便攜式醫療電子設備的應用挑戰及解決方案

作者：Jonathan，Bearfield

當前，政府與醫療機構正努力完善其醫療體系，以便更好地為病人服務。為了讓病人有更多時間在家中養病，而不用常奔波于醫院或診所，醫療行業正充分利用便攜及遠距離連接的醫療監控系統，其中包括從血糖儀到便攜式心電圖系統等各種便攜醫療設備。

“便攜式”醫療電子設備所面臨的挑戰是對遠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據的質量與響應性?！氨銛y式”一詞在過去是指設備裝有輪子，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。當前，許多醫療設備都是可運輸的，甚至是 “可穿戴的”。這當然會帶來設計方面的挑戰，這種挑戰不僅僅體現在設備的外形尺寸上，而且體現在內部的電子器件上。

如果把任何一臺便攜式醫療監控設備“解剖”開來，就會發現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、數據接口、系統微控制器或數字信號處理器（DSP）共五個基本構建塊組成的。很顯然，每個模塊的具體性能根據系統的不同也不盡相同。

顯示器

無論是告知病人體溫讀數還是心電圖（ECG）的結果，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的背光解決方案。且不管是感應式還是更簡單的充電泵拓撲結構，由于便攜式系統由電池供電，具有寬泛輸入電壓范圍的背光解決方案可降低系統中對額外調節的需求。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）提供了較大的設計靈活性。當然，解決方案的尺寸和整體電源效率是系統的關鍵所在，因此充分利用較高集成度和先進封裝的器件就變得更為高效且成本更低。

觸摸屏控制（TSC）是實現便攜式電子設備方便易用性的一個關鍵的因素，由于替代了傳統鍵盤，因此其還可大大縮小設備的外形尺寸。TSC實現了菜單驅動的功能選擇、對輸入和輸出數據顯示的精細調節功能并能放大“按鍵”，從而實現了方便易用性。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生的能量，那么該能量就會流經中央微控制器/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、轉換類型與速度、以及總體功耗等。

傳感器接口與信號鏈

適當的信號鏈對體溫、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。在大多數應用中，設計人員都試圖在毫伏噪聲內尋找一個微伏電平信號。由于目標信號具有交流特性，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一步簡化系統補償要求。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產生線性偏移信號。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或逐次逼近模數轉換器。單周期濾波器建立時間和隨需轉換等特性簡化了ADC的設計要求。此外，其還提高了轉換速度，并提供了較大的信號源阻抗。在多通道系統中，全局同步等特性提供了連續的信號采集能力，從而允許在相同的時鐘周期內對多點信號源進行比較。利用適當的布局和組件選擇，可將一個真正干凈、精確的信號輸入到系統微處理器/DSP中。

微控制器/DSP

醫療監控設備可產生大量的原始數據。保存數據與處理趨勢、識別變化、提供反饋，支持與較大系統連接的能力，以及執行診斷算法通常是系統控制器的重要功能。

均衡考慮系統處理要求與功耗限制是非常重要的。雖然是針對DSP級的數據處理設計，但只允許低功耗微處理器的功率預算（如MSP430）會造成設計的沖突。然而，充分利用更新的DSP技術和電源拓撲結構并實施幾個功耗級別和待機模式，可幫助系統以經濟車級的油耗實現跑車級的性能。這表明某些處理帶寬要向管理功耗方向發展。MSP430類型的控制器可管理系統待機、睡眠及喚醒轉換功能，而DSP可提高總體系統性能來創建具有兩方面性能的系統。如果DSP只在需要處理時工作，那么平均系統功耗將保持較低，僅在DSP喚醒狀態下才能達到峰值。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，以將掉電現象降到最低，并延長系統的運行時間。憑借最新型微控制器的性能和集成度，需以較低功耗進行實時處理的復雜應用可利用 MSP430FG461x之類的器件來實現。

電池與電源管理

簡單的系統可使用一次性電池，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。較大系統可采用各種可充電電池和不同尺寸的電池組。動態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供電。這就允許使用完全放電的電池設備在接入后即可使用，不必等待電池充電后才能運行。在需要使用醫療系統時，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。庫侖計數并不能補償電池老化問題，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，但其會“假設”了解其狀態。阻抗跟蹤允許系統以1%的誤差計算電池所剩的運行時間，使系統可利用電池中所有可用的能量，從而實現較長的運行時間。

正如系統運行對醫療電子設備非常重要一樣，另一關鍵的特性是電池驗證。這是一種利用加密的設備ID來驗證系統中電池能否滿足原始設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的運行時間，而且可能會損壞系統，甚至引發起火。

總之，在設計周期的前端進行功耗決策，有助于確定系統級的取舍，以滿足設備的便攜性及運行時間目標的要求。

數據接口

醫療電子設備數據接口從有線RS232接口過渡到有線和無線以太網連接、近距離及較長距離的無線連接。這種新型接口可以實現對樓宇內的所有設備進行聯網，包括病人家庭內的設備。

當病人從醫院返回家中時，其可通過身上無線傳感器遠程地與醫生聯系，該傳感器連接到家中安全系統的監控器上。整個系統連入以太網或醫療呼叫中心，可在其家中隨時私密地接收時鐘監控。這里也可采用無線接口，如藍牙等，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技術可與家庭及工業環境聯網。除了功耗外，數據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，且具有較高的數據速率和占空比。但更低的頻率可增大信號傳播范圍。對于多通道全身監控系統而言，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，但數據速率得以最大化。如果只需要監控幾個傳感器，則范圍可能比數據速率更為重要。最后一點，解決方案的選擇必須要控制在總體系統功耗預算之內。

結論

目前，便攜式醫療設備和監控系統可提供隨時隨地的醫療支持。為了幫助醫療設備廠商開發這些創新的產品，在電子設備的外部，我們不但需要適當的基礎設施，而且在其內部還需要合適的半導體組件。為了獲得更大的成功，半導體供應商要考慮便攜式醫療產品的特性和需求，為每種產品定義性能規范，并了解其空間與功耗預算的局限性。最后，其還可幫助醫療設備廠商減少返工，從一開始就優化整體的設計。

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