我們對(duì)許多便攜式醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)耳熟能詳。數(shù)字溫度計(jì)、血壓計(jì)、血糖監(jiān)護(hù)儀、血氧儀和脈搏/心率監(jiān)測(cè)儀都屬于常見(jiàn)的非侵入式醫(yī)療設(shè)備。隨著時(shí)間的推移，這些設(shè)備已經(jīng)逐漸從醫(yī)院走入尋常百姓家。這種趨勢(shì)還將持續(xù)下去，因?yàn)檫@些設(shè)備正在加入更敏感的監(jiān)測(cè)能力和先進(jìn)算法，使得診斷和治療功能越來(lái)越不需要醫(yī)院。

造成這種變化的一個(gè)關(guān)鍵因素是新增了智能引導(dǎo)式操作指令，使得這些原本很復(fù)雜的儀器變得更容易使用。例如，在緊急情況下，一些醫(yī)療設(shè)備可以幫到大忙。即便醫(yī)療專(zhuān)業(yè)人員不在現(xiàn)場(chǎng)，這些設(shè)備也可以“代替”醫(yī)生或護(hù)士并提供一定程度的護(hù)理，而以前在醫(yī)院之外這是不可能的。通過(guò)研究這些智能醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)，我們可以更好地了解新一代智能醫(yī)療器械的演進(jìn)方向以及可期待的功能類(lèi)型。

智能操作 - 自動(dòng)體外除顫器

自動(dòng)體外除顫器（AED）是最顯眼的智能便攜式醫(yī)療設(shè)備之一，經(jīng)常配備在機(jī)場(chǎng)、會(huì)議中心和公共建筑中。 AED用于在緊急情況下應(yīng)對(duì)心臟驟停（SCA），通過(guò)電擊來(lái)使心臟恢復(fù)正常工作。 AED是一種在醫(yī)院之外使用的設(shè)備，設(shè)計(jì)成可由普通人操作，而非必須由醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)人士操作。 這些設(shè)備提供簡(jiǎn)單的音視頻說(shuō)明和指導(dǎo)，可以指導(dǎo)操作人員安裝調(diào)試、診斷、治療，以及向緊急醫(yī)療服務(wù)機(jī)構(gòu)報(bào)告。 這些設(shè)備會(huì)自動(dòng)讀數(shù)，做出診斷，并確定最合適的下一步行動(dòng)。

AED指明了下一波智能便攜式醫(yī)療設(shè)備的演進(jìn)方向，并暗示了未來(lái)設(shè)備將提供的功能。AED的關(guān)鍵組件，如高級(jí)傳感器、模擬信號(hào)處理、數(shù)字濾波、無(wú)線通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、帶有音視頻提示的高級(jí)人機(jī)界面、電池驅(qū)動(dòng)和冗余故障安全處理，都將是智能醫(yī)療設(shè)備的常備組件。研究這些組件在AED中如何使用，將給予我們啟示，以便更好地在其它類(lèi)型的醫(yī)療設(shè)備中加入智能功能。

圖1：AED設(shè)備示例（圖片來(lái)自：Defibtech）

AED的設(shè)計(jì)

或許AED設(shè)計(jì)中最具示范性并且也適用于其它醫(yī)療設(shè)備的是模擬檢測(cè)及濾波、數(shù)字信號(hào)處理、人機(jī)接口和通信功能。通過(guò)研究這些關(guān)鍵功能的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，新一代便攜式醫(yī)療設(shè)備中要使用的技術(shù)就變得更清楚了。為了更好地理解傳感、診斷和操作，我們有必要快速瀏覽一下AED中電子系統(tǒng)是如何驅(qū)動(dòng)心臟工作的。

監(jiān)測(cè)心臟

AED設(shè)備目前可以解決的兩種最典型的心律失常是心室顫動(dòng)和室性心動(dòng)過(guò)速。在AED可治療的這兩種狀況下，心臟是工作的，但工作模式不正常，可能會(huì)最終導(dǎo)致心臟驟停。在室性心動(dòng)過(guò)速（V-Tach）時(shí)，心臟跳動(dòng)過(guò)快，難以有效泵出血液。長(zhǎng)時(shí)間的室性心動(dòng)過(guò)速，如不及時(shí)治療，會(huì)導(dǎo)致心室顫動(dòng)（V-Fib）。在心室顫動(dòng)時(shí)，心臟的電活動(dòng)變得混亂，中斷心室血液的正常高效泵送。心臟的顫動(dòng)隨時(shí)間衰減，最終會(huì)變成一個(gè)下降的“平線”，即心臟停止跳動(dòng)。為更好地理解心臟監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)，可以先來(lái)回顧下心臟的電操作過(guò)程。

