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當(dāng)今的政府與醫(yī)療機(jī)構(gòu)正努力完善其醫(yī)療體系，以更好地為病人服務(wù)。 為了讓病人有更多時(shí)間在家中養(yǎng)病，不必到醫(yī)院或醫(yī)生辦公室來，醫(yī)療行業(yè)充分發(fā)揮了便攜、遠(yuǎn)距離連接的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。 這些設(shè)備包括從血糖儀到便攜式心電圖 (ECG) 系統(tǒng)。 圖1 便攜式醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng) “便攜” 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越高，同時(shí)還要保持所采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量與響應(yīng)性。 “便攜式” 一詞表示設(shè)備裝有輪子，可在門中通過。 但如今，這個(gè)定義有所改變。如今許多醫(yī)療設(shè)備為完全可移動(dòng)的，甚至是可以是 “可穿戴的”。 這當(dāng)然會(huì)帶來設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)，不只是設(shè)備體積上的，而且也包括內(nèi)部的電子器件。 如果把便攜式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備解剖開來，可發(fā)現(xiàn)其中有五個(gè)基本的部分 (圖 2)： 顯示器與顯示器接口 電池及功率管理 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) 顯然，不同系統(tǒng)間每個(gè)模塊特定的性能也不相同。 圖2 便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的主要功能方塊 顯示器 不論是向病人告知體溫或心電圖 (ECG)結(jié)果，顯示器的顯示效果都是一項(xiàng)重要的性能特點(diǎn)，其效果在某種程度上取決于適當(dāng)?shù)谋彻饨鉀Q方案。不管是感應(yīng)式還是簡(jiǎn)單的電荷泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于便攜式系統(tǒng)由電池供電，有較寬輸入電壓距離的背光解決方案可降低對(duì)額外調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的需求。 選擇升壓型或降壓/升壓雙向變換器可輕松的由多個(gè)電池供電來工作，具有較大的設(shè)計(jì)靈活性。 當(dāng)然，設(shè)備的尺寸和總功率效率是關(guān)鍵的問題，采用有較高集成度及先進(jìn)封裝的器件是更高效而經(jīng)濟(jì)的方法 觸摸屏控制 (TSC) 是簡(jiǎn)化便攜式電子設(shè)備使用的一個(gè)關(guān)鍵的因素，由于免除了傳統(tǒng)鍵盤，還可進(jìn)一步縮小設(shè)備體積。 TSC利用菜單驅(qū)動(dòng)的功能選擇，對(duì)輸入及輸出數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，能放大“按鍵”而更方便使用。 實(shí)施TSC時(shí)，要考慮的一個(gè)重要因素是所選方案的靜電 (ESD) 處理能力。 如果TSC 電路不能發(fā)散靜電產(chǎn)生的能量，該能量可通過中央微控制器/DSP并造成其損壞。 實(shí)施TSC要其它的因素有分辨率、與屏幕尺寸、轉(zhuǎn)換類型與速度、以及總體功耗等。 傳感器接口與信號(hào)鏈 不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器，實(shí)施適當(dāng)?shù)男盘?hào)鏈都是最重要的問題。 信號(hào)鏈的第一階是儀用放大器(圖 2)， 如有較低輸入失調(diào)電壓、較低漂移及有交流性能的較大直流精度的微功耗放大器INA326。多數(shù)實(shí)施是在毫伏級(jí)噪聲內(nèi)嘗試尋找一個(gè)微伏級(jí)的信號(hào)。 由于目標(biāo)信號(hào)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)回零或自動(dòng)計(jì)算功能可進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統(tǒng)補(bǔ)償要求。 典型地說，第二階是一個(gè)低功耗運(yùn)算放大器，如OPA376，它有較寬的帶寬、軌到軌輸入及輸出 (RRIO)，并具有出色的精度。 零交越一類的特性可在整個(gè)輸入共模距離產(chǎn)生線性偏移的信號(hào)。 這表明微控制器并不需要運(yùn)算額外的算法來校正偏移。 信號(hào)鏈下一階是良好的delta-sigma 或逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。 單周期濾波器設(shè)置及隨需轉(zhuǎn)換等特性簡(jiǎn)化了ADC的設(shè)計(jì)要求。 也提高了轉(zhuǎn)換速度，并提供了較大的源阻抗。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，允許在相同的時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)多點(diǎn)信號(hào)資源進(jìn)行比較。 利用適當(dāng)?shù)牟季旨霸x擇，可將一個(gè)干凈、精確而有意義的信號(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)行診斷算法是通常是系統(tǒng)控制器的重要功能。 