创新医疗传感器技术方案解析

信号采集的挑战

ECG信号的测量可能极具挑战性，因为存在着大的DC偏压，以及各种干扰信号。一个典型电极上的这种电势可以高达300mV。干扰信号包括来自电源的50Hz/60Hz干扰、由于病人活动而造成的运动干扰、电外科设备的射频干扰、除颤脉冲、起搏器脉冲，以及其它监护设备的干扰。

对于不同的最终设备， 一台ECG将需要不同的精度和带宽：- 频率在0.05Hz~30Hz之间的标准监护需求;- 频率从0.05Hz~1000Hz的诊断型监护需求。

采用高输入阻抗仪表放大器(INA)可以抑制掉一些50Hz/60Hz的共模干扰，它消除了两个输入端上共同的交流线噪声。要进一步抑制线路上的电源噪声，可将信号反向，再由一个放大器通过右腿回送给病人。只要几微安甚至更小的电流，就可以显著提高CMR，并保持在UL544的限制范围内。另外，50Hz/60Hz的数字陷波滤波器也可以进一步降低这种干扰。

模拟前端的选项

对于便携ECG而言，优化模拟前端的功耗以及PCB区非常关键。由于技术的进步，现在有几种前端的选择：

采用低分辨率ADC(需要所有的滤波器);

采用高分辨率ADC(需要少量滤波器);

采用Σ-Δ ADC(不需要滤波器，除INA外不需要放大器，无DC偏移);

采用顺序或同步采样方案。

当使用低分辨率( 16位)ADC时，信号需要显著地提高增益(通常是100x~200x)，才能达到所需分辨率。当使用高分辨率(24位)ADC时，信号需要4x~5x的适度增益。这样就可以省掉第二个增益级，以及用于消除DC偏移的电路。这样就从整体上减少了面积和成本。另外，Δ-Σ方案还保留了信号的全部频率分量，从而为数字后处理带来了极大的灵活性。

当采用顺序采样方案时， 每个通道都将ECG的导线复用到一个ADC上。此时，相邻通道之间有一个确定的扭曲。当采用同步采样方案时， 每个通道都有一个专用ADC，因此通道之间没有扭曲。

飞思卡尔有大量低成本的开发板，叫做MED-EKG模块，这是一种极其万能的系统，设计者可以快速地建立一个心电系统的原型。当用作飞思卡尔Tower系统的一部分时，设计者可获得一个全功能的系统，通过一个定制设计的电路板，只要更换套件中的任何单个模块，就可以方便地修改、更换或升级成一个定制的设计。

另外， 采用Monebo Kinetic ECG算法也使设计者能够为用户提供对ECG波形的信号处理与解析，从而帮助保健专家获取心脏的参数。它提供高度精确的QRS(在一个典型心电图上能看到的一组三个相连波—通常为心电图轨迹中最重要、目视最明显的部分)检测，并能对多达16线的ECG捕捉数据做特征提取、心拍分类、间隔测量及节律分析等。

无触点ECG不再是科学幻想。Plessey半导体公司与英国苏塞克斯大学开发了电势集成电路(EPIC)传感器，这是一种电势检测(EPS)技术，这种传感器的阵列只要装在病人的胸口，就可以获得相当于12线ECG的读数，而没有一堆导线、导电胶和容易脱落的电极。

肺

医用呼吸机(也叫辅助呼吸机，或机械式呼吸机(MV))能将空气推入病人的肺内。呼吸机可以在重症监护治疗中用作人工呼吸，或家庭中治疗呼吸暂停疾病。现代设备采用了智能电路，能够混合气体，或根据传感器的数据确定一个固定或受控的风扇速度。意法半导体公司的解决方案包括所需要的全部半导体器件，以及通过批准的软件，能够实现安静且可靠的运行。

自从机械式呼吸机发明并在医院和保健机构中使用以来，它已经拯救了很多人的生命。但重症监护病房(ICU)中用MV存活时间超过一周的病人会增加患医疗并发症如呼吸机相关肺炎(VAP)及院内感染的风险，在ICU中的死亡率高6倍。

使用MV病人的横隔膜肌会快速萎缩，随着时间推移而越来越难以脱离呼吸机。

Avery Biomedical开发了一种呼吸起搏系统，它采用射频(RF)耦合的接收器，能同时发送电源和信号。其重要性源于以下两点：

1. 不存在植入的电池，因此没有内部损耗问题。除非机械损坏，否则对任何病人，植入体都可望终生使用，而与年龄无关。

2. 植入部件和外置部件之间没有经皮的连接。由于病人的皮肤没有损伤，因此没有对皮肤损伤的长期保护问题，也没有慢性感染风险。

另一个关键点是，系统采用的是负压呼吸原理。即通过横隔膜的收缩，使肺内压力低于大气压，让空气流入。这在生理上是正确的，也是我们现在呼吸的原理。正压换气(无论是面罩还是机械换气机)都是压气，既不自然，也有患VAP或换气相关肺炎的高风险。VAP是呼吸机依赖病人再次入院的最常见原因。降低再入院率(减少Medicare/Medicaid为他们支付的费用)是最近医疗改革的焦点之一。

对于下一代装置， 新的发展甚至采用血管电极的较少侵入性方法，适用于采用局部麻醉经皮插入的病人(任何需要接触内部器官或其它组织的医疗过程都通过经皮肤的针刺穿透，而不采用暴露内部器官和组织的“切口”方案)，膈神经可以通过电致运动，保持横隔膜的强度与抗疲劳能力，改善呼吸，以及尽早脱离MV的可能性。一旦通过FDA和相关机构的批准，这一技术还可缩短ICU停留时间，降低死亡率，并减少医院的费用。

通过采用这种最少侵入性技术的正确膈神经刺激，可以产生有节奏的隔膜收缩。膈神经刺激的阈值电势是1.26V。封装电极激活神经所需电流预计不到引线型电极的三倍。一般采用180μs脉冲周期的平衡双相脉冲。

新型商用传感器与手持设备(如iPhone、Blackberry与iPad)的微电路创新要求有低成本、小体积和低功耗。这些努力传播到生物医学电子领域，带来了更多神奇的解决方案，可改善植入体，并通过非接触性刺激和检测装置，如感应电源与数据传输，以及低功耗RF器件，最终消除对大多数医疗植入体的需求。