隨著電活動(dòng)橫穿整個(gè)心房，它從SA節(jié)點(diǎn)進(jìn)入到房室（AV）節(jié)點(diǎn)。AV節(jié)點(diǎn)的作用是在傳導(dǎo)系統(tǒng)中起到一個(gè)重要的延遲，在ECG曲線中表示為PR段。ECG中的QRS部分顯示了右心室和左心室的快速去極化。因?yàn)橹鲃?dòng)脈有著更為粗壯的肌肉，QRS復(fù)合波的振幅比P波的大得多。T波顯示了心室的再極化。P波持續(xù)時(shí)間約為80毫秒，QRS復(fù)合波為80毫秒到120毫秒，T波則持續(xù)大約160毫秒。

圖2：心臟結(jié)構(gòu)和心臟正常運(yùn)作時(shí)的心電圖

心臟結(jié)構(gòu)見(jiàn)作者頁(yè)面 ［GFDL或CC-BY-SA-3.0］，來(lái)自維基共享資源（Wikimedia Commons）心電圖創(chuàng)建者為Agateller（Anthony Atkielski），通過(guò)atom轉(zhuǎn)換為svg。［公共域］，來(lái)自維基共享資源

模擬檢測(cè)

在大多數(shù)AED設(shè)備中，有兩個(gè)傳感器墊用于測(cè)量心臟的電活動(dòng)。這兩個(gè)傳感器還可以作為電擊的來(lái)源，用來(lái)讓不規(guī)則的心跳恢復(fù)正常、安全的節(jié)奏。在感應(yīng)過(guò)程中，傳感器墊測(cè)量心臟各部分極化和去極化時(shí)產(chǎn)生的電壓。這些電壓非常小，通常約為10毫伏。由于信號(hào)隨個(gè)體而異，且取決于傳感器的位置，因此精確測(cè)量對(duì)于有效的設(shè)備操作至關(guān)重要。需要一個(gè)高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來(lái)確保盡可能準(zhǔn)確地捕獲信號(hào)。捕捉的頻率不是很高，因?yàn)槲覀兲幚淼氖且粋€(gè)生理過(guò)程，所以一個(gè)操作音頻的ADC應(yīng)該是足夠的（請(qǐng)記住，ECG中各種波的持續(xù)時(shí)間大約是80到160毫秒）?，F(xiàn)代MCU通常有片上ADC外設(shè)，具有足夠的音頻處理能力。

一些醫(yī)療設(shè)備可能需要更復(fù)雜的測(cè)量，因此可能需要使用模擬前端（AFE）。在可穿戴設(shè)備，如健身和醫(yī)療檢測(cè)儀中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新技術(shù)，使用LED來(lái)進(jìn)行脈搏血氧和心率傳感。由于功耗低、體積小，這項(xiàng)技術(shù)很可能還會(huì)應(yīng)用到其他便攜式應(yīng)用中。例如，Maxim MAX30100將傳感器和LED集成在一個(gè)設(shè)備中。該傳感器具有能夠去除運(yùn)動(dòng)偽影的高信噪比、高采樣率和快速數(shù)據(jù)輸出等特點(diǎn)，為單片機(jī)提供了方便的AFE。

模擬濾波

AED在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)需要多個(gè)濾波器，大多數(shù)智能醫(yī)療設(shè)備也是如此。第一個(gè)濾波器用來(lái)將關(guān)鍵信號(hào)成分中的背景噪聲消除。高通濾波器通常用來(lái)移除不相干的低頻信號(hào)，在AED中典型值設(shè)置為0.05Hz。低通濾波器用于移除不相關(guān)的高頻信號(hào)，在AED中典型值設(shè)置在150Hz。其它醫(yī)療設(shè)備可能使用不同的濾波器設(shè)置，但每個(gè)設(shè)備都需要設(shè)置濾波器以便讓診斷算法中最重要的信號(hào)部分能夠通過(guò)。

