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(shí)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(duì)遠(yuǎn)距離連接便攜性的要求越來(lái)越高，同時(shí)還要保持對(duì)所有采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量與響應(yīng)性。“便攜式”一詞在過(guò)去是指設(shè)備裝有輪子，并且可以從門(mén)中通過(guò)。但如今，我們所說(shuō)的“便攜式”與以往不同。當(dāng)前，許多醫(yī)療設(shè)備都是可運(yùn)輸?shù)模踔潦?“可穿戴的”。這當(dāng)然會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)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(tái)便攜式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備“解剖”開(kāi)來(lái)，就會(huì)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(hào)處理器（DSP）共五個(gè)基本構(gòu)建塊組成的。很顯然，每個(gè)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(wú)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(xiàng)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(jiǎn)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(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)便攜式電子設(shè)備方便易用性的一個(gè)關(guān)鍵的因素，由于替代了傳統(tǒng)鍵盤(pán)，因此其還可大大縮小設(shè)備的外形尺寸。TSC實(shí)現(xiàn)了菜單驅(qū)動(dòng)的功能選擇、對(duì)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(shí)現(xiàn)了方便易用性。所選解決方案的靜電（ESD）處理能力是實(shí)施TSC時(shí)要考慮的一個(gè)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(huì)流經(jīng)中央微控制器/DSP，并對(duì)其造成損壞。實(shí)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(lèi)型與速度、以及總體功耗等。

傳感器接口與信號(hào)鏈

適當(dāng)?shù)男盘?hào)鏈對(duì)體溫、脈搏、血糖讀取和其他生物傳感器都是非常重要的。信號(hào)鏈的第一級(jí)為儀表放大器（如INA326，見(jiàn)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(jì)人員都試圖在毫伏噪聲內(nèi)尋找一個(gè)微伏電平信號(hào)。由于目標(biāo)信號(hào)具有交流特性，需要有一個(gè)與高通濾波方案配合良好的放大器。采用自動(dòng)歸零或自動(dòng)計(jì)算功能可進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)補(bǔ)償要求。通常，第二級(jí)為一個(gè)低功耗運(yùn)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(lèi)的特性可在整個(gè)輸入共模范圍內(nèi)產(chǎn)生線性偏移信號(hào)。這就是說(shuō)微控制器并不需要運(yùn)行額外的算法來(lái)校正移位和偏移。

信號(hào)鏈的下一級(jí)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(shí)間和隨需轉(zhuǎn)換等特性簡(jiǎn)化了ADC的設(shè)計(jì)要求。此外，其還提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的信號(hào)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(hào)采集能力，從而允許在相同的時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)多點(diǎn)信號(hào)源進(jìn)行比較。利用適當(dāng)?shù)牟季趾徒M件選擇，可將一個(gè)真正干凈、精確的信號(hào)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(shì)、識(shí)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(duì)DSP級(jí)的數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)，但只允許低功耗微處理器的功率預(yù)算（如MSP430）會(huì)造成設(shè)計(jì)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(shí)施幾個(gè)功耗級(jí)別和待機(jī)模式，可幫助系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)車(chē)級(jí)的油耗實(shí)現(xiàn)跑車(chē)級(jí)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(lèi)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(lái)創(chuàng)建具有兩方面性能的系統(tǒng)。如果DSP只在需要處理時(shí)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(guò)實(shí)施超級(jí)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(zhǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)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(shí)時(shí)處理的復(fù)雜應(yīng)用可利用 MSP430FG461x之類(lèi)的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電池與電源管理

簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可使用一次性電池，因?yàn)槠涔姆浅５停阋詫⒏鼡Q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(dòng)態(tài)電源路徑管理等特性能夠在獨(dú)立為電池充電的同時(shí)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(yùn)行。在需要使用醫(yī)療系統(tǒng)時(shí)，并不會(huì)總是有等待充電的時(shí)間。跟蹤電池真實(shí)阻抗而不是簡(jiǎn)單的電壓測(cè)量或庫(kù)侖計(jì)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(jí)包括60%“70%的放電周期時(shí)間。庫(kù)侖計(jì)數(shù)并不能補(bǔ)償電池老化問(wèn)題，它并不了解電池隨時(shí)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(huì)“假設(shè)”了解其狀態(tài)。阻抗跟蹤允許系統(tǒng)以1%的誤差計(jì)算電池所剩的運(yùn)行時(shí)間，使系統(tǒng)可利用電池中所有可用的能量，從而實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

正如系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)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(yàn)證。這是一種利用加密的設(shè)備ID來(lái)驗(yàn)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(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，而且可能會(huì)損壞系統(tǒng)，甚至引發(fā)起火。

總之，在設(shè)計(jì)周期的前端進(jìn)行功耗決策，有助于確定系統(tǒng)級(jí)的取舍，以滿足設(shè)備的便攜性及運(yùn)行時(shí)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(guò)渡到有線和無(wú)線以太網(wǎng)連接、近距離及較長(zhǎng)距離的無(wú)線連接。這種新型接口可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，其可通過(guò)身上無(wú)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(gè)系統(tǒng)連入以太網(wǎng)或醫(yī)療呼叫中心，可在其家中隨時(shí)私密地接收時(shí)鐘監(jiān)控。這里也可采用無(wú)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(wú)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(wú)線接口的兩個(gè)重要要素。一款多個(gè)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(hào)傳播范圍。對(duì)于多通道全身監(jiān)控系統(tǒng)而言，病人可能會(huì)局限在家中活動(dòng)，而不必只躺在床上。在這種情況下，信號(hào)范圍可能會(huì)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(gè)傳感器，則范圍可能比數(shù)據(jù)速率更為重要。最后一點(diǎn)，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(shí)隨地的醫(yī)療支持。為了幫助醫(yī)療設(shè)備廠商開(kāi)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(kāi)始就優(yōu)化整體的設(shè)計(jì)。

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