概念簡述

除顫器表明了醫療保健未來的發展方向。這種設備已成為挽救生命的重要技術，但就在幾年前，只有醫院和救護車才會配備，而且也只有經過專門培訓的專業醫護人員才會使用。有些人對除顫器的作用還持懷疑態度。想象一下，如果一名同事突然捂住自己的胸口，然后倒在地上，旁邊未受過專門培訓的員工會怎么做呢？肯定是趕緊跑到柜子邊，砸碎玻璃，取出除顫器的《快速入門指南》，并快速瀏覽，了解各種連接、控制以及預防措施。同時，病人還在地上忍受著病痛的折磨。與此同時，施救者的腦子里會閃現醫療劇中無數個類似的場景，在這樣的場景中通常是醫生給自己或護士而不是患者除顫。但在現實中卻沒這么戲劇化，醫療技術已經走出醫院并進入工作場所和人們的日常生活中。

工作場所的除顫器

這類除顫器會通過語音或圖表向從未使用過除顫器的用戶說明具體的使用方法，以及如何正確使用監護儀和導聯開關。機器隨后會根據患者情況確定適用的電量，防止新手在救助患者時傷到自己。當急救醫護人員到達后，他們可以連接除顫器并下載里面存儲的數據，以便將數據帶回醫院供醫生查看分析。

醫療保健設備的發展方向

上文講述的故事表明了家用電子醫療保健技術的前景及面臨的挑戰，醫療設備不再局限于臨床應用，而是越來越多地走進人們的日常生活中。這類設備包括：健康輔助裝置（如手機上的卡路里計算器應用程序或跑步機上的心率監護儀）、維持生命的輸液泵、長期記錄數據的生命體征監測儀以及急救設備（如除顫器）等。為了讓醫療監護和用藥設備走進家庭，它們應具備以下特征：

1. 便攜性：功率小、功耗低，便于老年患者攜帶。

2. 智能化：設備可根據所獲得的監控信息確保其配置的正確性，從而完成目標任務或在需要緊急處理時給予提醒。

3. 安全性：設備的安全性設計必須達到醫院內配備的舊款產品的水平，以保證未接受過培訓的人員使用設備時在用電和操作方面的安全。

4. 連接性：可輕松編程、更新和讀取數據。這些設備必須能夠與非醫療設備（如商用聯網計算機等）相連，以便與遠程醫療設施進行通信。

安全性

醫療保健設備的革新要求更加關注安全性，而且關注的程度至少不低于當前在醫院里使用的電子設備。安全性包括很多方面。設備必須能夠自行判斷連接是否正確以及患者的狀況如何。設備必須能夠防止誤操作或惡意篡改。出于隱私方面的要求，設備必須以安全的方式保存和傳輸患者數據。此外，設備還須具備良好的電氣安全性，以確保與非醫療通信設備或其他家用電器連接時不會產生電路故障，從而防止高壓或泄漏電流流入人體。電氣安全性在很大程度上都通過隔離來保證。實施電氣隔離之后，電源和用電回路或其他醫療設備（如除顫器等會產生高電壓的設備）之間在電氣上被隔離。本文后半部分將主要討論如何實現醫療設備連接的安全隔離，其中重點討論那些用于非臨床環境的醫療設備。

在醫療應用中，患者很容易受到電氣設備的傷害。在皮膚這一保護層之下，人體體液主要由含有血液和細胞質的鹽水組成。鹽水是良好的電導體，而皮膚在干燥時則是良好的絕緣體。試圖監控人體內部情況的醫療設備通過大面積的電極和導電膠來降低皮膚的電阻。這意味著，這些醫療設備上的任何計劃外信號很容易產生電流，而且這些電流會流經患者身體，擾亂神經系統并影響心臟等器官的功能。設計具有電氣安全性的電子醫療設備時，這些重要的電氣安全性要求是IEC60601醫療安全標準中的一部分。即使像健身器材上的心率儀那樣看上去非常普通的應用，也必須符合隔離規范，以確保安全性。那些性命攸關的設備則必須符合更嚴格的標準。 保證設備不受有害電源影響并控制接地

