閃電、除顫器和保護(hù)電路挽救生命

有許多關(guān)于心臟安全電流水平的研究。醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)反彈，今天據(jù)說(shuō)安全水平低于4μA至10μA。在生命平衡的情況下，除顫器設(shè)計(jì)人員必須了解所有可能的輸入保護(hù)方法，然后以合理的成本選擇最佳防御措施。心臟驟停（SCA）的受害者可以通過(guò)對(duì)胸部進(jìn)行小的快速閃電（除顫器電擊）來(lái)拯救。

由于生命受到威脅，醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)要求非常高，利潤(rùn)非常小。還要記住，同時(shí)將幾件設(shè)備連接到患者身上并不少見(jiàn)。因此，總泄漏電流必須保持在可能傷害患者心臟的閾值以下。本應(yīng)用筆記討論了幾種ECG輸入保護(hù)方法，包括無(wú)線電敏感性（RFI）、ESD、電磁干擾（EMI）、電磁敏感性（EMS）和除顫器保護(hù)。

心臟驟停 （SCA） 的受害者可以通過(guò)對(duì)胸部進(jìn)行小的、及時(shí)的閃電（即除顫器電擊）來(lái)拯救。電擊（3kV至5kV和50A）阻止心臟非生產(chǎn)性顫動(dòng)（顫動(dòng)），從而無(wú)法將血液泵送到大腦和其他器官。這個(gè)閃電可以讓心臟重新開(kāi)始有序地泵血。在醫(yī)院中，通常使用帶有單獨(dú)除顫器的心電圖儀（ECG）監(jiān)測(cè)心臟。當(dāng)除顫器發(fā)出電擊時(shí)，心電圖導(dǎo)聯(lián)線（即電極）在患者身上。在沒(méi)有警告的情況下，心電圖必須承受這種閃電并繼續(xù)正常工作。

根據(jù)美國(guó)心臟協(xié)會(huì)（AHA）的數(shù)據(jù)，每年發(fā)生近383，000例院外心臟驟停，88%的心臟驟停發(fā)生在家中?？杀氖?，在醫(yī)院外心臟驟停的人中，只有不到百分之八能幸存下來(lái)。1這些都是發(fā)人深省的統(tǒng)計(jì)數(shù)字。在醫(yī)學(xué)術(shù)語(yǔ)中，心臟病發(fā)作與SCA有很大不同。SCA 沒(méi)有警告標(biāo)志;一個(gè)人只是崩潰。心臟病發(fā)作之前有多個(gè)通常被理解的警告信號(hào)。

沒(méi)有我們的保護(hù)性皮膚，患者的心臟很容易受到非常小的電流的影響。此外，在電敏感患者中，即使是微小的電流（10μA）也會(huì)引起心室顫動(dòng)。2請(qǐng)記住，使用心電圖和單獨(dú)的除顫器時(shí)，同時(shí)將幾臺(tái)設(shè)備連接到患者身上并不少見(jiàn)。顯然，總泄漏電流必須保持在可能傷害人類心臟的閾值以下。

除顫器和救生電擊

許多人認(rèn)為除顫器可以重新啟動(dòng)心臟，但實(shí)際上它會(huì)停止心臟。心臟中有一種隨機(jī)跳動(dòng)，稱為顫動(dòng)，這意味著心臟不協(xié)調(diào)，不泵血。除顫器使心臟休克至不活動(dòng)狀態(tài)，使正常的竇性心律重新開(kāi)始。

醫(yī)院式除顫器和訓(xùn)練有素的醫(yī)療技術(shù)人員在幾毫秒內(nèi)提供挽救生命的電擊。3kV至5kV電壓和50A電流是穿透胸部和電擊心臟所必需的。高電壓和電流是必要的，因?yàn)槿梭w是~75%的鹽水。身體將大部分電力傳導(dǎo)出去，繞過(guò)心臟。

第二種類型的除顫器是一種自動(dòng)體外除顫器 （AED），旨在供接受最少培訓(xùn)的公眾使用。這些一次性電極貼片有兩個(gè)用途：首先，用心電圖儀（ECG）監(jiān)測(cè)心臟;其次，施加高壓沖擊。

AED 保護(hù)自己的輸入免受高壓和電流沖擊，因?yàn)樗篮螘r(shí)要施加沖擊。因此，它可以并且確實(shí)在電擊期間斷開(kāi)ECG監(jiān)視器。然而，醫(yī)院式除顫器通常與單獨(dú)的心電圖或監(jiān)視器一起使用。在后一種情況下，心電圖或監(jiān)護(hù)儀沒(méi)有預(yù)先警告，必須承受電擊的高電壓和電流。

保護(hù)心電圖除顫器

我們?cè)趫D1中了解到，50A時(shí)的電壓可能是3kV至5 kV。圖 3 中的除顫器測(cè)試儀看起來(lái)非常類似于標(biāo)準(zhǔn) ESD 測(cè)試裝置4。3但是，有一個(gè)重要的區(qū)別。ESD 測(cè)試有一個(gè)以皮法為單位測(cè)量的電容器，但除顫器測(cè)試裝置以許多微法為單位。因此，來(lái)自除顫器的額外能量必須在心電圖機(jī)前消散。

