便攜式醫療監控系統設計難點(diǎn)分析

當今的政府與醫療機構正努力完善其醫療體系，以更好地為病人服務(wù)。為了讓病人有更多時(shí)間在家中養病，不必到醫院或醫生辦公室來(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。這些設備包括從血糖儀到便攜式心電圖(ECG)系統。

便攜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(lái)越高，同時(shí)還要保持所采集數據的質(zhì)量與響應性。“便攜式”一詞表示設備裝有輪子，可在門(mén)中通過(guò)。但如今，這個(gè)定義有所改變。如今許多醫療設備為完全可移動(dòng)的，甚至是可以是“可穿戴的”。這當然會(huì )帶來(lái)設計方面的挑戰，不只是設備體積上的，而且也包括內部的電子器件。

如果把便攜式醫療監控設備解剖開(kāi)來(lái)，可發(fā)現其中有五個(gè)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

◆數據接口

◆系統微控制器或數字信號處理器 (DSP)

圖1，便攜式醫療監控系統

圖2，便攜式醫療電子產(chǎn)品的主要功能模塊

顯然，不同系統間每個(gè)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)結果，顯示器的顯示效果都是一項重要的性能特點(diǎn)，其效果在某種程度上取決于適當的背光解決方案。不管是感應式還是簡(jiǎn)單的電荷泵拓撲結構，由于便攜式系統由電池供電，有較寬輸入電壓距離的背光解決方案可降低對額外調節系統中的需求。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(lái)工作，具有較大的設計靈活性。當然，設備的尺寸和總功率效率是關(guān)鍵的問(wèn)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)濟的方法。

觸摸屏控制(TSC) 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。TSC利用菜單驅動(dòng)的功能選擇，對輸入及輸出數據顯示進(jìn)行精細調節，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(guò)中央微控制器/DSP并造成其損壞。實(shí)施TSC要考慮的其它的因素有分辨率、屏幕尺寸、轉換類(lèi)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(shí)施適當的信號鏈都是最重要的問(wèn)題。信號鏈的第一階是儀用放大器(圖 2)，如有較低輸入失調電壓、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。多數實(shí)施是在毫伏級噪聲內嘗試尋找一個(gè)微伏級的信號。由于目標信號有交流特性，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)計算功能可進(jìn)一步簡(jiǎn)化系統補償要求。

典型地說(shuō)，第二階是一個(gè)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(lèi)的特性可在整個(gè)輸入共模距離產(chǎn)生線(xiàn)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(lái)校正偏移。

信號鏈下一階是良好的delta-sigma或逐次逼近模數轉換器(ADC)。單周期濾波器設置及隨需轉換等特性簡(jiǎn)化了ADC的設計要求，也提高了轉換速度，并提供了較大的源阻抗。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，允許在相同的時(shí)鐘周期內對多點(diǎn)信號資源進(jìn)行比較。

利用適當的布局及元件選擇，可將一個(gè)干凈、精確而有意義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(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，以及執行診斷算法通常是系統控制器的重要功能。

必需要均衡考慮系統處理要求與功耗限制。雖然是針對 DSP級的數據處理所設計，但只允許低功耗微處理器的功率分配，如MSP430，會(huì )造成設計的沖突。然而，利用新的DSP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，可幫助系統以經(jīng)濟車(chē)級的油耗實(shí)現跑車(chē)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(lèi)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(lái)創(chuàng )建具有兩方面性能的系統。如果DSP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DSP喚醒狀態(tài)下才能達到峰值。通過(guò)實(shí)施super-caps 或其它能量存貯器件可支持DSP功率突增，可將電壓切斷現象降到最低，并改善高系統運行環(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(shí)時(shí)處理的復雜應用可利用MSP430FG461x一類(lèi)的器件來(lái)實(shí)現。

電池及功率管理

簡(jiǎn)單的系統可使用一次性電池，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，允許系統不依賴(lài)電池充電路徑地消耗功率。這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(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)單的電壓測量或庫侖計數能力是另一重要特性。由于電池電壓并不呈線(xiàn)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(shí)間。 庫侖計數并不能補償電池老化問(wèn)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)。阻抗跟蹤允許系統以1% 的誤差計算電池所剩的壽命，使系統可利用電池中所有可用的能量，從而實(shí)現較長(cháng)的工作壽命。

正如系統運行對醫療電子設備非常重要一樣，另一關(guān)鍵的特性是電池驗正。這是一種利用加密的設備ID驗正系統中電池能否滿(mǎn)足原始設備制造商要求的方式。使用不合適的電池組會(huì )影響系統的運行壽命，也能損壞系統，甚至引發(fā)起火。

一般來(lái)說(shuō)，在設計周期的前端進(jìn)行功耗決策，有助于確定系統級的取舍，以滿(mǎn)足目標設備的便攜性及運行壽命需求。

數據接口

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。也可采用Texas Instruments的Chipcon系列Zigbee 及其它低功耗的無(wú)線(xiàn)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，數據速率及距離也是選擇無(wú)線(xiàn)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，具有較高的數據速率及占空比。但低頻可增大信號傳播距離。

利用多通道的整個(gè)身體監控系統，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。最后一點(diǎn)，選擇方案必須控制在總體系統功耗預算之內。

結論

未來(lái)會(huì )有更多創(chuàng )新的醫療設備出現，如家庭身體掃描器，只要站在機器前，就可以在LCD顯示器前看醫生。虛擬的醫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生。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。為了幫助醫療設備廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)這些創(chuàng )新的產(chǎn)品，我們既在電子設備的外部需要適當的基礎設施，在其內部也需要合適的半導體元件。

為了獲得更大的成功，半導體供應商要考慮便攜式醫療產(chǎn)品的特性和需求，為每種產(chǎn)品定義性能規范，并了解其體積與功耗預算的局限。最后，它可幫助醫療設備廠(chǎng)商減少返工，從最開(kāi)始就優(yōu)化整體的設計。

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