下一波便携式智能诊疗设备让人人成为家庭医生

2020年09月15日 11:19
我们对许多便携式医疗设备已经耳熟能详。数字温度计、血压计、血糖监护仪、血氧仪和脉搏/心率监测仪都属于常见的非侵入式医疗设备。随着时间的推移,这些设备已经从医院转移到了家里。这种趋势还将持续下去,因为设备正在加入更敏感的监测能力和先进算法,使得诊断和治疗功能不断从医院转出。

造成这种转移的一个关键因素是新增了智能引导式操作指令,使得这些原本很复杂的仪器变得容易使用。例如,在紧急情况下一些医疗设备可以帮到大忙。即便医疗专业人员不在现场,这些设备也可以“代替”医生或护士并提供一定程度的护理,而以前在医院之外这是不可能的。通过研究这些智能医疗设备的设计,我们可以更好地了解新一代智能医疗器械的演进方向以及可期待的功能类型。

智能操作 - 自动体外除颤器

自动体外除颤器 (AED) 是最显眼的智能便携式医疗设备之一,经常配备在机场、会议中心和公共建筑中。 AED用于在紧急情况下应对心脏骤停 (SCA),通过电击来使心脏恢复正常工作。此外,AED还在医院之外使用,设计成可由普通人操作,而非必须由医学专业人士操作。这些设备提供简单的音视频说明和指导,可以指导操作人员安装调试、诊断、治疗,甚至报告给紧急医疗服务机构。这些设备会自动读数,做出诊断,并确定最合适的下一步行动。

AED指明了下一波智能便携式医疗设备的演进方向,并暗示了未来设备将提供的功能。AED的关键组件,如高级传感器、模拟信号处理、数字滤波、无线通信、数据存储、带音频和LCD视频提示的高级人机界面、电池驱动和冗余故障安全处理,都将是智能医疗设备的常备组件。研究这些组件在AED中如何使用,将给予我们启示,更好地在其它类型的医疗设备中加入智能功能。


图1:AED设备示例(图片来自: Defibtech)

AED的设计

或许AED设计中最具示范性并且也适用于其它医疗设备的是模拟检测及滤波、数字信号处理、人机接口和通信功能。通过研究这些关键功能的设计细节,新一代便携式医疗设备中要使用的技术就变得更清楚了。为了更好地理解传感、诊断和操作,需要快速浏览一下AED中电子系统是如何驱动心脏工作的。

监测心脏

AED设备目前可以解决的两种最典型的心律失常是心室颤动和室性心动过速。在AED可治疗的这两种状况下,心脏是工作的,但工作模式不正常,可能会最终导致心脏骤停。在室性心动过速 (V-Tach) 时,心脏跳动过快,难以有效泵出血液。长时间的室性心动过速,如不及时治疗,会导致心室颤动 (V-Fib)。在心室颤动时,心脏的电活动变得混乱,中断心室血液的正常高效泵送 。心脏的颤动随时间衰减,最终会变成一个下降的“平线”,即心脏停止跳动。为更好地理解心脏监测仪的设计,可以先来回顾下心脏的电操作过程。

随着电活动横穿整个心房,它从SA节点进入到房室 (AV) 节点。 AV节点的作用是在传导系统起到一个重要的延迟,在ECG曲线中表示为PR段。ECG中的QRS部分显示了右心室和左心室的快速去极化。因为主动脉有着更为粗壮的肌肉,QRS复合波的振幅比P波的大得多。 T波显示了心室的再极化。 P波持续时间约为80毫秒,QRS复合波为80毫秒到120毫秒, T波则持续大约160毫秒。


图2:心脏结构和心脏正常运作时的心电图。
心脏结构见作者页面 ,来自维基共享资源 (Wikimedia Commons)
心电图创建者为Agateller (Anthony Atkielski),通过atom转换为svg。[公共域],来自维基共享资源

模拟检测

在大多数AED设备中,有两个传感器垫用于测量心脏的电活动。这两个传感器还可以作为电击的来源,用来让不规则的心跳恢复正常、安全的节奏。在感应过程中,传感器垫测量心脏各部分极化和去极化时产生的电压。这些电压非常小,通常约为10毫伏。由于信号随个体而异,且取决于传感器的位置,因此精确测量对于有效的设备操作至关重要。需要一个高性能的模数转换器 (ADC) 来确保尽可能准确地捕获信号。捕捉的频率不是很高,因为我们处理的是一个生理过程,所以一个操作音频的ADC应该是足够的(请记住,ECG中各种波的持续时间大约是80到160毫秒)。现代MCU通常有片上ADC外设,具有足够的音频处理能力。