電子產品中的計劃外信號主要來源于電網。醫療應用必須能夠阻隔50Hz~60Hz線路上的交流泄漏以及因雷擊、開關噪聲或線路故障而導致的電流瞬變。這一點并非針對醫療設備;但是醫療設備在這方面的要求更嚴格，并且泄漏電流的大小取決于設備與患者相連的方式。

設備與患者的連接也必須隔離，以防止患者使用多個醫療設備時，設備使用其它連接作為另一條回路，從而造成電流走向異常。此外，如果患者能夠接觸連接了建筑物安全接地的任何設備（如家用電器或金屬床架），則電流必須無法通過那條路徑。針對患者的絕緣需要兩個獨立的絕緣系統，或經證實等同于兩個獨立系統的單個系統。這稱為雙重患者保護隔離，簡稱2MOPP。難點在于確保家用醫療設備通信和電源的安全性。下面將重點討論通信接口。

電子設備如何達到隔離要求

典型的家用電子醫療設備需要與其他醫療設備或現有家用電子設施進行通信，應符合隱私和安全性要求以保證信息不被截獲或受到損壞，而且還應符合IEC60601標準中的泄漏和安全性要求。一般來講，電氣連接需要提供雙重患者保護，通常應滿足以下條件：具有4kV的額定耐受電壓、極低的容性泄漏以及防除顫額定性能。

可以通過以下幾種方法達到電氣安全性要求。

射頻通信

第一種方法是通過射頻鏈路（如低功耗藍牙或ZigBee標準）通信，這樣可以完全避免電氣連接。一款具有非導電性外殼的以電池供電的醫療設備即可滿足所有的隔離要求。藍牙的優勢在于大多數筆記本電腦和智能手機都提供這種功能，所以設備能夠對接，從而可以實現數據記錄或遠程控制。而ZigBee接口則需要額外的接口硬件才能與家用筆記本電腦等非醫療網絡設備之間進行通信。對于數據傳輸速率低且不便連接的監護儀來說，這種方法較為理想。

射頻通信的弊端是這種類型的鏈路很容易受到射頻源的干擾，也很容易被惡意篡改。因為信號是在空中傳播，需要按照醫療隱私法的要求對數據進行加密以防止數據被截獲。對于簡單的設備而言，這種方法會消耗大量的應用資源。建立這類連接還需要具備相關的知識，而這對于老年患者來說并非易事。雖然射頻通信滿足所有的安全性要求，但它的穩定性使其不太適用于性命攸關的應用。然而，無線技術具備的移動性使其成為首選的通信方式。

采用這種方法的一些應用包括內置監護儀的貼片，以及自動記錄數據的血糖儀。為了保證用戶的安全，這些設備不需要隨時保持連接。 機械式聯鎖

若對數據完整性和穩定性有所要求，則有線接口是最佳的選擇。采用有線接口可以實現數據高速傳輸，且幾乎不存在誤差，同時通過與接口相連還能提供電源。常用的接口為USB、RS-232或RS-485。有線接口足夠穩定可靠，可用于數據記錄、向維持生命的應用提供關鍵控制信息以及對設備程序進行更新等。USB是PC和手機等家用電子產品唯一的標準接口。但是這種接口必須符合IEC60601的嚴格隔離要求。普遍的做法是將設備設計為非隔離式接口，而且只有在設備與患者不接觸的情況下才能使用。例如，使用該設備時，USB端口可放置在蓋板下，蓋板可以在設備工作時阻隔USB連接器。這種配置的優點是成本較低，但缺點是不能實時監測，而且也不適用于那些無法輕易去除設備與患者之間連接的應用。因此，這種方式非常適合無需持續連接患者的設備，但不太適用于像輸液泵等這類進入患者體內且必須在臨床環境下使用的設備。

而現場部署的除顫器則采用另一種類型的機械式聯鎖。這種除顫器的外殼直接配備了網絡接口，一旦除顫器被放置在外殼中，它就會自行聯網和充電。此外，設備將定期進行自我診斷、檢查電池狀況并通過網絡上報狀態數據。使用除顫器時，必須將其從外殼中取出，從而切斷網絡和電源連接。機械式聯鎖的最后一種類型是可移動存儲器元件。與數碼相機中的SD卡類似，數據被寫入存儲卡后，將存儲卡取出并放入單獨的讀取器中讀取。最后數據將被傳送到需要的地方。這是最費力的方法，因為可能不會要求患者親自去做這些事情。

