家用醫療電子設備的差異化設計

全球人口的老齡化和醫療成本的飚升推動了對家用醫療保健解決方案的巨大市場需求。隨著更小、更便宜的便攜式家用護理技術替代大型昂貴的設備，市場上的醫療保健產品數量不斷增加，而半導體技術的發展推動了家用醫療保健的普及和成本的降低。
這個數字非常驚人。據世界衛生組織(WHO)統計，2006年全球50歲以上的人口數量是6.5億，并且預計到2025年這個數字將達到12億。僅在美國，65歲以上的老人在人口中的比例就在不斷上升，并且有望在未來持續上升。
醫療保健市場非常大。據美國政府透露，美國在醫療保健領域支出了2.5萬億美元，占整個國家GDP的18%。ABI Research公司預測，到2014年將有5,900萬臺可佩戴的家用醫療保健設備投入使用，屆時可佩戴設備的總數將達到4.2億臺，其中包括體育和健身用設備。
Freedonia Group公司認為目前家用醫療保健設備的市值已遠遠超過70億美元，其中涉及的技術包括呼吸治療、靜脈(IV)注射、透析、病人監護、輪椅、輔助步行、醫療設備和安全設備。
今天的醫療設備能給病人提供更低成本和更加安全的監護方式，在某些情況下甚至可以在自己家里處理他們的健康狀況，減少了去醫院、診所或醫生辦公室的需要。醫療保健正變得越來越分散化。
便攜式家用醫療保健設備包括血糖儀、血壓計、心率監視器、數字體溫計、脈搏血氧飽和儀、用于治療哮喘和其它呼吸疾病的哮喘儀、用于老人和殘疾人的跌落與運動檢測設備以及用于體重監視和管理的數字秤，還有用于治療睡眠呼吸暫停的設備。許多家用健身設備也通過升級增加了保健測量和管理功能。
用于醫療設備的半導體技術
在互聯網連接的推動下，半導體IC性能和集成度得到了極大提升，進而推動著家用醫療保健設備的創新。有趣的是，這些半導體IC的發展拯救了上千條生命，并使許多人的壽命更長，這進一步提高了對保健醫療的要求，并增加了對更多醫療創新的需求。
設計師可以充分發揮傳感器、微控制器單元(MCU)、微處理器、DSP、模擬前端、存儲器、電源IC和發送器與接收器的功能。FPGA也能實現許多功能。這些解決方案都能達到很高的功能集成度。
許多IC功能正在推動家用保健醫療趨勢，特別是處理器和先進的傳感器。例如，DSP具有高運算能力，可用來實現新一代監護產品。
先進的加速度計，比如ADI公司的ADXL345 iMEMS三軸數字加速度計，被廣泛用于上百萬臺游戲機、導航設備、蜂窩電話、汽車應用和其它消費產品。這些加速度計可確保家用數字血壓計的精度。它們可以檢測并確保測量時手臂相對于病人心臟的正確位置，從而實現最大的測量精度。
脈搏血氧儀是最近加入家用醫療保健監護陣營的設備之一，而血氧飽和度是繼血壓、心率、呼吸率和體溫之后的第5個重要體癥。血氧儀可以用來測量血色素攜帶的氧氣含量。血色素是紅細胞的重要部分，用來將氧氣從肺部輸出到人體各處組織。
脈搏血氧儀(圖1)可以采用許多傳統的IC來設計，安森美公司表示。安森美在三年前收購了高級定制IC領先制造商AMI半導體公司。一些半導體IC制造商可以提供家用保健醫療應用所需的完整信號鏈功能。
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圖1：脈搏血氧儀可以采用傳統的IC來設計，安森美為脈搏血氧儀方案提供棕色框圖中的IC。
“我們開發的AD5933阻抗分析芯片可以用來測量諸如人體脂肪和血液凝固度等參數，輸出可以鏈接到與醫生通信的家用保健終端。”ADI公司醫療保健部全球策略營銷經理Paul Errico介紹，“這只是我們能夠提供的便攜式家用醫療保健產品中完整信號鏈(圖2)所需的IC之一。”
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圖2：便攜式家用醫療保健產品中信號鏈的主要功能塊。
“我們正在開發能夠滿足當前和未來家用醫療保健應用需求的解決方案，這不僅包括信號鏈中的數據測量部分，還包括家用病人及其醫療服務提供者之間的連接部分。”
設計挑戰
家用醫療保健設備市場給設計工程師提出了許多艱巨的挑戰，包括低功耗進而更長的電池壽命、魯棒和強大的數據處理能力、更加友好和簡單的用戶操作、無線連接以及更低的最終用戶成本。半導體IC制造商也越來越多地面臨這些挑戰。
