闪电、除颤器和保护电路挽救生命

有许多关于心脏安全电流水平的研究。医疗设备的标准已经反弹，今天据说安全水平低于4μA至10μA。在生命平衡的情况下，除颤器设计人员必须了解所有可能的输入保护方法，然后以合理的成本选择最佳防御措施。心脏骤停（SCA）的受害者可以通过对胸部进行小的快速闪电（除颤器电击）来拯救。

由于生命受到威胁，医疗设备的设计要求非常高，利润非常小。还要记住，同时将几件设备连接到患者身上并不少见。因此，总泄漏电流必须保持在可能伤害患者心脏的阈值以下。本应用笔记讨论了几种ECG输入保护方法，包括无线电敏感性（RFI）、ESD、电磁干扰（EMI）、电磁敏感性（EMS）和除颤器保护。

心脏骤停 （SCA） 的受害者可以通过对胸部进行小的、及时的闪电（即除颤器电击）来拯救。电击（3kV至5kV和50A）阻止心脏非生产性颤动（颤动），从而无法将血液泵送到大脑和其他器官。这个闪电可以让心脏重新开始有序地泵血。在医院中，通常使用带有单独除颤器的心电图仪（ECG）监测心脏。当除颤器发出电击时，心电图导联线（即电极）在患者身上。在没有警告的情况下，心电图必须承受这种闪电并继续正常工作。

根据美国心脏协会（AHA）的数据，每年发生近383，000例院外心脏骤停，88%的心脏骤停发生在家中。可悲的是，在医院外心脏骤停的人中，只有不到百分之八能幸存下来。1这些都是发人深省的统计数字。在医学术语中，心脏病发作与SCA有很大不同。SCA 没有警告标志;一个人只是崩溃。心脏病发作之前有多个通常被理解的警告信号。

没有我们的保护性皮肤，患者的心脏很容易受到非常小的电流的影响。此外，在电敏感患者中，即使是微小的电流（10μA）也会引起心室颤动。2请记住，使用心电图和单独的除颤器时，同时将几台设备连接到患者身上并不少见。显然，总泄漏电流必须保持在可能伤害人类心脏的阈值以下。

除颤器和救生电击

许多人认为除颤器可以重新启动心脏，但实际上它会停止心脏。心脏中有一种随机跳动，称为颤动，这意味着心脏不协调，不泵血。除颤器使心脏休克至不活动状态，使正常的窦性心律重新开始。

医院式除颤器和训练有素的医疗技术人员在几毫秒内提供挽救生命的电击。3kV至5kV电压和50A电流是穿透胸部和电击心脏所必需的。高电压和电流是必要的，因为人体是~75%的盐水。身体将大部分电力传导出去，绕过心脏。

第二种类型的除颤器是一种自动体外除颤器 （AED），旨在供接受最少培训的公众使用。这些一次性电极贴片有两个用途：首先，用心电图仪（ECG）监测心脏;其次，施加高压冲击。

AED 保护自己的输入免受高压和电流冲击，因为它知道何时要施加冲击。因此，它可以并且确实在电击期间断开ECG监视器。然而，医院式除颤器通常与单独的心电图或监视器一起使用。在后一种情况下，心电图或监护仪没有预先警告，必须承受电击的高电压和电流。

保护心电图除颤器

我们在图1中了解到，50A时的电压可能是3kV至5 kV。图 3 中的除颤器测试仪看起来非常类似于标准 ESD 测试装置4。3但是，有一个重要的区别。ESD 测试有一个以皮法为单位测量的电容器，但除颤器测试装置以许多微法为单位。因此，来自除颤器的额外能量必须在心电图机前消散。

图3.除颤器测试装置（注意大电容器）。


图4.典型的ECG前端除颤器保护电路。LA = 左臂;RA = 右臂;RL = 右腿。

图4显示了除颤器的典型ECG保护电路。为方便起见，我们在顶部的左臂（LA）输入电路中标记了组件。正常的ECG波形大约是几毫伏（0.5mV至7mV），但高压除颤器的千伏级，可以持续5ms到20ms——电子元件承受如此高的电压需要很长时间。大多数ECG前端（如图2所示）使用NE-2或NE-23（I1和I2）等霓虹灯进行保护。NE-23内部有一个小放射性点，可提供光子以稳定电离电压。霓虹灯的替代品是气体放电放电放电管或瞬态电压抑制器（TVS）。

