nRF24AP2在醫療、健康、運動(dòng)中的運用

家用醫療電子設備的差異化設計

全球人口的老齡化和醫療成本的飚升推動(dòng)了對家用醫療保健解決方案的巨大市場(chǎng)需求。隨著(zhù)更小、更便宜的便攜式家用護理技術(shù)替代大型昂貴的設備，市場(chǎng)上的醫療保健產(chǎn)品數量不斷增加，而半導體技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了家用醫療保健的普及和成本的降低。
這個(gè)數字非常驚人。據世界衛生組織(WHO)統計，2006年全球50歲以上的人口數量是6.5億，并且預計到2025年這個(gè)數字將達到12億。僅在美國，65歲以上的老人在人口中的比例就在不斷上升，并且有望在未來(lái)持續上升。
醫療保健市場(chǎng)非常大。據美國政府透露，美國在醫療保健領(lǐng)域支出了2.5萬(wàn)億美元，占整個(gè)國家GDP的18%。ABI Research公司預測，到2014年將有5,900萬(wàn)臺可佩戴的家用醫療保健設備投入使用，屆時(shí)可佩戴設備的總數將達到4.2億臺，其中包括體育和健身用設備。
Freedonia Group公司認為目前家用醫療保健設備的市值已遠遠超過(guò)70億美元，其中涉及的技術(shù)包括呼吸治療、靜脈(IV)注射、透析、病人監護、輪椅、輔助步行、醫療設備和安全設備。
今天的醫療設備能給病人提供更低成本和更加安全的監護方式，在某些情況下甚至可以在自己家里處理他們的健康狀況，減少了去醫院、診所或醫生辦公室的需要。醫療保健正變得越來(lái)越分散化。
便攜式家用醫療保健設備包括血糖儀、血壓計、心率監視器、數字體溫計、脈搏血氧飽和儀、用于治療哮喘和其它呼吸疾病的哮喘儀、用于老人和殘疾人的跌落與運動(dòng)檢測設備以及用于體重監視和管理的數字秤，還有用于治療睡眠呼吸暫停的設備。許多家用健身設備也通過(guò)升級增加了保健測量和管理功能。
用于醫療設備的半導體技術(shù)
在互聯(lián)網(wǎng)連接的推動(dòng)下，半導體IC性能和集成度得到了極大提升，進(jìn)而推動(dòng)著(zhù)家用醫療保健設備的創(chuàng )新。有趣的是，這些半導體IC的發(fā)展拯救了上千條生命，并使許多人的壽命更長(cháng)，這進(jìn)一步提高了對保健醫療的要求，并增加了對更多醫療創(chuàng )新的需求。
設計師可以充分發(fā)揮傳感器、微控制器單元(MCU)、微處理器、DSP、模擬前端、存儲器、電源IC和發(fā)送器與接收器的功能。FPGA也能實(shí)現許多功能。這些解決方案都能達到很高的功能集成度。
許多IC功能正在推動(dòng)家用保健醫療趨勢，特別是處理器和先進(jìn)的傳感器。例如，DSP具有高運算能力，可用來(lái)實(shí)現新一代監護產(chǎn)品。
先進(jìn)的加速度計，比如ADI公司的ADXL345 iMEMS三軸數字加速度計，被廣泛用于上百萬(wàn)臺游戲機、導航設備、蜂窩電話(huà)、汽車(chē)應用和其它消費產(chǎn)品。這些加速度計可確保家用數字血壓計的精度。它們可以檢測并確保測量時(shí)手臂相對于病人心臟的正確位置，從而實(shí)現最大的測量精度。
脈搏血氧儀是最近加入家用醫療保健監護陣營(yíng)的設備之一，而血氧飽和度是繼血壓、心率、呼吸率和體溫之后的第5個(gè)重要體癥。血氧儀可以用來(lái)測量血色素攜帶的氧氣含量。血色素是紅細胞的重要部分，用來(lái)將氧氣從肺部輸出到人體各處組織。
脈搏血氧儀(圖1)可以采用許多傳統的IC來(lái)設計，安森美公司表示。安森美在三年前收購了高級定制IC領(lǐng)先制造商AMI半導體公司。一些半導體IC制造商可以提供家用保健醫療應用所需的完整信號鏈功能。

