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可挽救生命的醫療電子技術

上網時間: 2014年12月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:ECG  除顫器  射頻干擾  電路保護  EMI 

作者:Bill Laumeister, Maxim Integrated策略應用工程師

及時為心臟驟停(SCA)的患者胸部進行一個小小的電擊(例如以除顫器電擊),能夠因此挽救一條生命。電擊(3kV至5kV,50A)能夠阻止心臟產生無用的撲動(顫動),因為這種顫動將導致無法順利輸送血液至大腦和其它器官。這種電擊還能讓心臟重新循序漸進地泵送血液。

醫院通常採用一台心電圖(ECG)機搭配一個獨立的除顫器來監測心臟。當利用除顫器進行電擊時,ECG 探針(如電極)連接在患者身上。在毫無預警的情況下,ECG必須能承受這種電擊並持續正常工作。

根據美國心臟協會(AHA)統計,每年有將近383,000起發生在醫院外的心臟驟停意外,其中約88%都發生在家中。不幸的是,在醫院外發生心臟驟停的患者中,只有不到8%的人存活下來。在醫學術語中,心肌梗塞與心臟驟停是截然不同的。心臟驟停毫無警訊,人就這麼倒下了。心肌梗塞發生之前則通常有多種較明顯的徵兆。

如果不是皮膚的保護作用,極小的電流也會損害患者心臟。再者,對電敏感的患者,即使是微量電流(10μA)也會引起心室顫動。值得注意的是,使用ECG和獨立除顫器時,可將多種設備同時連接至患者。顯然地,總洩漏電流必須保持在可能傷及人類心臟的閾值限制以下。

除顫器和挽救生命的電擊

許多人認為除顫器是重啟心臟作業,但實際上是停止心臟工作。心臟中有一種稱為纖維顫動的隨機跳動,這意味著心臟工作不協調而不泵送血液。除顫器透過電擊使心臟進入不活動的狀態,讓正常竇性心律重新開始。

圖1所示為醫療級除顫器,訓練有素的醫護人員進行毫秒級的電擊以挽救生命。由於人體中大約有75%的成分是鹽水,除顫器必須能產生 3kV至5kV電壓和50A電流,讓身體傳導大部份電流,將心臟旁路。

圖1:帶電極的醫療級除顫器。
圖1:帶電極的醫療級除顫器。患者胸前貼有白色圓片(電極)與導線,連接至外部心電圖或心臟監護儀。

第二種除顫器(圖2)是自動體外除顫器(AED),專門設計供未經專業訓練的公眾使用。這些可拋棄式電極貼片有兩個目的:一是利用心電圖監測心臟;二是 施加高壓電擊。


圖2:胸部按壓CPR(上圖)迫使血液循環,為大腦及其它生命器官供血,直到AED重啟心臟(下圖)。
圖2:胸部按壓CPR(上圖)迫使血液循環,為大腦及其它生命器官供血,直到AED重啟心臟(下圖)。

AED保護其輸入不受高壓和電流衝擊的損害,因為它知道何時施加電擊,因此能夠且確實地在電擊期間中斷ECG監護儀。然而,醫療級除顫器往往與獨立ECG或監護儀配合使用, ECG或監護儀並不提供預警,因而必須承受高壓和高電流衝擊。

ECG的除顫器保護

從圖1可知,醫療級除顫器可產生高達3kV至5 kV電壓以及50A電流。圖3所示的除顫器測試配置看起來非常像標準ESD測試配置,但有一個重要區別:ESD測試具有皮法(pf)級電容器,但除顫器測試配置的電容器則有幾微法(mf)。因此,除顫器的多餘能量必須在ECG之前耗消掉。

圖3:除顫器測試配置。
圖3:除顫器測試配置。

圖4所示為除顫器的典型ECG保護電路。為方便起見,我們標記了頂部左臂(LA)輸入電路中的元件。正常ECG波形為毫伏級(0.5mV至7mV),但高壓除顫器的數量級則為千伏,可持續5ms至20ms——這對於承受如此高壓的電子元件來說已經是很長時間了。

圖4:典型ECG前端除顫器保護電路。
圖4:典型ECG前端除顫器保護電路。(LA = 左臂;RA = 右臂;RL = 右腿)

