抑制來自強射頻源、起搏信號、導聯脫落信號、共模頻率、其他肌肉信號及電噪聲的干擾,該過程十分復雜。


為了防止ECG前端受損,ECG系統需要內置保護電路來應對靜電放電、除顫器放電或其他過壓過流事件。如果沒有某種形式的保護,多數有源器件將無法耐受ESD 測試相關的電壓。為了幫助設計師設計分立式除顫器保護電路,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功能,經過測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保護結構,已經過評估,能夠耐受最大的源/吸電流。


ADAS1000是ADI專門針對監控級和診斷級心電圖測量而設計,由5個電極輸入和1個專用右腿驅動(RLD)輸出參考電極構成,旨在簡化采集和確保高質量ECG信號的任務。為了簡化產線測試、開發以及提供整體上電測試,ADAS1000提供了許多特性。例如,通過校準DAC提供直流和交流測試激勵、循環冗余校驗(CRC)冗余測試,以及對所有相關寄存器地址空間的回讀功能。輸入結構為差分放大器輸入,允許用戶選擇不同配置方案來實現優質應用。


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ADAS1000功能框圖


ADAS1000不但支持基本的心電圖信號監控元件,還配有多種功能,比如前面提到過的呼吸測量(胸阻抗測量)、導聯線/電極連接狀態、內部校準、起搏偽像檢測功能等。一個ADAS1000支持5個電極輸入,為進行傳統的6導聯心電圖測量提供了方便。通過另外級聯一個ADAS1000-2(輔助)器件,系統可以進行真正的12導聯測量;通過級聯多個器件(3個及以上),系統可測量15條及以上的導聯線。


結語


AED市場東風已至,但由于使用頻率以及應用場景等多方因素影響,AED產品的安全性、可靠性性成為目前各大廠商技術攻克要點。ADI在發揮最強項的信號調理和信號處理能力基礎上,集成電源、無線傳輸等完整信號鏈,推出模組乃至完整的系統級解決方案,使得AED系統設計人員能夠在ADI提供的系統信號鏈產品中找到一系列解決方案來應對他們面臨的設計挑戰。


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