面向便攜式醫療監控設備的嵌入式技術(shù)及應用

電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，政府與各級醫療機構正努力完善醫療體系，以更好地為病人服務(wù)。嵌入式技術(shù)應用深入到醫療行業(yè)后，病人可以有更大的選擇空間，選擇適合自己的治療和療養方式，選擇在家中養病，或者到醫院、醫生辦公室來(lái)。醫療行業(yè)充分發(fā)揮了便攜、遠距離連接的醫療監控系統的優(yōu)勢。這類(lèi)監控設備包括電子血糖儀、便攜式床旁監護儀、便攜式心電圖 (ECG) 系統，甚至更為復雜的醫療監控系統。

2008年以來(lái)，越來(lái)越多的利好消息出現在醫療電子領(lǐng)域。德國、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫療和全民醫療領(lǐng)域加大投入。中國和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國也在進(jìn)行備受世人矚目的醫療改革。這些政府級別的投入將增加全社會(huì )對醫療電子產(chǎn)品的需求。除此之外，還有一些因素也會(huì )對醫療電子市場(chǎng)產(chǎn)生影響。

全球人口老齡化現象日益突出，這些老齡化人口對醫療有非常大的需求。

人們對疾病預防以及對早發(fā)現和早治療的觀(guān)念日趨認同，將促進(jìn)對檢查診斷等基本醫療儀器，如x光、CT、正電子輻射斷層掃描(PET)、MRI和超聲波等的需求。

醫療儀器的升級和更新也將給市場(chǎng)帶來(lái)新需求，如超聲波儀器屏幕由黑白向彩色的變化。

以上因素均對醫療電子設備的技術(shù)走向產(chǎn)生了較大影響，與大型設備相比成本相對較低的便攜式醫療電子設備在需求的帶動(dòng)下展現出進(jìn)入了前所未有的活力。例如可以隨身攜帶的血壓計、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫院中使用的呼吸機、心電監護儀必然會(huì )有越來(lái)越大的市場(chǎng)需求。

“便攜式” 醫療電子設備在解決靈活地傳輸數據的同時(shí)，便攜性的要求越來(lái)越高，并且要保持采集數據的質(zhì)量與實(shí)時(shí)性。便攜式設備主要分為兩種。一種是移動(dòng)(手持)設備，例如用于患者監控的產(chǎn)品，像測量脈搏、血壓及其他體征的產(chǎn)品，可以方便隨時(shí)攜帶，同時(shí)需要保證電池有充裕的續航時(shí)間，至少要保證大夫出診一天之內無(wú)需充電。另一種則不一定能夠隨身攜帶，但它們是低成本、簡(jiǎn)單的設備，一般用于設備較簡(jiǎn)單的醫院。這當然會(huì )帶來(lái)設計方面的挑戰，不只是設備體積上的，而且內部的電氣部分也需要有創(chuàng )新。

便攜式醫療監控設備的一整個(gè)系統有五個(gè)基本的部分：數據采集、數據傳輸、數據處理、人機接口、電源。ZTE-MEDiX系列關(guān)注監控系統的五部分組成，有針對性地采用新穎的技術(shù)，使醫療監控設備表現最佳性能。

電池及電源管理

顯示器與人機接口(HMI)

生物傳感器接口與總線(xiàn)

數據交換接口

中央處理單元及數據運算效率

適于便攜場(chǎng)合應用的可靠性設計

電池及電源管理

電源管理技術(shù)與低功耗并不應該完全等同。ARM產(chǎn)品本身功耗相對低，但是只有配合完善 的電源管理技術(shù)，產(chǎn)品的續航能力才能發(fā)揮到極致。限制功耗的同時(shí)，必需要均衡考慮系統處理數據要求。新的電源管理技術(shù)及電源拓撲結構實(shí)施幾個(gè)電源級別和待機模式，可幫助系統以低水平功耗實(shí)現高水平性能。

ZTE-MEDiX可管理系統待機、睡眠及喚醒轉換功能，可提高總體系統性能來(lái)創(chuàng )建兼顧兩方面性能的系統。如果CPU只在需要處理要時(shí)活動(dòng)，平均系統功耗將保持較低，僅在CPU喚醒狀態(tài)下才能達到峰值。通過(guò)實(shí)施多級電源管理，改善系統的易用性。

舉例1：ZTE-MEDi27型主板共有一個(gè)工作狀態(tài)和四級休眠狀態(tài)，主板功耗可以從全速運行的 1030mW逐級降到深度睡眠狀態(tài)的不足20mW。用戶(hù)在強有力的電源管理技術(shù)支持下，不僅可以獲得最長(cháng)的續航時(shí)間，還可以降低維護成本(減少檢修頻率， 延長(cháng)電池壽命)。

