便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的應(yīng)用挑戰(zhàn)及解決方案

作者：Jonathan，Bearfield

當(dāng)前，政府與醫(yī)療機(jī)構(gòu)正努力完善其醫(yī)療體系，以便更好地為病人服務(wù)。為了讓病人有更多時間在家中養(yǎng)病，而不用常奔波于醫(yī)院或診所，醫(yī)療行業(yè)正充分利用便攜及遠(yuǎn)距離連接的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)，其中包括從血糖儀到便攜式心電圖系統(tǒng)等各種便攜醫(yī)療設(shè)備。

“便攜式”醫(yī)療電子設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)是對遠(yuǎn)距離連接便攜性的要求越來越高，同時還要保持對所有采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量與響應(yīng)性?！氨銛y式”一詞在過去是指設(shè)備裝有輪子，并且可以從門中通過。但如今，我們所說的“便攜式”與以往不同。當(dāng)前，許多醫(yī)療設(shè)備都是可運輸?shù)?，甚至?“可穿戴的”。這當(dāng)然會帶來設(shè)計方面的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)不僅僅體現(xiàn)在設(shè)備的外形尺寸上，而且體現(xiàn)在內(nèi)部的電子器件上。

如果把任何一臺便攜式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備“解剖”開來，就會發(fā)現(xiàn)其是由顯示器與顯示器接口、電池和電源管理、生物傳感器接口、數(shù)據(jù)接口、系統(tǒng)微控制器或數(shù)字信號處理器（DSP）共五個基本構(gòu)建塊組成的。很顯然，每個模塊的具體性能根據(jù)系統(tǒng)的不同也不盡相同。

顯示器

無論是告知病人體溫讀數(shù)還是心電圖（ECG）的結(jié)果，顯示器的顯示效果都是一項重要的性能屬性，其效果在某種程度上取決于適當(dāng)?shù)谋彻饨鉀Q方案。且不管是感應(yīng)式還是更簡單的充電泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于便攜式系統(tǒng)由電池供電，具有寬泛輸入電壓范圍的背光解決方案可降低系統(tǒng)中對額外調(diào)節(jié)的需求。選擇升壓或降壓/升壓解決方案（其可在多種電池供電的情況下輕松工作）提供了較大的設(shè)計靈活性。當(dāng)然，解決方案的尺寸和整體電源效率是系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，因此充分利用較高集成度和先進(jìn)封裝的器件就變得更為高效且成本更低。

觸摸屏控制（TSC）是實現(xiàn)便攜式電子設(shè)備方便易用性的一個關(guān)鍵的因素，由于替代了傳統(tǒng)鍵盤，因此其還可大大縮小設(shè)備的外形尺寸。TSC實現(xiàn)了菜單驅(qū)動的功能選擇、對輸入和輸出數(shù)據(jù)顯示的精細(xì)調(diào)節(jié)功能并能放大“按鍵”，從而實現(xiàn)了方便易用性。所選解決方案的靜電（ESD）處理能力是實施TSC時要考慮的一個重要因素。如果TSC電路不能消耗靜電產(chǎn)生的能量，那么該能量就會流經(jīng)中央微控制器/DSP，并對其造成損壞。實施TSC要考慮的其他的因素包括與屏幕尺寸相比較而言的分辨率、轉(zhuǎn)換類型與速度、以及總體功耗等。

傳感器接口與信號鏈

適當(dāng)?shù)男盘栨湆w溫、脈搏、血糖讀取和其他生物傳感器都是非常重要的。信號鏈的第一級為儀表放大器（如INA326，見圖1），這是一款具有較低輸入失調(diào)電壓、較低漂移以及有AC性能的較大直流精度的微功率放大器。在大多數(shù)應(yīng)用中，設(shè)計人員都試圖在毫伏噪聲內(nèi)尋找一個微伏電平信號。由于目標(biāo)信號具有交流特性，需要有一個與高通濾波方案配合良好的放大器。采用自動歸零或自動計算功能可進(jìn)一步簡化系統(tǒng)補(bǔ)償要求。通常，第二級為一個低功耗運算放大器（如OPA376），其具有較寬的帶寬、軌至軌輸入和輸出，并且具有出色的精度。諸如零交叉之類的特性可在整個輸入共模范圍內(nèi)產(chǎn)生線性偏移信號。這就是說微控制器并不需要運行額外的算法來校正移位和偏移。

信號鏈的下一級為良好的 - ∑ADC或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。單周期濾波器建立時間和隨需轉(zhuǎn)換等特性簡化了ADC的設(shè)計要求。此外，其還提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的信號源阻抗。在多通道系統(tǒng)中，全局同步等特性提供了連續(xù)的信號采集能力，從而允許在相同的時鐘周期內(nèi)對多點信號源進(jìn)行比較。利用適當(dāng)?shù)牟季趾徒M件選擇，可將一個真正干凈、精確的信號輸入到系統(tǒng)微處理器/DSP中。

微控制器/DSP

醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備可產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù)。保存數(shù)據(jù)與處理趨勢、識別變化、提供反饋，支持與較大系統(tǒng)連接的能力，以及執(zhí)行診斷算法通常是系統(tǒng)控制器的重要功能。

