便攜式醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計難點分析

當今的政府與醫(yī)療機構(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、遠距離連接的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢。這些設(shè)備包括從血糖儀到便攜式心電圖(ECG)系統(tǒng)。

便攜醫(yī)療電子設(shè)備所面臨的挑戰(zhàn)是對遠距離連接便攜性的要求越來越高，同時還要保持所采集數(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，這個定義有所改變。如今許多醫(yī)療設(shè)備為完全可移動的，甚至是可以是“可穿戴的”。這當然會帶來設(shè)計方面的挑戰(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)其中有五個基本的部分：

◆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)字信號處理器 (DSP)

圖1，便攜式醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)

圖2，便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的主要功能模塊

顯然，不同系統(tǒng)間每個模塊特定的性能也不相同。

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重要的性能特點，其效果在某種程度上取決于適當?shù)谋彻饨鉀Q方案。不管是感應(yīng)式還是簡單的電荷泵拓撲結(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電池供電來工作，具有較大的設(shè)計靈活性。當然，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封裝的器件是更高效而經(jīng)濟的方法。

觸摸屏控制(TSC) 是簡化便攜式電子設(shè)備使用的一個關(guān)鍵的因素，由于免除了傳統(tǒng)鍵盤，還可進一步縮小設(shè)備體積。TSC利用菜單驅(qū)動的功能選擇，對輸入及輸出數(shù)據(jù)顯示進行精細調(diào)節(jié)，能放大“按鍵”而更方便使用。實施TSC時，要考慮的一個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。實施TSC要考慮的其它的因素有分辨率、屏幕尺寸、轉(zhuǎn)換類型與速度、以及總體功耗等。

傳感器接口與信號鏈

不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其它生物傳感器，實施適當?shù)男盘栨湺际亲钪匾膯栴}。信號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)實施是在毫伏級噪聲內(nèi)嘗試尋找一個微伏級的信號。由于目標信號有交流特性，需要有一個與高通濾波方案配合良好的放大器。采用自動回零或自動計算功能可進一步簡化系統(tǒng)補償要求。

典型地說，第二階是一個低功耗運算放大器，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輸入共模距離產(chǎn)生線性偏移的信號。這表明微控制器并不需要運算額外的算法來校正偏移。

信號鏈下一階是良好的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)換等特性簡化了ADC的設(shè)計要求，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)的信號采集能力，允許在相同的時鐘周期內(nèi)對多點信號資源進行比較。

利用適當?shù)牟季旨霸x擇，可將一個干凈、精確而有意義的信號輸入到系統(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。

必需要均衡考慮系統(tǒng)處理要求與功耗限制。雖然是針對 DSP級的數(shù)據(jù)處理所設(shè)計，但只允許低功耗微處理器的功率分配，如MSP430，會造成設(shè)計的沖突。然而，利用新的DSP技術(shù)及電源拓撲結(jié)構(gòu)實施幾個電源級別和待機模式，可幫助系統(tǒng)以經(jīng)濟車級的油耗實現(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、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只在需要處理要時活動，平均系統(tǒng)功耗將保持較低，僅在DSP喚醒狀態(tài)下才能達到峰值。通過實施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)運行環(huán)境。憑借最新微控制器的性能和集成度，需以較低的功耗實時處理的復(fù)雜應(yīng)用可利用MSP430FG461x一類的器件來實現(xiàn)。

電池及功率管理

簡單的系統(tǒng)可使用一次性電池，因為其功耗很低，可以將更換電池的總成本控制在較低的水平上。較大系統(tǒng)可采用各種可充電的電池及不同的電池組尺寸。動態(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行。在需要使用醫(yī)療系統(tǒng)時，并不會總有等待充電的時間。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包括60%到70%的放電周期時間。 庫侖計數(shù)并不能補償電池老化問題，它并不了解電池隨時間所剩下的容量。雖然不真正了解電池的狀態(tài)，但它會假定了解其狀態(tài)。阻抗跟蹤允許系統(tǒng)以1% 的誤差計算電池所剩的壽命，使系統(tǒng)可利用電池中所有可用的能量，從而實現(xiàn)較長的工作壽命。

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)鍵的特性是電池驗正。這是一種利用加密的設(shè)備ID驗正系統(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會影響系統(tǒng)的運行壽命，也能損壞系統(tǒng)，甚至引發(fā)起火。

一般來說，在設(shè)計周期的前端進行功耗決策，有助于確定系統(tǒng)級的取舍，以滿足目標設(shè)備的便攜性及運行壽命需求。

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。

當病人從醫(yī)院返回家中時，可通過身上無線傳感器遠程地與醫(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，可在其家中隨時私密地接收監(jiān)控。這里也可采用無線接口，如藍牙。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重要要素。有多個通道的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。但低頻可增大信號傳播距離。

利用多通道的整個身體監(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)控只用幾個傳感器，距離比數(shù)據(jù)速率更重要。最后一點，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?shù)幕A(chǔ)設(shè)施，在其內(nèi)部也需要合適的半導體元件。

為了獲得更大的成功，半導體供應(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。

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