Microchip科技公司在其PIC微控制器中采用了nanoWatt XLP超低功耗技術(圖5)，這種控制器可用于血糖儀等家用醫療保健設備。Microchip公司的PIC16、18和24F微控制器在電源關斷模式僅消耗100nA電流，并集成了800nA的看門狗定時器、實時時鐘和日歷電路。
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圖5：家用血糖儀電路需要超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。
一些公司使用專門針對低功耗優化了的閃存微控制器單元實現手持式家用醫療保健設備，如血糖監視儀。NEC電子公司的16位全閃存MCU基于公司的78kOR CPU內核，工作電壓從3.3V至5V。這種MCU集成了LCD驅動器、12位模數和數模轉換器(ADC和DAC)、運放和電壓基準。在待機模式下，該MCU的消耗電流僅1.2μA。
“我們從20世紀90年代初就開始從事血糖儀業務，因此非常理解這種醫療設備的低功耗要求。”NEC公司首席技術營銷工程師Michael Clodfelter表示，“一些MCU制造商宣傳的nA級低功耗待機模式指標殺傷力過大。事實上，待機模式下約1μA就能保證血糖儀有足夠長的電池壽命。
Clodfelter還發現一個趨勢，即在便攜式醫療家用設備中使用32位MCU來提供更高的精度。事實上，NEC提供32位全閃存 V850ES(圖6)，在用于血糖儀時功耗僅90mW/Dhrystone。當時鐘頻率在5MHz至20MHz時，這種微控制器的管線式架構執行速度高達43個Dhhrystone MIPS(1.1)。
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圖6：NEC提供32位全閃存 V850ES
呼吸監視
用于呼吸監視的便攜式測試儀是最近進入家用的醫療保健產品之一。一些較著名的呼吸疾病包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘和睡眠呼吸暫停。全球超過3億人患有哮喘。
KarmelSonix公司針對哮喘病人推出了哮喘儀。這種個人哮喘評估設備采用ADI公司的400MHz BF524 Blackfin DSP，是一種手持設備，放置在病人的喉嚨口。先由壓電傳感器從病人的呼吸中捕獲空氣流動的不規則數據，并饋送到DSP。然后由處理器判斷病人的呼吸速率，這個速率定義為喘息占用的呼吸周期持續時間。KarmelSonix公司表示，喘息速率是哮喘病人的一種動態和重要的哮喘發作測量參數。
KarmelSonix公司獲得專利的軟件算法應用了嚴格的標準來判斷喘息的出現。該公司透露，這些標準是由計算機處理的呼吸聲音分析(CORSA)提供的指南而確定的。
“哮喘儀還可以給家用以外的場合帶來方便。這種便攜式設備可以放在個人的背包里，哮喘儀的輸出數據可以通過筆記本電腦上的USB端口從任何地方下載到醫生或醫療提供商那里。”ADI公司策略營銷經理Tony Zarola表示，“我們有望在EKG無線監視設備中通過USB端口使用Blackfin DSP。”
為了推進便攜式家用醫療保健設備的開發，TI公司提供基于TMS320VC5505 DSP的開發套件。據TI公司稱，這些套件可以將產品上市時間加快至8個月。每個套件包含硬件和軟件設計工具，包括原理圖、樣例代碼、醫療特殊算法和其它間接性支持。
皇家菲利浦電子(Royal Philips Electronics)公司為家用醫療保健領域提供智能的睡眠呼吸暫停治療系統。這種Reprionics睡眠治療系統大約時鐘收音機大小(7x5.5x4英寸)，可以為中度至重度睡眠呼吸暫停癥病人提供治療方案。這個系統利用菲利浦開發的正向氣道壓力原理設計，通過一個面罩提供柔和的壓縮空氣流，以保持病人的氣道暢通。
“這是目前為止我們提供的睡眠呼吸暫停治療方面最復雜的產品，它的面世正當病人配合問題最突出的時候。”菲利浦公司家用醫療保健解決方案首席執行官Donald Spence表示。
菲利浦公司還提供Trilogy 100便攜式家用生命支撐通風設備，可供成人和兒童使用。這種設計可以幫助護士和臨床醫生在家中和條件好的護理中心照看病人。
此外，菲利浦公司還在推廣家用醫療保健平臺顯示器終端，這種設備可以方便地通過病人家里的電視機或互聯網實現遠程病人管理。這正是公司的Motiva交互平臺提供的功能。除了監視重要的體癥外，這種設備還能提供教育信息和動機消息，并能用于與健康有關的測量。