舉例2：ZTE-MEDi27型主板配合10寸液晶顯示器組成的個(gè)人監護系統，由兩節鋰離子電池供電(2000Ma@8V)。系統無(wú)人操作30秒后，進(jìn)入節電狀態(tài)，任意外部操作激活?？蛇B續使用12小時(shí)以上，無(wú)需充電。

顯示器與人機接口

不論是向病人告知體溫或心電圖 (ECG)結果或者其他體征信息，顯示器的顯示效果都是一項重要的性能特點(diǎn)。

醫療監控設備尤其多功能監控設備，如6通道，8通道設備，需要較大的顯示屏幕，才能清晰地顯示出病人的體征信息。大尺寸的屏幕需要消耗掉更大的電池能量，因此ZTE-MEDi27型嵌入式主板上專(zhuān)門(mén)加入了液晶節能電路，液晶可以適時(shí)進(jìn)入主動(dòng)節電模式。此外建議配合該主板選用高品質(zhì)低功耗的液晶，以達到更出色的顯示效果。

舉例：ZTE-MEDi27型嵌入式主板支持TFT液晶，最大分辨率800*600，也可以同時(shí)外接VGA設備。

隨著(zhù)便攜式超聲設備從單色向彩色發(fā)展，從2D圖像向3D、4D發(fā)展，超聲設備通道數會(huì )大大增加，這樣就需要高性能的波束合成架構，而且隨著(zhù)用戶(hù)對超聲設備圖像分 辨力和時(shí)間分辨力的需求提升，設備所需的運算量會(huì )大大增加，對中央處理單元的圖形處理能力提出了更高的要求。ZTE-MEDiX系列可以提供比傳統的DSP/FPGA圖形處理方案更強大的圖形處理能力，而且大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，患者有機會(huì )更早地享受到先進(jìn)技術(shù)帶來(lái)的福音。

觸摸屏(TouchPanel) 是簡(jiǎn)化便攜式電子設備使用的一個(gè)關(guān)鍵的因素，由于免除了傳統鍵盤(pán)，還可進(jìn)一步縮小設備體積。 觸摸屏結合軟件菜單的功能選擇，加強醫療產(chǎn)品的人機交互能力，配合友好的界面，病人或醫護人員使用更方便。 設計觸摸屏功能時(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。 如果電路不能消除靜電產(chǎn)生的能量，該能量可能對監控系統造成損壞。與觸摸屏相關(guān)其它的因素有分辨率、與屏幕尺寸、轉換類(lèi)型與速度、靈敏度，以及總體功耗等。

生物傳感器接口與總線(xiàn)

所有設計醫療監控設備的設計人員，都選擇廣泛應用的UART傳感器接口，選取CAN這樣的成熟總線(xiàn)技術(shù)。此外，本土醫療電子制造商往往只有較少的研發(fā)人員，這和外國醫療電子制造商動(dòng)輒上百人的開(kāi)發(fā)團隊相比沒(méi)有優(yōu)勢，所以本土開(kāi)發(fā)人員更應先瞄準能降低成本且能產(chǎn)生效益的設備開(kāi)發(fā)。ZTE-MEDiX系列為設計人員提供了多個(gè)UART接口(211個(gè)，不同型號有異)，基于ZTE-MEDiX的便攜式醫療監控設備可以同時(shí)支持多個(gè)生物傳感器?？偩€(xiàn)方面，ZTE-MEDiX系列提供12路CAN總線(xiàn)。此外還提供SPI、 I2C、I2S和GPIO作為生物傳感器接口。

舉例：脈搏血氧計設計方案中，通過(guò)GPIO和負責控制和協(xié)調其他電路模塊的正常工作，它將采集到的血氧信號經(jīng)過(guò)數據處理，發(fā)送到顯示屏。ZTE-MEDiX的處理能力、采樣率、采樣精度、功耗、實(shí)時(shí)性要求等指標完全達到系統的要求。并且可以提供擴展的RS232接口，與其它設備配合。

數據交換接口

醫療監控設備可產(chǎn)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，以及執行診斷算法是通常是系統控制器的重要功能。

醫療電子設備數據接口從有線(xiàn) RS232接口遷移到有線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)連接、及近距離及較長(cháng)距離的無(wú)線(xiàn)連接。 醫院可以利用這些新接口來(lái)連接醫院內和患者家里所有設備。當病人從醫院返回家中時(shí)，可通過(guò)身上無(wú)線(xiàn)傳感器遠程地與醫生聯(lián)系，該傳感器連接到家中安全系統的監控器上。整個(gè)系統連入以太網(wǎng)或醫療呼叫中，可在其家中隨時(shí)私密地接收監控。

