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(yè)人員使用的醫(yī)療設(shè)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(yī)療設(shè)備的配置力度?！督】抵袊袆樱?019-2030年）》提出，要完善公共場所急救設(shè)施設(shè)備配備標準；《中華人民共和國基本醫(yī)療衛(wèi)生與健康促進法》也明確了公共場所應(yīng)當按照規(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下，近年來AED市場迎來高速增長。Frost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示，2014-2018年中國除顫儀行業(yè)市場規(guī)模（按銷售額統(tǒng)計）由5.6億元增長至10.2億元，，預(yù)測2026年中國AED行業(yè)市場規(guī)模將超過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，面對新一輪的市場要求，依托核心技術(shù)優(yōu)勢，提供大量的放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、信號處理、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(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)備都是語音提示，有些還可能有顯示屏，用于指導(dǎo)用戶操作。借助簡單的語音和可視命令，AED在設(shè)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(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(shè)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(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(shè)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(dǎo)聯(lián)ECG監(jiān)護儀（3/5/10導(dǎo)聯(lián)）對治療效果進行評估。除顫器電極中的ECG是簡單的單導(dǎo)聯(lián)ECG，用于R小波識別等基本ECG測量，而可選的多導(dǎo)聯(lián)ECG則是診斷監(jiān)視電平，可以檢測復(fù)雜問題。
如何應(yīng)對AED設(shè)計面臨的高要求？
在AED設(shè)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(shè)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(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(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，例如救護車、 直升機等高振動條件；陽光、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)級整體解決方案可滿足以上設(shè)計要求，并在提供評估板、仿真工具和應(yīng)用專業(yè)技術(shù)的同時，還可為客戶的設(shè)計和開發(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(fù)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(shè)設(shè)置?？傊?，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)計在安全性上的要求。
在ADI設(shè)計的AED系統(tǒng)信號鏈中，除了可滿足設(shè)計要求的產(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，它是在除顫前后對治療效果進行評估不可或缺的重要部分。ECG系統(tǒng)通過測量活組織表面電位來記錄心臟在一段時間內(nèi)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(shù)字化。由于需要抑制來自強射頻源、起搏信號、導(dǎo)聯(lián)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(fù)雜。
為了防止ECG前端受損，ECG系統(tǒng)需要內(nèi)置保護電路來應(yīng)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(shù)有源器件將無法耐受ESD 測試相關(guān)的電壓。為了幫助設(shè)計師設(shè)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(jīng)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(jié)構(gòu)，已經(jīng)過評估，能夠耐受最大的源/吸電流。
ADAS1000是ADI專門針對監(jiān)控級和診斷級心電圖測量而設(shè)計，由5個電極輸入和1個專用右腿驅(qū)動(RLD)輸出參考電極構(gòu)成，旨在簡化采集和確保高質(zhì)量ECG信號的任務(wù)。為了簡化產(chǎn)線測試、開發(fā)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(huán)冗余校驗(CRC)冗余測試，以及對所有相關(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實現(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監(jiān)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(dǎo)聯(lián)線/電極連接狀態(tài)、內(nèi)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(tǒng)的6導(dǎo)聯(lián)心電圖測量提供了方便。通過另外級聯(lián)一個ADAS1000-2（輔助）器件，系統(tǒng)可以進行真正的12導(dǎo)聯(lián)測量；通過級聯(lián)多個器件（3個及以上），系統(tǒng)可測量15條及以上的導(dǎo)聯(lián)線。
結(jié)語
AED市場東風已至，但由于使用頻率以及應(yīng)用場景等多方因素影響，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。ADI在發(fā)揮最強項的信號調(diào)理和信號處理能力基礎(chǔ)上，集成電源、無線傳輸?shù)韧暾盘栨?，推出模組乃至完整的系統(tǒng)級解決方案，使得AED系統(tǒng)設(shè)計人員能夠在ADI提供的系統(tǒng)信號鏈產(chǎn)品中找到一系列解決方案來應(yīng)對他們面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)。