大多數ECG前端使用諸如圖2所示的氖輝光燈管進行保護,例如NE-2或NE-23 (I1和I2)。NE-23內部具有小放射點,提供光子,以穩定電離電壓。氖輝光燈管的替代品是氣體放電避雷器管或瞬態電壓抑制器(TVS)。

電阻R1的範圍為10k-20kΩ,可安裝在放大器輸入或內建於電纜中,是用於限制氖輝光燈電流的串聯元素。電阻R2和R3以及與電容器C1、C2和C3,共同形成低通濾波器。二極體D1將電壓限制到較低電平。D1可為齊納二極體或雪崩二極體、金屬氧化物變阻器(MOV)或者晶閘管突波保護器等。D1電容器連同C1 是低通濾波器的一部份。

電容器C2為共模濾波器,而C3提供差分濾波。C3通常比C2大10倍左右。SW1為高壓訊號線保護器:檢測高電壓的開關,切斷串聯開關,然後打開箝位電路,以便降低放大器的電壓。SW1可用限流二極體代替,這種限流二極體看起來像源極和漏極連接在一起的JFET。

二極體D2和D3為ESD保護二極體,將放大器輸入箝位至電源。請注意放大器頂部的C4和齊納二極體D6,二者均可吸收和箝位正向電壓軌。C5和D7則為負電源軌提供相同作用。

不過,沒有什麼是完美無缺的。該ECG除顫器保護電路還必須權衡放大器所受到的保護程度以及ECG正確工作所需要的頻率嚮應。保護裝置的電容是確保正確心臟頻率嚮應的關鍵。

重複的電擊會造成除顫器輸入裝置性能退化。由於電擊性能退化以及除顫器的玻璃外殼破裂導致空氣和水進入燈管,因而污染氖輝光燈管。所以,大多數製造商建議至少每年更換輸入保護裝置。在醫院環境下,ECG和除顫器使用相當頻繁,電擊次數更多,使得性能更快退化。

現在,我們必須考慮射頻干擾(RFI)、靜電放電(ESD)、電磁干擾(EMI)以及電磁耐受性(EMS)對該保護設計的影響。

圖5:除顫器設計原理圖
圖5:除顫器設計原理圖,它必須能夠防止ESD、EMI、EMS和RFI等有害的電氣現象。

圖5中的裝置分為三類:

  ˙限壓裝置:氣體放電控制器、MOV、電壓抑制器二極體、三端雙向可控矽元件、雙向觸發二極體以及開關等。

  ˙限流裝置:保險絲、斷路器以及熱熔斷路器。

  ˙上升時間減速器:電阻、電感、線圈、磁珠和電容器,這些元件均減緩瞬態的上升時間,因而為其它保護裝置預留動作時間。

電容器與電阻配合使用時,磁珠以及電感作為低通濾波器。這種方法控制資料轉換器的抗混疊濾波。透過將衝擊在時間上進行分散,因而放緩了ESD上升時間,允許電容器效率更高。每個電容器的工作電壓、等效串聯電阻(ESR)以及自諧振頻率點必須與應用的頻率及頻寬相匹配。自諧振頻率點可能意味著需要多個較小電容器並聯,以吸收ESD的快速上升時間和除顫器電擊脈衝。

每個網路都是相互的,他們在保護自身系統免受外部損害的同時,也避免元件可能對外產生任何意外的輻射訊號。

所有這些元件都有助於ECG的保護電路。由於這是一個複雜的系統,所以明智的做法是對其進行模擬。在這方面,有免費及低成本的運算和模擬工具可用。

終極目標是保護患者

有很多關於穿過心臟的安全電流位準相關研究,醫療設備的標準經過幾次改善,現在的安全位準據稱已低於4mA至10mA。這使得醫療設備的設計必須搭配非常嚴格的邊緣設計。同時也要注意,經常會看到多種設備同時連接至患者。所以,總漏泄電流必須保持在不至於危及患者心臟的閾值。

具體來說,除顫器設計者必須全面瞭解可能的電流輸入保護方法,然後選擇成本合理的最佳保護。更重要的是必須始終保護患者,其中包括對醫療設備在使用期內進行正確的檢查與校準。

(參考原文:Lightning Bolts, Defibrillators, and Protection Circuitry Save Lives,by Bill Laumeister)





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