以 MCU 为核心的便携式心脏监测仪

Silicon Labs 微处理器是新型动态心脏监测仪的核心,该监测仪可连续运行长达 14 天,需要高性能和相对较低的功耗。心脏监测仪已经问世一个多世纪。然而,心脏电生理学家 Gust H. Bardy 博士对准确捕获心律失常的能力信心不足。当他的妻子 Lorene 生病并出现心律问题时,他对此更加怀疑了。无法清晰准确地记录她的各种心律失常。她卒于 2012 年 4 月 26 日心脏骤停,这是更广泛的心脏和血管失常的结果。一年后,Bardy 博士开始踏上了提高动态心律监测仪的信号质量和诊断准确性的旅程,这既是一项公共卫生使命,也是为了纪念 Lorene。此时,他推出了 Bardy Diagnostics,并聘请了一支小型工程师团队,将心律诊断精度的目标转化为监测心脏的设备的电路板。大部分工作都围绕在记录的心电图中显示更多的细微差别,向团队介绍心律失常的多样性和复杂性,并显著改变和改进了经常与动态心电图监测仪一起使用的软件。

如今,WHO 估计心血管疾病 (CVD) 是全球主要的死亡原因,估计每年夺走 1790 万人的生命。在这些死亡病例中,心律失常占很大的比例。准确快速地识别心律失常风险最高的患者,并确保他们接受适当及时的治疗,可以预防过早死亡。新技术通过解析心脏波形中的较小信号和更精细的细节,提供更具体的诊断,从而提高传统心电图监测设备的准确性和有效性。12

 

使用动态心脏监测仪 CAM 打造更智能的利基市场

准确的诊断始于准确的心电图描记。众所周知,心电图或 ECG/EKG 是一种用于记录心脏电活动的设备。本器械是无创性的,通常包括放置在胸部和四肢皮肤上的电极,以测量心脏的电活动。输出信号可用于确定或检测可能导致心脏骤停、中风或意识丧失的异常心律(即心律失常)。这些监测仪称为长期心电图 (LT-ECG) 监测仪,可佩戴 24/7 长达 14 天,无需更换监测电极,使患者能够淋浴、舒适睡眠和进行锻炼。这与历史悠久的 Holter 监测仪形成鲜明对比,Holter 监测仪只能仅佩戴 1-2 天,配有多根悬垂导线,并采用简单的工程和心律分析。Bardy 博士发明的 CAM™ 贴片是一种提供卓越舒适性和合规性LT-ECG的设备。

Gabriel 表示:“虽然传统的监测仪在检测 R 波(来自心脏的最大电信号)方面非常出色,而且确实是心脏波形的重要组成部分,但仅 R 波不足以诊断许多异常心律。其他波的低振幅偏移中隐藏着许多其他信息。波形形状的微小变化似乎对于帮助人们获得改善健康和管理严重疾病所需的特定治疗至关重要。”

需要优化设计各个级别的 CAM 系统,以捕捉这些微小而微妙的信号。然而,人为因素至关重要,因为该设备对患者的日常活动干扰要最小。

“老实说,和典型的心脏监测仪一样,当您的身体被一圈电缆和传感器包围时,您唯一能去的地方就是躲在卧室里。” 

从 Bardy 博士的角度来看,如果您想实践良好的医学,彻底革新一个领域,那么设计的各个方面都至关重要。从包装到对心电图进行全面解读的人员的培训,每件作品都必须充满爱。然而,一切都围绕着 Bardy 监测仪的关键功能:能够感知来自心脏的非常精细、细微的电信号。这既是一项电气设计挑战,又是机械、生物和化学方面的挑战。尺寸、重量和舒适度对于成功至关重要。但是,如果没有心电图的细微细节,其他一切都没有价值。

Gabriel 直言不讳地表达了公司对质量和清晰度的坚定承诺,以及以患者为本的精神。“有勇气尝试不同的东西是关键。50 多年前最先进的药物却是如今的不良药物。CAM 非常像一朵花,花瓣是设计的不同方面:化学、机械、电气、固件、软件、硬件、算法,尤其是做出最终判读决策的人。哪怕只去除一个花瓣,花朵的美丽也会大大减少。

Silicon Labs MCU 是便携式心脏监测仪的核心

Silicon Labs 花了二十多年时间磨练其无线通信技术,以便像 Bardy Diagnostics 等公司能够推动其领域的创新。开发无线医疗设备面临着三项基本工程挑战。您必须保证精确、快速地提供准确的测量结果,您需要通过强大的技术来增强医疗设备的无线安全性,并且您必须通过可靠的设计和低功耗技术来最大限度地延长电池寿命。