电阻R1的温度范围为10kO至20kO，可以位于放大器的输入端或内置于电缆中。它是限制霓虹灯中电流的串联元件。电阻R2和R3以及电容C1、C2和C3构成低通滤波器。D1二极管将电压限制在较低的电平。D1可以是齐纳二极管或雪崩二极管、金属氧化物压敏电阻（MOV）或晶闸管浪涌保护器。D1电容与C1是低通滤波器的一部分。电容C2是共模滤波器，而C3提供差分滤波。通常C3比C2大约10倍。SW1 是一种高压信号线保护器：一种检测高压、关闭串联开关并接通箝位以降低放大器电压的开关。SW1可以用限流二极管代替，该二极管看起来像JFET，源极和漏极端子连接在一起。二极管D2和D3是ESD保护二极管，用于箝位放大器输入到电源。注意放大器顶部的C4和齐纳二极管D6。它们吸收并箝位正电压轨。C5 和 D7 对负电源轨执行相同的操作。

“没有什么是完美的。”人们世世代代都这么说，我们也可以在这里使用它。这种ECG除颤器保护电路涉及放大器保护程度和ECG正常工作所需的频率响应之间的权衡。保护器件的电容对于保持所需的心脏频率响应至关重要。

反复的除颤器电击会降低输入设备的性能。霓虹灯可能会因电极降解而受到污染，除颤器的玻璃外壳可能会破裂，从而使空气和水进入灯。因此，大多数制造商建议至少每年更换一次输入保护器件。在经常使用心电图和除颤器的医院环境中，它们会受到更多的电击，并且降解得更快。

现在我们必须考虑射频干扰（RFI）、静电失真（ESD）、电磁干扰（EMI）和敏感性（EMS）对这种保护设计的影响。

图5.防止不必要的电气漏洞（如 ESD、EMI、EMS 和 RFI）的原理图。

图 5 中的器件分为三类：

限压器件：气体放电放电器、金属氧化物压敏电阻、抑制二极管、三端双向可控硅、变频器和开关

限流装置：保险丝、断路器和热断路器

上升时间减速器：电阻器、电感器、线圈、铁氧体磁珠和电容器，所有这些都会减慢瞬态的上升时间，从而为其他保护器件留出时间。

电容器与电阻器一起使用;铁氧体磁珠和电感器用作低通滤波器。此方法控制数据转换器的抗锯齿过滤。它通过随着时间的推移分散脉冲来减缓ESD上升时间，并使电容器更有效。每个电容器的工作电压、等效串联电阻（ESR）和自谐振点需要与应用的频率和带宽相匹配。自谐振点可能意味着需要并联几个较小的电阻来吸收ESD的快速上升时间和除颤器冲击脉冲。

这些网络中的每一个都是互惠的;它们保护系统免受外界的影响，并保护外部世界免受设备可能辐射的任何无意信号的影响。

所有这些设备都可以帮助ECG的保护电路。由于这正在成为一个复杂的系统，因此对其进行模拟是明智的。免费和低成本计算器5和模拟器6可用于此任务。

最终目标是保护患者

有许多关于心脏安全电流水平的研究。医疗设备的标准已经反弹，今天据说安全水平低于4μA至10μA。这使得医疗设备的设计要求非常高，而且利润非常小。还要记住，同时将几件设备连接到患者身上并不少见。因此，总泄漏电流必须保持在可能伤害患者心脏的阈值以下。

在生命平衡的情况下，除颤器设计人员必须了解所有可能的输入保护方法，然后以合理的成本选择最佳防御措施。必须始终保护患者，包括在设备在医疗环境中的使用寿命期间对设备进行适当的检查和校准。