圖3.除顫器測(cè)試裝置（注意大電容器）。

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

圖4顯示了除顫器的典型ECG保護(hù)電路。為方便起見(jiàn)，我們?cè)陧敳康淖蟊郏↙A）輸入電路中標(biāo)記了組件。正常的ECG波形大約是幾毫伏（0.5mV至7mV），但高壓除顫器的千伏級(jí)，可以持續(xù)5ms到20ms——電子元件承受如此高的電壓需要很長(zhǎng)時(shí)間。大多數(shù)ECG前端（如圖2所示）使用NE-2或NE-23（I1和I2）等霓虹燈進(jìn)行保護(hù)。NE-23內(nèi)部有一個(gè)小放射性點(diǎn)，可提供光子以穩(wěn)定電離電壓。霓虹燈的替代品是氣體放電放電放電管或瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

電阻R1的溫度范圍為10kO至20kO，可以位于放大器的輸入端或內(nèi)置于電纜中。它是限制霓虹燈中電流的串聯(lián)元件。電阻R2和R3以及電容C1、C2和C3構(gòu)成低通濾波器。D1二極管將電壓限制在較低的電平。D1可以是齊納二極管或雪崩二極管、金屬氧化物壓敏電阻（MOV）或晶閘管浪涌保護(hù)器。D1電容與C1是低通濾波器的一部分。電容C2是共模濾波器，而C3提供差分濾波。通常C3比C2大約10倍。SW1 是一種高壓信號(hào)線保護(hù)器：一種檢測(cè)高壓、關(guān)閉串聯(lián)開(kāi)關(guān)并接通箝位以降低放大器電壓的開(kāi)關(guān)。SW1可以用限流二極管代替，該二極管看起來(lái)像JFET，源極和漏極端子連接在一起。二極管D2和D3是ESD保護(hù)二極管，用于箝位放大器輸入到電源。注意放大器頂部的C4和齊納二極管D6。它們吸收并箝位正電壓軌。C5 和 D7 對(duì)負(fù)電源軌執(zhí)行相同的操作。

“沒(méi)有什么是完美的?！比藗兪朗来歼@么說(shuō)，我們也可以在這里使用它。這種ECG除顫器保護(hù)電路涉及放大器保護(hù)程度和ECG正常工作所需的頻率響應(yīng)之間的權(quán)衡。保護(hù)器件的電容對(duì)于保持所需的心臟頻率響應(yīng)至關(guān)重要。

反復(fù)的除顫器電擊會(huì)降低輸入設(shè)備的性能。霓虹燈可能會(huì)因電極降解而受到污染，除顫器的玻璃外殼可能會(huì)破裂，從而使空氣和水進(jìn)入燈。因此，大多數(shù)制造商建議至少每年更換一次輸入保護(hù)器件。在經(jīng)常使用心電圖和除顫器的醫(yī)院環(huán)境中，它們會(huì)受到更多的電擊，并且降解得更快。

現(xiàn)在我們必須考慮射頻干擾（RFI）、靜電失真（ESD）、電磁干擾（EMI）和敏感性（EMS）對(duì)這種保護(hù)設(shè)計(jì)的影響。

圖5.防止不必要的電氣漏洞（如 ESD、EMI、EMS 和 RFI）的原理圖。

圖 5 中的器件分為三類：

限壓器件：氣體放電放電器、金屬氧化物壓敏電阻、抑制二極管、三端雙向可控硅、變頻器和開(kāi)關(guān)

限流裝置：保險(xiǎn)絲、斷路器和熱斷路器

上升時(shí)間減速器：電阻器、電感器、線圈、鐵氧體磁珠和電容器，所有這些都會(huì)減慢瞬態(tài)的上升時(shí)間，從而為其他保護(hù)器件留出時(shí)間。

電容器與電阻器一起使用;鐵氧體磁珠和電感器用作低通濾波器。此方法控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的抗鋸齒過(guò)濾。它通過(guò)隨著時(shí)間的推移分散脈沖來(lái)減緩ESD上升時(shí)間，并使電容器更有效。每個(gè)電容器的工作電壓、等效串聯(lián)電阻（ESR）和自諧振點(diǎn)需要與應(yīng)用的頻率和帶寬相匹配。自諧振點(diǎn)可能意味著需要并聯(lián)幾個(gè)較小的電阻來(lái)吸收ESD的快速上升時(shí)間和除顫器沖擊脈沖。

這些網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)都是互惠的;它們保護(hù)系統(tǒng)免受外界的影響，并保護(hù)外部世界免受設(shè)備可能輻射的任何無(wú)意信號(hào)的影響。

所有這些設(shè)備都可以幫助ECG的保護(hù)電路。由于這正在成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此對(duì)其進(jìn)行模擬是明智的。免費(fèi)和低成本計(jì)算器5和模擬器6可用于此任務(wù)。

最終目標(biāo)是保護(hù)患者

有許多關(guān)于心臟安全電流水平的研究。醫(yī)療設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)反彈，今天據(jù)說(shuō)安全水平低于4μA至10μA。這使得醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)要求非常高，而且利潤(rùn)非常小。還要記住，同時(shí)將幾件設(shè)備連接到患者身上并不少見(jiàn)。因此，總泄漏電流必須保持在可能傷害患者心臟的閾值以下。

在生命平衡的情況下，除顫器設(shè)計(jì)人員必須了解所有可能的輸入保護(hù)方法，然后以合理的成本選擇最佳防御措施。必須始終保護(hù)患者，包括在設(shè)備在醫(yī)療環(huán)境中的使用壽命期間對(duì)設(shè)備進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z查和校準(zhǔn)。

審核編輯：郭婷