信號(hào)處理

一旦信號(hào)與噪聲源隔離，就將重點(diǎn)測(cè)量所捕獲ECG波形的關(guān)鍵時(shí)序和幅度特性。ECG波形圖中P、QRS和T部分的時(shí)間周期和振幅測(cè)量，對(duì)于建立心臟事件開(kāi)始和發(fā)展的節(jié)奏（或者失效）很重要。此后才能確定其他高級(jí)診斷措施以采取進(jìn)一步操作。例如，心臟的平均電矢量方向（相對(duì)于振幅）可被用于確定是否存在阻塞或心臟疾病；這也是對(duì)正確診斷而言非常重要的事實(shí)。正常工作的AED在沒(méi)有檢測(cè)到需要它現(xiàn)身的心臟失率時(shí)不會(huì)放電。雖然AED主要是供經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的人員操作，但是，如果不及時(shí)操作可能會(huì)有人死去，所以緊急情況下普通人也值得一試，特別是可以受到在場(chǎng)或遠(yuǎn)程的醫(yī)務(wù)人員指導(dǎo)時(shí)。

人機(jī)界面

由于心臟驟停充滿混亂和不確定性，讓操作人員通過(guò)清晰、簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的指令使用AED對(duì)于AED設(shè)備來(lái)說(shuō)很重要。在輔助用戶方面，最有用的是一系列充滿自信、令人放心的語(yǔ)音提示。語(yǔ)音提示應(yīng)該采用操作人員的語(yǔ)言，或許在開(kāi)始使用之前應(yīng)該讓用戶從觸摸屏上自主選擇。視頻指令可用于增強(qiáng)語(yǔ)音指令，高分辨率的液晶面板容易與MCU進(jìn)行交互，也使得視頻指令功能易于集成。串行閃存設(shè)備的大容量存儲(chǔ)可以輕松提供各種視頻指令，覆蓋各種可能的診斷和治療程序場(chǎng)景。串行閃存還可以存儲(chǔ)治療過(guò)程中捕獲的音視頻信息，以幫助第一批響應(yīng)人員檢查操作人員是否按照音視頻提示進(jìn)行了操作，并輔助醫(yī)院工作人員復(fù)查以采取最恰當(dāng)?shù)暮罄m(xù)護(hù)理。

通信能力進(jìn)一步提升了應(yīng)急響應(yīng)效果

操作人員和應(yīng)急服務(wù)中心之間的智能監(jiān)控和通信也可以提升治療效果。盡管AED存儲(chǔ)在易于觀察的一體終端中，但它仍需要充電并定期進(jìn)行功能測(cè)試。如有測(cè)試未通過(guò)，AED可以提醒服務(wù)機(jī)構(gòu)更換該設(shè)備。如果有人試圖移除未通過(guò)自測(cè)的設(shè)備，AED可以使用本地通信網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)找到距離最近的可用設(shè)備，并自動(dòng)指引操作人員到達(dá)該設(shè)備。這種功能在緊急事件中可能起到關(guān)鍵作用，比如地震或火災(zāi)發(fā)生時(shí)有些設(shè)備可能會(huì)損壞或斷電。

結(jié)論

下一波便攜式診療設(shè)備將提供以前只有醫(yī)院或診所才能提供的智能診斷和治療方案。這些設(shè)備易于用在家里、緊急醫(yī)療情形、公共場(chǎng)所和辦公室，甚至可由未經(jīng)訓(xùn)練的非專(zhuān)業(yè)人士操作。也許不久的將來(lái)，如果被問(wèn)到“家里有醫(yī)生嗎？”，你的回答可能將永遠(yuǎn)是“有”，而這位醫(yī)生就是你。

作者：Warren Miller

Warren Miller在電子行業(yè)擁有30多年的經(jīng)驗(yàn)，在工程、應(yīng)用、戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)和產(chǎn)品規(guī)劃等領(lǐng)域擔(dān)任過(guò)多個(gè)職位，曾就職于Advanced Micro Devices、Actel和Avnet等大型電子公司，以及各種小型初創(chuàng)公司。他對(duì)工業(yè)、網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域的可編程設(shè)備（PLD、FPGA、MCU和ASIC）有著深厚的經(jīng)驗(yàn)，并擁有多項(xiàng)設(shè)備專(zhuān)利。

責(zé)任編輯：haq