Bardy Diagnostics 小巧轻便的 CAM 贴片基于 Silicon Lab EFM32架构。患者接口传感器连接到系统的核心 MCUEFM32TG210。此设备提供集成外设(ADC、SPI、ASYNC 串行接口和定时器功能),运行功率极低,使 CAM 贴片能有效“捕捉”那些微小的心脏细节,这将 CAM 贴片与其他可用的监测仪区分开来。

“首先,ADC 提供了分辨率和滤波选项,确保他们能够获得所需的原始数据采集,同时保持在功率预算范围内。其次,与其他架构相比,EFM32TG微控制器的电源管理提供了卓越的节能效果。得益于极快的睡眠和唤醒转换、外围设备的自动操作和低功耗时钟生成,EFM32TG超出了系统要求,并且可使用标准14电池进行长达 CR1225 天的连续心电图记录,”Silicon Labs 的 Brian Blum 解释道。

Gabriel 还指出,EFM32TG210 的性能和功耗模式使他们能够按照规范设计和构建 CAM 贴片,并最终实现预期结果。他认为,在设计设备时,拥有符合性能期望的 MCU 是保持项目进度和预算的关键。“EFM32架构非常好,只需一块 48 mAh 的 CR1225 电池,即可进行长达 14 天的全面数据记录。正在捕获的信号可以低至 150 uVpp,即使在该范围内,模拟波形的精细细节仍然保持清晰。该 EFM32 架构包含高性能 ADC,可捕获这些细节,同时保持电磁安静的辐射特性,使小细节不会受到干扰。集成的过采样和超强且可配置的 ADC 功能是救生的关键。该 EFM32 架构在当时绝对具有革命性,大多数芯片供应商仍在追赶。”

当被问及从设计到上市的历程时,Gabriel 解释说需要克服许多技术挑战。“我们没有发现任何生产出如此低功耗的动态系统的厂商。通常,在医疗行业,几十年来,心电图的处理方式都是相同的,这点也不例外。当时的 CAM 贴片采用全新的前端设计,低噪音、低功耗。很难找到能够自如地处理此类工作的人,因此我们的工程团队直接在大学毕业(或在大学期间)就接受了培训。到目前为止,我们相信拓扑无可匹敌,并且正在被越来越多的设备所采用,取代了传统的前端拓扑。” 

监管后认证是获得医生和机构对新产品信心的另一个挑战。任务关键型环境中的新技术通常面临采用受阻、大型机构决策缓慢,以及因感知到的采用风险而产生的惰性。幸运的是,由于记录的心脏电信号清晰,CAM 贴片本身就很有说服力。

阿拉斯加心脏和血管研究所临床心脏电生理学家 Mark Willcox 作为这项技术的倡导者,他说:“我是阿拉斯加最大的心脏病专家机构的 30 一名心脏病专家。我们非常依赖 Bardy Dx CAM 监测仪进行日常患者护理。如果没有这些监测仪,患者护理会受到影响。我们非常感谢 Bardy Diagnostics 代表我们的患者为促进持续生产所做的努力。”

Bardy Diagnostics 的未来前景如何?

“平台最明显的目标是更小、更轻、运行时间更长、连接更好。我们着眼于新一代 Silicon Labs EFM32设备,例如 Pearl Gecko 和支持蓝牙的 BG22,以便未来在该领域进行改进。”Gabriel 说道。

蓝牙是连接的理想之选,因为它提供经过充分测试的、成熟的无线解决方案,而且功耗低,提供与患者的移动设备或其他支持蓝牙的网关互操作,并且在协议中具有很大的灵活性,以权衡吞吐量、延迟和能耗。蓝牙安全提供卓越的保护,包括安全配对、128 位加密、数据隐私、反跟踪等。

“我们拥有多个工程师团队,他们非常努力地创造出下一代尤为先进的设备。身体是一首美丽的电子交响乐,有各种各样的生命体征,可以表明关于一个人健康的重要细节。也许在未来,我们将会看到更灵敏的仪器或同时采集更多生命体征的仪器,以提供更好的互联护理。”

随着 CAM 贴片继续推进动态心脏监测和诊断,看到 Bardy 医生的愿景(在很大程度上基于他的个人经验)正在帮助世界各地的患者,这令人非常激动。



1Rho R. 等人。两种动态贴片心电图监测仪的比较:P 波和信号清晰度的优势。《美国心脏病期刊》。2018 年 3 月。

2Smith WM. 等人。使用小型、单通道、以 P 波为中心的胸骨心电图监测贴片与标准 3 导联 Holter 系统在 24 小时内的诊断值比较。《美国心脏病期刊》。2017 年 3 月。

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