Intel公司最近宣布正在測試Health Guide，一種用于醫療信息監視和通信的PC機。這種PC機可以監視患有慢性病的老年病人的重要體癥，并通過網絡向遠程的醫療提供者提供詳情。
Intel和GE都是康體佳健康聯盟(Continua Health Alliance)的重量級成員，最近兩家公司聯合起來攻克針對家用和輔助生命裝置的醫療保健課題。康體佳健康聯盟成立于2006年，旨在解決導致醫療保健成本急速上升的生活方式、健康和人口發展趨勢問題。
康體佳健康聯盟由領先的醫療保健提供商、保險公司、醫院、制藥公司、半導體IC公司以及運動用品和醫療設備制造商組成。該組織致力于無線和有線通信協議的標準化，并幫助許多IC和醫療設備提供商積極參與便攜式家用醫療保健監護設備市場。
互操作性
互操作性是家用醫療保健設備的重要目標。醫療設備和IC機構認識到，要想繁榮家用醫療保健設備市場，這些設備必須具有較高成本效益和安全性，并能相互間或與其它病人信息資源實現快速通信。
康體佳健康聯盟最近選擇了2.4GHz低功耗藍牙和ANT醫療保健協議作為其互操作性設計指南的第二版本。由于低功耗藍牙在手機中的流行，低功耗藍牙可能成為家用醫療保健設備的標準配置。另一方面，如Dynastream Innovations公司分公司ANT Wireless的ANT。ANT是一種超低功耗無線2.4GHz協議，主要用于醫療保健和健身監護應用。ANT Wireless公司表示，采用ANT協議的節點可以用鈕扣電池持續工作幾年時間，相比之下其它電池可持續數月。ANT是專門針對可靠靈活的數據通信設計的，可有效抵抗串擾。
對設計師工程師和醫療設計OEM商來說，無干擾的醫療監護是一個重要課題。醫療監護器和收發器設計必須發射低能量水平的信號，不能干擾周邊的其它信號。無線和有線傳輸必須滿足美國國家食品藥品監督管理局(FDA)嚴格的安全和可靠性要求。另外，發送的數據必須滿足病人和醫療提供商提出的嚴格隱私要求。
Nordic半導體公司在其nRF24AP2 無線收發器中使用的就是ANT協議。最近該公司開始提供nRF8001 超低功耗藍牙4.0 BLE芯片(圖7)樣品。
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ABI Research公司預計，到2014年交付的低功耗藍牙芯片組將超過25億個，而這個市場的年復合增長率(CAGR)將達78%。這種芯片組的發展將反映低功耗藍牙的兩種不同實現，即雙模和單模，其中首先實現的將是單模芯片。
人體可穿戴網絡
像康體佳健康聯盟做的這些工作積極促進了人體佩戴無線傳感器網絡的發展，這些網絡也被稱為人體局域網(BAN)和個人局域網(PAN)。這些網絡使用低價、很低功耗、可互操作和無干擾的無線傳感器連接到像手表之類的實時顯示器，然后再連到家中的計算機。醫療信息最終將從這些計算機通過互聯網甚至無線方式發送給醫療設備提供者。
“無線監護將允許醫療保健專家對老年人保持高度的警惕，同時又能讓這些老年人盡可能長時間地呆在家里。這種方法可以極大地降低成本，并使病人感到更加愉悅。”Nordic半導體公司業務發展經理Alf Helge Omre表示。
在比利時Lueven的IMEC Holsts中心，科學家們正在開發一種喚醒監護用的BAN，通過測量四種人體生理參數來評估人的情緒狀態。這種BAN的開發是該中心Human++計劃的一部分，它用到了許多傳感器，而這些傳感器全都系在綁于全身的繃帶上。
檢測到的人體數據通過無線方式發送到作為基站的PC，供醫療和游戲領域的醫生或其他人作進一步分析。IMEC的科學家相信，這種方案可以給娛樂和醫療領域中的各種應用帶來很高的價值。
嵌入衣服和被褥等日常用品并用于監視和提醒心臟病人癥狀的各種軟硬件是歐盟1,400萬歐元HeartCycle項目的一部分。雖然這種由聯網的傳感器和監視器組成的系統不會代替病人與醫生之間面對面的交流，但它確實可以減少對這種面對面交流的需求。上述系統可以檢測和遠程監視心臟運動的微小變化，并使這些變化變得更嚴重之前及時地得到處理。

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