必需要均衡考慮系統(tǒng)處理要求與功耗限制。 雖然是針對(duì) DSP級(jí)的數(shù)據(jù)處理所設(shè)計(jì)，但只允許低功耗微處理器的功率分配，如MSP430，會(huì)造成設(shè)計(jì)的沖突。 然而，利用新的DSP 技術(shù)及電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)施幾個(gè)電源級(jí)別和待機(jī)模式，可幫助系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)車級(jí)的油耗實(shí)現(xiàn)跑車級(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 只在需要處理要時(shí)活動(dòng)，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(shí)施super-caps 或其它能量存貯器件可支持DSP 功率突增，可將電壓切斷現(xiàn)象降到最低，并改善高系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)環(huán)境。 憑借最新微控制器的性能和集成度，需以較低的功耗實(shí)時(shí)處理的復(fù)雜應(yīng)用可利用MSP430FG461x一類的器件來實(shí)現(xiàn)。 電池及功率管理 簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可使用一次性電池，因?yàn)槠涔暮艿停梢詫⒏鼡Q電池的總成本控制在較低的水平上。 較大系統(tǒng)可采用各種可充電的電池及不同的電池組尺寸。 動(dòng)態(tài)功耗路徑管理等特性，允許系統(tǒng)不依賴電池充電路徑地消耗功率。這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。由于電池電壓并不呈線性地下降，電壓跟蹤并不能直接得到電池的真正壽命。特別是電壓量程中間第三級(jí)包括60%到70%的放電周期時(shí)間。 庫(kù)侖計(jì)數(shù)并不能補(bǔ)償電池老化問題，它并不了解電池隨時(shí)間所剩下的容量。雖然不真正了解電池的狀態(tài)，但它會(huì)假定了解其狀態(tài)。阻抗跟蹤允許系統(tǒng)以1% 的誤差計(jì)算電池所剩的壽命，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)的工作壽命。 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)正。 這是一種利用加密的設(shè)備 ID驗(yàn)正系統(tǒng)中電池能否滿足原始設(shè)備制造商(OEM)要求的方式。使用不合適的電池組會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行壽命，也能損壞系統(tǒng)，甚至引發(fā)起火。 一般來說，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，以滿足目標(biāo)設(shè)備的便攜性及運(yùn)行壽命需求。 數(shù)據(jù)接口 醫(yī)療電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口從有線 RS232接口遷移到有線及無線以太網(wǎng)連接、及近距離及較長(zhǎng)距離的無線連接。 醫(yī)院可以利用這些新接口來連接醫(yī)院內(nèi)和患者家里所有設(shè)備。 當(dāng)病人從醫(yī)院返回家中時(shí)，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(gè)系統(tǒng)連入以太網(wǎng)或醫(yī)療呼叫中，可在其家中隨時(shí)私密地接收監(jiān)控。這里也可采用無線接口，如藍(lán)牙。 也可采用Texas Instruments的Chipcon系列Zigbee 及其它低功耗的無線解決方案，其SmartRF 技術(shù)可與家庭及工業(yè)環(huán)境連網(wǎng)。除了功耗外，數(shù)據(jù)速率及距離也是選擇無線接口的兩個(gè)重要要素。 有多個(gè)通道的2.4GHz 解決方案可覆蓋全球，具有較高的數(shù)據(jù)速率及占空比。但低頻可增大信號(hào)傳播距離。 利用多通道的整個(gè)身體監(jiān)控系統(tǒng)，病人可能只需局限在家中，而不必只躺在床上。 這種情況下，距離可能有所局限，但數(shù)據(jù)速率得以最大化。 如果監(jiān)控只用幾個(gè)傳感器，距離比數(shù)據(jù)速率更重要。最后一點(diǎn)，選擇方案必須控制在總體系統(tǒng)功耗預(yù)算之內(nèi)。 結(jié)論 未來會(huì)有更多創(chuàng)新的醫(yī)療設(shè)備出現(xiàn)，如家庭身體掃描器，只要站在機(jī)器前，就可以在LCD 顯示器前看醫(yī)生。 虛擬的醫(yī)生可以在世界上的任何地方，而我們坐在家里、辦公室或在休假中都可以看醫(yī)生。就在今天，便攜式醫(yī)療設(shè)備及監(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 廠商開發(fā)這些創(chuàng)新的產(chǎn)品，我們既在電子設(shè)備的外部需要適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，在其內(nèi)部也需要合適的半導(dǎo)體元件。 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，并發(fā)了解其體積與功耗預(yù)算的局限。 最后，它可幫助醫(yī)療設(shè)備廠商減少返工，從最開始就優(yōu)化整體的設(shè)計(jì)。 |