均衡考慮系統(tǒng)處理要求與功耗限制是非常重要的。雖然是針對DSP級的數(shù)據(jù)處理設(shè)計，但只允許低功耗微處理器的功率預(yù)算（如MSP430）會造成設(shè)計的沖突。然而，充分利用更新的DSP技術(shù)和電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并實施幾個功耗級別和待機(jī)模式，可幫助系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)車級的油耗實現(xiàn)跑車級的性能。這表明某些處理帶寬要向管理功耗方向發(fā)展。MSP430類型的控制器可管理系統(tǒng)待機(jī)、睡眠及喚醒轉(zhuǎn)換功能，而DSP可提高總體系統(tǒng)性能來創(chuàng)建具有兩方面性能的系統(tǒng)。如果DSP只在需要處理時工作，那么平均系統(tǒng)功耗將保持較低，僅在DSP喚醒狀態(tài)下才能達(dá)到峰值。通過實施超級電容或其他能量存貯器件可支持DSP功率突波，以將掉電現(xiàn)象降到最低，并延長系統(tǒng)的運行時間。憑借最新型微控制器的性能和集成度，需以較低功耗進(jìn)行實時處理的復(fù)雜應(yīng)用可利用 MSP430FG461x之類的器件來實現(xiàn)。

電池與電源管理

簡單的系統(tǒng)可使用一次性電池，因為其功耗非常低，足以將更換電池的總成本控制在較低的水平上。較大系統(tǒng)可采用各種可充電電池和不同尺寸的電池組。動態(tài)電源路徑管理等特性能夠在獨立為電池充電的同時為系統(tǒng)供電。這就允許使用完全放電的電池設(shè)備在接入后即可使用，不必等待電池充電后才能運行。在需要使用醫(yī)療系統(tǒng)時，并不會總是有等待充電的時間。跟蹤電池真實阻抗而不是簡單的電壓測量或庫侖計數(shù)能力是另一重要特性。由于電池電壓并不是呈線性下降，電壓跟蹤并不能直接得到電池的真正使用壽命，特別是電壓量程中間第三級包括60%“70%的放電周期時間。庫侖計數(shù)并不能補(bǔ)償電池老化問題，它并不了解電池隨時間的變化所剩下的容量。雖然不能真正了解電池的狀態(tài)，但其會“假設(shè)”了解其狀態(tài)。阻抗跟蹤允許系統(tǒng)以1%的誤差計算電池所剩的運行時間，使系統(tǒng)可利用電池中所有可用的能量，從而實現(xiàn)較長的運行時間。

正如系統(tǒng)運行對醫(yī)療電子設(shè)備非常重要一樣，另一關(guān)鍵的特性是電池驗證。這是一種利用加密的設(shè)備ID來驗證系統(tǒng)中電池能否滿足原始設(shè)備制造商要求的方式。使用不合適的電池組不僅會影響系統(tǒng)的運行時間，而且可能會損壞系統(tǒng)，甚至引發(fā)起火。

總之，在設(shè)計周期的前端進(jìn)行功耗決策，有助于確定系統(tǒng)級的取舍，以滿足設(shè)備的便攜性及運行時間目標(biāo)的要求。

數(shù)據(jù)接口

醫(yī)療電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口從有線RS232接口過渡到有線和無線以太網(wǎng)連接、近距離及較長距離的無線連接。這種新型接口可以實現(xiàn)對樓宇內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，包括病人家庭內(nèi)的設(shè)備。

當(dāng)病人從醫(yī)院返回家中時，其可通過身上無線傳感器遠(yuǎn)程地與醫(yī)生聯(lián)系，該傳感器連接到家中安全系統(tǒng)的監(jiān)控器上。整個系統(tǒng)連入以太網(wǎng)或醫(yī)療呼叫中心，可在其家中隨時私密地接收時鐘監(jiān)控。這里也可采用無線接口，如藍(lán)牙等，或采用TI推出的Chipcon系列Zigbee及其他低功耗無線解決方案，其SmartRF技術(shù)可與家庭及工業(yè)環(huán)境聯(lián)網(wǎng)。除了功耗外，數(shù)據(jù)速率和范圍也是選擇無線接口的兩個重要要素。一款多個通道2.4GHz解決方案可覆蓋全球，且具有較高的數(shù)據(jù)速率和占空比。但更低的頻率可增大信號傳播范圍。對于多通道全身監(jiān)控系統(tǒng)而言，病人可能會局限在家中活動，而不必只躺在床上。在這種情況下，信號范圍可能會有所局限，但數(shù)據(jù)速率得以最大化。如果只需要監(jiān)控幾個傳感器，則范圍可能比數(shù)據(jù)速率更為重要。最后一點，解決方案的選擇必須要控制在總體系統(tǒng)功耗預(yù)算之內(nèi)。

結(jié)論

目前，便攜式醫(yī)療設(shè)備和監(jiān)控系統(tǒng)可提供隨時隨地的醫(yī)療支持。為了幫助醫(yī)療設(shè)備廠商開發(fā)這些創(chuàng)新的產(chǎn)品，在電子設(shè)備的外部，我們不但需要適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，而且在其內(nèi)部還需要合適的半導(dǎo)體組件。為了獲得更大的成功，半導(dǎo)體供應(yīng)商要考慮便攜式醫(yī)療產(chǎn)品的特性和需求，為每種產(chǎn)品定義性能規(guī)范，并了解其空間與功耗預(yù)算的局限性。最后，其還可幫助醫(yī)療設(shè)備廠商減少返工，從一開始就優(yōu)化整體的設(shè)計。

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