保持心脏设备成本、功率和功能间的平衡

2008-12-04 17:12:11来源: 飞思卡尔半导体

 

  目前心血管疾病已经成为全球最主要的死亡原因。据估计,2005年约有1750万人死于心血管疾病,这占全球死亡人数的30%左右。而在这些死亡人数中,760万人死于心脏病发作,570万人则死于中风。截止2015年,预计每年将有2000万人死于心血管疾病,而心脏病发作和中风正是导致这类死亡的主要原因。并且大量死亡案例可能在没有任何心血管疾病症兆的情况下就会发生。

  心电图(ECG)监控器是保健提供商使用的重要工具,用来帮助识别心脏问题和监控病人健康。ECG通过测量心脏细胞生成的压力来监控心脏。心电向量在窦房结(SA)的右心房中生成,然后作为向量传输到整个心肌中。代表时间的X轴和代表图形圆点的Y轴显示了测得结果,其信号如图1所示。

包含基准点和测量的ECG信号

图1   包含基准点和测量的ECG信号

  ECG监控器有多种形式,包括涉及远程监控的手持设备和医院使用的综合病人监控系统。自从20世纪初期Willem Einthoven建立第一台实用的ECG后,所有ECG设备的基本设计都确立下来,只是波形因素和应用有所不同。

  如果要获取ECG信号,必须在预定的不同位置对病人使用皮肤传感器。当心脏完成正常的心动周期后,传感器表面记录的电子活动会发生变化。由于健康人的心跳包括心脏去极化和恢复极化等系列标准活动,他们的ECG图形显示出强烈的周期性。但是,出现异常心跳(例如心脏扑动)或心律不齐的病人则可能生成非周期性的ECG图形。换句话说,异常心跳显示的ECG图与正常人不同,但它仍然可能具有周期性。这类异常例子包括心率过慢或过快,此时每次心跳仍然与另一次心跳类似,但却不同于健康心脏的频率。

  最新的ECG设备设计在外形和功能上实行了创新。旧的ECG设备会将心电图打印出来以用于临床分析,而大量新的ECG版本则不需要病人在场,就能通过先进算法对病人进行监控和诊断。虽然在众多情形下ECG图形的临床评估仍然十分重要,但现在该流程已经实现自动化,所以能在更多时段对更多病人进行监控。这种自动化导致心脏功能监控器得以问世。此类监控器不要求对病房进行连续看视,而是一旦检测到心律不齐它会马上向临床医生发出警报。

  ECG评估的自动化,为医疗设备设计人员带来新的机遇和挑战。这些仪器被开发用于大量应用,例如为需要连续了解状况的高风险人群提供室内监控器,以及医生进行麻醉时用来跟踪心脏正常状况的综合集成设备。为了继续生产健康功效更大但体积更小的设备,还有一些常见问题有待解决。

  这些问题的核心是分析ECG信号和检测算法的效率。过去,心律不齐由经过严格培训的医生进行诊断。而从医生诊断转换成电子设备诊断则是一项艰巨的、有待完善的任务。不过,开发新算法来提高诊断精确度可以节约大量费用。病人受到的护理与他们每次发病时,设备是否能准确诊断到心律不齐具有密切关系。算法在执行这些任务时显示的效果越好,它在临床设置中的作用越大。不过,要提高精确度通常需要更多的代码和更复杂的编程,这反过来又要求运行代码的设备具有更多的板上内存,从而导致生产成本上升。

  一种理想的算法是利用数学的精度来减少代码大小、内存要求和最终成本,但同时仍旧达到精确诊断所要求的现行行业标准。最近,Monebo软件已经开发出了这种算法。与大部分商用算法不同的是,Monebo的 Kinetic Intervals ECG 算法不需要病人ECG图形取样的预热阶段,这个阶段以后通常也将被忽略。预热取样是一种常用的实践操作,因为它能确保设备读取“真实”的ECG图形,而不是设备启动时由于瞬时现象而失真的图像。预热取样可以最大限度减少几种错误诊断同时发生的可能性。不过,这种方法需要增加额外的代码,才能确定实际的测试何时开始,通过什么方式以及在什么地方保存要丢弃的数据。另一方面,Monebo解决方案采用高级信号均化技术和关键“基准”点取样优势,取消了预热时间,所以Monebo算法具有更精简的代码要求。

  高效ECG检测代码的出现,对于设备设计人员是一大福音。它允许设计人员将重点放在具体的实施上,并且确保在此范围内他们的心律不齐检测算法能够正常工作,而不会消耗额外的内存。正如前面提及的,所有心脏监控设备的创建都不相同。例如,多导程的无线室内ECG监控器要求电池使用周期长、生产成本低,而更复杂的医院级设备可能需要更高的处理功率级别和实时的操作系统(RTOS)来运行额外的应用。许多生产商生产涵盖整个系列的设备。因此,ECG算法能否与系列处理内核轻松连接显得至关重要。这些内核在功率和功能上都要达到设备的要求。

  Monebo与飞思卡尔半导体合作,现已解决了硬件平台灵活性的问题。Monebo利用飞思卡尔500多款微控制器(MCU)、处理器和数字信号控制器(DSC)的优势,将它们的Kinetic Intervals算法广泛用于大量应用程序。特别是飞思卡尔的Flexis QE管脚和软脚兼容的8位和32位MCU系列,被用来提供超低的功耗,以延长电池使用寿命。低功率操作是下一代无线和手持保健设备将考虑的一个重要因素。

  自从Einthoven开发弦线电流计以来,ECG技术已经走过很长的一段路。自动化的最新创新将使更多的人从心律不齐的诊断中受益。虽然该领域已经取得重大进步,但下一代心脏监控器的开发人员仍然必须密切关注诊断的精确性、代码的复杂性、经济的高效性和设备的功耗问题。Monebo与飞思卡尔的软硬件组合平台不但解决了当前面临的这些挑战,而且提供能够在未来几年满足ECG设备开发商技术要求的协作解决方案。

关键字:监控  测量  心电  传输  信号

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/1204/article_441.html
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