隔離接口

實現通信最可靠的方式是使用有線隔離接口。它具有有線接口的穩定性，還能通過內置的隔離式DC-DC轉換器提供電源。它支持高速上傳和下載，并且能在設備連接患者時使用。有線接口不需要對數據加密，降低了處理器開銷。軟件維護也能在設備運行的同時完成。該接口還可通過設置，在高數據傳輸速率下實現實時遠程監控，例如，如果患者需要定期復查，醫生可以遠程獲得患者的心電圖（ECG）信息。一般情況下，這些接口的隔離需要依賴光耦合器等設備，但這些設備在傳輸速度上存在一定限制且集成能力較差。而醫用級數字隔離器并不存在這些限制，因此在新型應用中這類隔離器正逐步取代光耦合器。

本文的“機械式聯鎖”部分提到的通信接口可通過合適的數字隔離器實現隔離。多年來，RS-232和RS-485一直是隔離式醫療通信的主要接口類型。

本文的“機械式聯鎖”部分提到的通信接口可通過合適的數字隔離器實現隔離。多年來，RS-232和RS-485一直是隔離式醫療通信的主要接口類型。它們兼容ADI公司的ADuM2201等產品，符合IEC60601標準中有關2MOPP醫療額定性能的規定。遺憾的是，這些接口并不為非醫療電子設備所采用。這樣一來，USB則成為了使用最廣泛的接口。ADuM4160現已實現USB隔離，同樣具有2MOPP的防除顫保護功能。它正被設計用于輸液泵、除顫器、無創式血糖儀以及多種臨床用患者監護儀。它可以直接與非醫用級的PC對接，從而進行實時監控，同時其連接依然具有充分的防除顫能力并符合相關的泄漏規范。甚至在使用無線通信的系統中，也提供了USB端口以便進行軟件維護和電池充電等重要操作。由于總是存在需要連接USB的情況，因此出于安全考慮進行了端口隔離。有線接口的不足之處是移動性較差。

除顫器隔離

圖1中的除顫器具有幾個不同的接口，并使用了多種隔離技術，因此它是檢查隔離式通信接口的極佳示例。該設備必須使用ECG監控患者的心臟活動，以決定是否需要進行除顫。ECG數據路徑必須與除顫器的高壓部分相隔離，以便在患者身上施加電擊時不會熔斷敏感的ECG電子器件。可通過隔離柵極驅動器和數字隔離器在內部實現隔離。該設備還可集成以太網接口，當設備閑置在壁掛式外箱內時可以通過以太網接口接受狀態監控。以太網接口采用機械式聯鎖，因此當從壁掛外箱內將除顫器取下時該以太網接口便無法使用。與之類似，電池充電系統也接在壁掛外箱并進行聯鎖。最后一個需要進行隔離的功能是通信端口，它允許下載ECG和除顫數據，供醫生查看分析。該連接一般會隔離USB接口，因此無需將設備與患者斷開后即可獲取數據。

圖1：典型的急救除顫器

結論

醫療監護儀和治療設備正逐步打破臨床環境與提供醫療保健之間的必然關系。這些設備使人們的生活質量大為提高，讓人們足不出戶就可以接受到高質量的治療和監護。完善的移動式監護和治療給藥系統可實時分析人體需求并實時精確地給藥。例如，胰島素輸液泵能模仿人體的胰島素反應，從而更好地對非臥床患者進行疾病管理。通過新技術，還可讓暫時無法前往醫院或診所就診的患者將自身的監控數據傳送到離家有幾小時路程的醫院。心臟監護儀還能在患者出現癥狀之前檢測到發病情況。

醫療信息必須在醫療設備、醫師以及設備維護單位之間實現雙向傳輸。像用藥劑量這樣的工作參數必須傳送給設備。必須保證設備的固件使用的是最新版本。同時，還須使用多種方法保持設備的電氣安全性。本文討論的所有隔離方法均適用于需要高安全性和高可靠性的家用或臨床醫療保健設備，可根據特定應用的具體需求選擇最合適的隔離方法。