下一波便攜式智能診療設備讓人人成為家庭醫生

發布時間:2020-9-15 11:19    發布者:eechina
關鍵詞: 智能診療
我們對許多便攜式醫療設備已經耳熟能詳。數字溫度計、血壓計、血糖監護儀、血氧儀和脈搏/心率監測儀都屬于常見的非侵入式醫療設備。隨著時間的推移,這些設備已經從醫院轉移到了家里。這種趨勢還將持續下去,因為設備正在加入更敏感的監測能力和先進算法,使得診斷和治療功能不斷從醫院轉出。

造成這種轉移的一個關鍵因素是新增了智能引導式操作指令,使得這些原本很復雜的儀器變得容易使用。例如,在緊急情況下一些醫療設備可以幫到大忙。即便醫療專業人員不在現場,這些設備也可以“代替”醫生或護士并提供一定程度的護理,而以前在醫院之外這是不可能的。通過研究這些智能醫療設備的設計,我們可以更好地了解新一代智能醫療器械的演進方向以及可期待的功能類型。

智能操作 - 自動體外除顫器

自動體外除顫器 (AED) 是最顯眼的智能便攜式醫療設備之一,經常配備在機場、會議中心和公共建筑中。 AED用于在緊急情況下應對心臟驟停 (SCA),通過電擊來使心臟恢復正常工作。此外,AED還在醫院之外使用,設計成可由普通人操作,而非必須由醫學專業人士操作。這些設備提供簡單的音視頻說明和指導,可以指導操作人員安裝調試、診斷、治療,甚至報告給緊急醫療服務機構。這些設備會自動讀數,做出診斷,并確定最合適的下一步行動。

AED指明了下一波智能便攜式醫療設備的演進方向,并暗示了未來設備將提供的功能。AED的關鍵組件,如高級傳感器、模擬信號處理、數字濾波、無線通信、數據存儲、帶音頻和LCD視頻提示的高級人機界面、電池驅動和冗余故障安全處理,都將是智能醫療設備的常備組件。研究這些組件在AED中如何使用,將給予我們啟示,更好地在其它類型的醫療設備中加入智能功能。


圖1:AED設備示例(圖片來自: Defibtech)

AED的設計

或許AED設計中最具示范性并且也適用于其它醫療設備的是模擬檢測及濾波、數字信號處理、人機接口和通信功能。通過研究這些關鍵功能的設計細節,新一代便攜式醫療設備中要使用的技術就變得更清楚了。為了更好地理解傳感、診斷和操作,需要快速瀏覽一下AED中電子系統是如何驅動心臟工作的。

監測心臟

AED設備目前可以解決的兩種最典型的心律失常是心室顫動和室性心動過速。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,可能會最終導致心臟驟停。在室性心動過速 (V-Tach) 時,心臟跳動過快,難以有效泵出血液。長時間的室性心動過速,如不及時治療,會導致心室顫動 (V-Fib)。在心室顫動時,心臟的電活動變得混亂,中斷心室血液的正常高效泵送 。心臟的顫動隨時間衰減,最終會變成一個下降的“平線”,即心臟停止跳動。為更好地理解心臟監測儀的設計,可以先來回顧下心臟的電操作過程。

隨著電活動橫穿整個心房,它從SA節點進入到房室 (AV) 節點。 AV節點的作用是在傳導系統起到一個重要的延遲,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。因為主動脈有著更為粗壯的肌肉,QRS復合波的振幅比P波的大得多。 T波顯示了心室的再極化。 P波持續時間約為80毫秒,QRS復合波為80毫秒到120毫秒, T波則持續大約160毫秒。


圖2:心臟結構和心臟正常運作時的心電圖。
心臟結構見作者頁面 [GFDL 或 CC-BY-SA-3.0],來自維基共享資源 (Wikimedia Commons)
心電圖創建者為Agateller (Anthony Atkielski),通過atom轉換為svg。[公共域],來自維基共享資源

模擬檢測

在大多數AED設備中,有兩個傳感器墊用于測量心臟的電活動。這兩個傳感器還可以作為電擊的來源,用來讓不規則的心跳恢復正常、安全的節奏。在感應過程中,傳感器墊測量心臟各部分極化和去極化時產生的電壓。這些電壓非常小,通常約為10毫伏。由于信號隨個體而異,且取決于傳感器的位置,因此精確測量對于有效的設備操作至關重要。需要一個高性能的模數轉換器 (ADC) 來確保盡可能準確地捕獲信號。捕捉的頻率不是很高,因為我們處理的是一個生理過程,所以一個操作音頻的ADC應該是足夠的(請記住,ECG中各種波的持續時間大約是80到160毫秒),F代MCU通常有片上ADC外設,具有足夠的音頻處理能力。