一些医疗设备可能需要更复杂的测量,因此可能需要使用模拟前端 (AFE)。在可穿戴设备,如健身和医疗检测仪中,已经开发出一种新技术,使用LED来进行脉搏血氧和心率传感。由于功耗低、体积小,这项技术很可能还会应用到其他便携式应用中。例如,Maxim MAX30100将传感器和LED集成在一个设备中。该传感器具有去除运动伪影的高信噪比、高采样率和快速数据输出等特点,为单片机提供了方便的AFE。


图3:集成有LED和传感器的Maxim MAX30100脉搏血氧仪和心率传感器。

模拟滤波

AED在进行信号处理时需要多个滤波器,大多数智能医疗设备也是如此。第一个滤波器用来将关键信号成分中的背景噪声消除。高通滤波器通常用来移除不相干的低频信号,在AED中典型值设置为0.05Hz。低通滤波器用于移除不相关的高频信号,在AED中典型值设置在150Hz。其它医疗设备可能使用不同的滤波器设置,但每个设备都需要设置滤波器以通过诊断算法中最重要的信号部分。

信号处理

一旦信号与噪声源隔离,将重点测量所捕获ECG波形的关键时序和幅度特性。ECG波形图中P、QRS和T部分的时间周期和振幅测量,对于建立心脏事件开始和发展的节奏(或者失效)很重要。此后才能确定其他高级诊断措施以采取进一步操作。例如,心脏的平均电矢量方向(相对于振幅)可被用于确定是否存在阻塞或心脏疾病;这也是正确诊断的重要事实。正常工作的AED在没有检测到需要它现身的心脏失率时不会放电。虽然AED主要是供经过培训的人员操作,但是,如果不及时操作可能会有人死去,所以紧急情况下普通人也值得一试,特别是可以受到(可能远程)医务人员指导时。

人机界面

由于心脏骤停充满混乱和不确定性,让操作人员通过清晰、简单、易于实现的指令使用AED对于AED设备来说很重要。在辅助用户方面,最有用的是一系列充满自信、令人放心的语音提示。语音提示应该采用操作人员的语言,或许在开始使用之前应该让用户从触摸屏上自主选择。视频指令可用于增强语音指令,高分辨率的液晶面板容易与MCU进行交互,也使得视频指令功能易于集成。串行闪存设备的大容量存储可以轻松提供各种视频指令,覆盖各种可能的诊断和治疗程序场景。串行闪存还可以存储治疗过程中捕获的音视频信息,以帮助第一批响应人员检查操作人员是否按照音视频提示进行了操作,并辅助医院工作人员复查以采取最恰当的后续护理。

通信能力进一步提升了应急响应效果

操作人员和应急服务中心之间的智能监控和通信也可以提升治疗效果。尽管存储在易于观察的一体终端中,AED仍需要充电并定期进行功能测试。如有测试未通过,AED可以提醒服务机构更换该设备。如果有人试图移除未通过自测的设备,AED可以使用本地通信网络自动找到距离最近的可用设备,并自动指引操作人员到达该设备。这种功能在紧急事件中可能起到关键作用,比如地震或火灾发生时有些设备可能会损坏或断电。

结论

下一波便携式诊疗设备将提供以前只有医院或诊所才能提供的智能诊断和治疗方案。这些设备易于用在家里、紧急医疗情形、公共场所和办公室,甚至可由未经训练的非专业人士操作。也许不久的将来,如果被问到“家里有医生吗?”,你的回答可能将永远是“有”,而这位医生就是你。


文章来源:贸泽电子

作者简介:Warren Miller在电子行业拥有30多年的经验,在工程、应用、战略营销和产品规划等领域担任过多个职位,曾就职于Advanced Micro Devices、Actel和Avnet等大型电子公司,以及各种小型初创公司。他对工业、网络和消费应用领域的可编程设备(PLD、FPGA、MCU和ASIC)有着深厚的经验,并拥有多项设备专利。