這里也可采用無(wú)線(xiàn)接口，如藍牙、GPRS。 也可采用基因無(wú)線(xiàn)數創(chuàng )模塊的無(wú)線(xiàn)解決方案。除了功耗外，數據速率及距離也是選擇無(wú)線(xiàn)接口的兩個(gè)重要要素。 ZTE-MEDiX系列醫療用主板，整合有線(xiàn)的RS232數據口，USB接口和以太網(wǎng)接口，無(wú)限的GPRS和無(wú)線(xiàn)數傳接口;為便于數據傳輸，ZTE-MEDiX還整合了SD卡。

這種情況下，傳統醫療監控設備距離的局限完全被打破，而且數據速率得以最大化。 如果監控只用幾個(gè)傳感器，距離比數據速率更重要。 最后，選擇方案必須控制系統功耗。

中央處理單元及數據運算效率

醫療設備廠(chǎng)商選擇主板方案時(shí)會(huì )依據兩個(gè)原則：一是市場(chǎng)的主流方案;二是容易升級替換。 主流的方案和有實(shí)力的供應商在持續供應上比較有保障。同時(shí)盡可能在設計中采用標準化的，有延續性的產(chǎn)品線(xiàn)。這一原則為日后遇到停產(chǎn)等供應問(wèn)題時(shí)能快速找到替代方案。

ZTE-MEDiX系列產(chǎn)品采用基于A(yíng)RM的CPU。英國ARM公司是嵌入式RISC處理器的IP(知識產(chǎn)權)供應商，它為ARM架構處理器提供ARM處理器內核(如ARM7T、ARM9T及 ARM10等)。由各半導體公司在上述處理器內核基礎上進(jìn)行再設計，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種MCU。目前基于A(yíng)RM內核的芯片在嵌入式 處理器市場(chǎng)上占據75%的份額。ARM作為嵌入式系統的處理器，具有低電壓，低功耗和高集成度等特點(diǎn)，并具有開(kāi)放性和可擴充性。事實(shí)上，ARM內核已成為嵌入式系統首選的處理器內核。

ZTE-MEDiX系列目前采用的CPU主頻包括200MHz、400MHz、520MHz三種，滿(mǎn)足多種便攜醫療監控的應用。

適于便攜場(chǎng)合應用的可靠性設計

便攜醫療設備涵蓋的應用范圍愈來(lái)愈廣，產(chǎn)品的可靠性設計必須綜合考慮可能的多方面需求。醫療影像設備未來(lái)需要高質(zhì)量的圖像，同時(shí)，要每秒幀數也在提升，所以要選取高性能器件。 超聲設備未來(lái)的發(fā)展趨勢是低功耗、高性能和小型化，所以要考慮器件的集成度。 在ECG(心電)設計中，要注意板級電磁兼容，CMRR(共模抑制比)是重要的指標，它可以提升監護準確度，又可以保護患者。低抖動(dòng)時(shí)鐘信號在高速信號處理中非常重要，它可以有效優(yōu)化SNR(信噪比)。為保證設備就能和其他醫療設備兼容，一定要進(jìn)行嚴格的安全測試。

結論

未來(lái)會(huì )有更多創(chuàng )新的醫療設備出現，各類(lèi)大型診療設備均有希望轉向便攜和小型化，只要站在機器前，就可以在LCD 顯示器前看醫生。虛擬的醫生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生或者了解自己的健康狀況。就在今天，便攜式醫療設備及監控系統可提供隨時(shí)隨地的醫療支持。

醫療電子設備的壽命周期長(cháng)于消費電子產(chǎn)品，小型的家用醫療電子設備的壽命一般為3-5年。雖然壽命周期較長(cháng)，但在精度與易用性方面，醫療電子產(chǎn)品比消費電子產(chǎn)品更需要重視設計。

為了幫助醫療設備廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)這些創(chuàng )新的產(chǎn)品，ZTE-MEDiX系列不斷創(chuàng )新，不斷提高性能，整合嵌入式的各項前沿技術(shù)，簡(jiǎn)化二次開(kāi)發(fā)流程。為了獲得更大的成功，ZTE-MEDiX系列積極貼近便攜式醫療產(chǎn)品的特性和需求，了解各種便攜設備體積與功耗預算的局限。它可幫助醫療設備廠(chǎng)商縮短研發(fā)周期，壓縮設計成本，幫助病人更早地享受新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化成果，更主動(dòng)地掌握自己的健康，享受美妙的人生。

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