一些醫療設備可能需要更復雜的測量,因此可能需要使用模擬前端 (AFE)。在可穿戴設備,如健身和醫療檢測儀中,已經開發出一種新技術,使用LED來進行脈搏血氧和心率傳感。由于功耗低、體積小,這項技術很可能還會應用到其他便攜式應用中。例如,Maxim MAX30100將傳感器和LED集成在一個設備中。該傳感器具有去除運動偽影的高信噪比、高采樣率和快速數據輸出等特點,為單片機提供了方便的AFE。


圖3:集成有LED和傳感器的Maxim MAX30100脈搏血氧儀和心率傳感器。

模擬濾波

AED在進行信號處理時需要多個濾波器,大多數智能醫療設備也是如此。第一個濾波器用來將關鍵信號成分中的背景噪聲消除。高通濾波器通常用來移除不相干的低頻信號,在AED中典型值設置為0.05Hz。低通濾波器用于移除不相關的高頻信號,在AED中典型值設置在150Hz。其它醫療設備可能使用不同的濾波器設置,但每個設備都需要設置濾波器以通過診斷算法中最重要的信號部分。

信號處理

一旦信號與噪聲源隔離,將重點測量所捕獲ECG波形的關鍵時序和幅度特性。ECG波形圖中P、QRS和T部分的時間周期和振幅測量,對于建立心臟事件開始和發展的節奏(或者失效)很重要。此后才能確定其他高級診斷措施以采取進一步操作。例如,心臟的平均電矢量方向(相對于振幅)可被用于確定是否存在阻塞或心臟疾;這也是正確診斷的重要事實。正常工作的AED在沒有檢測到需要它現身的心臟失率時不會放電。雖然AED主要是供經過培訓的人員操作,但是,如果不及時操作可能會有人死去,所以緊急情況下普通人也值得一試,特別是可以受到(可能遠程)醫務人員指導時。

人機界面

由于心臟驟停充滿混亂和不確定性,讓操作人員通過清晰、簡單、易于實現的指令使用AED對于AED設備來說很重要。在輔助用戶方面,最有用的是一系列充滿自信、令人放心的語音提示。語音提示應該采用操作人員的語言,或許在開始使用之前應該讓用戶從觸摸屏上自主選擇。視頻指令可用于增強語音指令,高分辨率的液晶面板容易與MCU進行交互,也使得視頻指令功能易于集成。串行閃存設備的大容量存儲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景。串行閃存還可以存儲治療過程中捕獲的音視頻信息,以幫助第一批響應人員檢查操作人員是否按照音視頻提示進行了操作,并輔助醫院工作人員復查以采取最恰當的后續護理。

通信能力進一步提升了應急響應效果

操作人員和應急服務中心之間的智能監控和通信也可以提升治療效果。盡管存儲在易于觀察的一體終端中,AED仍需要充電并定期進行功能測試。如有測試未通過,AED可以提醒服務機構更換該設備。如果有人試圖移除未通過自測的設備,AED可以使用本地通信網絡自動找到距離最近的可用設備,并自動指引操作人員到達該設備。這種功能在緊急事件中可能起到關鍵作用,比如地震或火災發生時有些設備可能會損壞或斷電。

結論

下一波便攜式診療設備將提供以前只有醫院或診所才能提供的智能診斷和治療方案。這些設備易于用在家里、緊急醫療情形、公共場所和辦公室,甚至可由未經訓練的非專業人士操作。也許不久的將來,如果被問到“家里有醫生嗎?”,你的回答可能將永遠是“有”,而這位醫生就是你。


文章來源:貿澤電子

作者簡介:Warren Miller在電子行業擁有30多年的經驗,在工程、應用、戰略營銷和產品規劃等領域擔任過多個職位,曾就職于Advanced Micro Devices、Actel和Avnet等大型電子公司,以及各種小型初創公司。他對工業、網絡和消費應用領域的可編程設備(PLD、FPGA、MCU和ASIC)有著深厚的經驗,并擁有多項設備專利。
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