圖1：脈搏血氧儀可以采用傳統的IC來(lái)設計，安森美為脈搏血氧儀方案提供棕色框圖中的IC。
“我們開(kāi)發(fā)的AD5933阻抗分析芯片可以用來(lái)測量諸如人體脂肪和血液凝固度等參數，輸出可以鏈接到與醫生通信的家用保健終端。”ADI公司醫療保健部全球策略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Paul Errico介紹，“這只是我們能夠提供的便攜式家用醫療保健產(chǎn)品中完整信號鏈(圖2)所需的IC之一。”

圖2：便攜式家用醫療保健產(chǎn)品中信號鏈的主要功能塊。
“我們正在開(kāi)發(fā)能夠滿(mǎn)足當前和未來(lái)家用醫療保健應用需求的解決方案，這不僅包括信號鏈中的數據測量部分，還包括家用病人及其醫療服務(wù)提供者之間的連接部分。”
設計挑戰
家用醫療保健設備市場(chǎng)給設計工程師提出了許多艱巨的挑戰，包括低功耗進(jìn)而更長(cháng)的電池壽命、魯棒和強大的數據處理能力、更加友好和簡(jiǎn)單的用戶(hù)操作、無(wú)線(xiàn)連接以及更低的最終用戶(hù)成本。半導體IC制造商也越來(lái)越多地面臨這些挑戰。
Microchip科技公司在其PIC微控制器中采用了nanoWatt XLP超低功耗技術(shù)(圖5)，這種控制器可用于血糖儀等家用醫療保健設備。Microchip公司的PIC16、18和24F微控制器在電源關(guān)斷模式僅消耗100nA電流，并集成了800nA的看門(mén)狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷電路。

圖5：家用血糖儀電路需要超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。
一些公司使用專(zhuān)門(mén)針對低功耗優(yōu)化了的閃存微控制器單元實(shí)現手持式家用醫療保健設備，如血糖監視儀。NEC電子公司的16位全閃存MCU基于公司的78kOR CPU內核，工作電壓從3.3V至5V。這種MCU集成了LCD驅動(dòng)器、12位模數和數模轉換器(ADC和DAC)、運放和電壓基準。在待機模式下，該MCU的消耗電流僅1.2μA。
“我們從20世紀90年代初就開(kāi)始從事血糖儀業(yè)務(wù)，因此非常理解這種醫療設備的低功耗要求。”NEC公司首席技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)工程師Michael Clodfelter表示，“一些MCU制造商宣傳的nA級低功耗待機模式指標殺傷力過(guò)大。事實(shí)上，待機模式下約1μA就能保證血糖儀有足夠長(cháng)的電池壽命。
Clodfelter還發(fā)現一個(gè)趨勢，即在便攜式醫療家用設備中使用32位MCU來(lái)提供更高的精度。事實(shí)上，NEC提供32位全閃存 V850ES(圖6)，在用于血糖儀時(shí)功耗僅90mW/Dhrystone。當時(shí)鐘頻率在5MHz至20MHz時(shí)，這種微控制器的管線(xiàn)式架構執行速度高達43個(gè)Dhhrystone MIPS(1.1)。

圖6：NEC提供32位全閃存 V850ES
呼吸監視
用于呼吸監視的便攜式測試儀是最近進(jìn)入家用的醫療保健產(chǎn)品之一。一些較著(zhù)名的呼吸疾病包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘和睡眠呼吸暫停。全球超過(guò)3億人患有哮喘。
KarmelSonix公司針對哮喘病人推出了哮喘儀。這種個(gè)人哮喘評估設備采用ADI公司的400MHz BF524 Blackfin DSP，是一種手持設備，放置在病人的喉嚨口。先由壓電傳感器從病人的呼吸中捕獲空氣流動(dòng)的不規則數據，并饋送到DSP。然后由處理器判斷病人的呼吸速率，這個(gè)速率定義為喘息占用的呼吸周期持續時(shí)間。KarmelSonix公司表示，喘息速率是哮喘病人的一種動(dòng)態(tài)和重要的哮喘發(fā)作測量參數。
KarmelSonix公司獲得專(zhuān)利的軟件算法應用了嚴格的標準來(lái)判斷喘息的出現。該公司透露，這些標準是由計算機處理的呼吸聲音分析(CORSA)提供的指南而確定的。
“哮喘儀還可以給家用以外的場(chǎng)合帶來(lái)方便。這種便攜式設備可以放在個(gè)人的背包里，哮喘儀的輸出數據可以通過(guò)筆記本電腦上的USB端口從任何地方下載到醫生或醫療提供商那里。”ADI公司策略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Tony Zarola表示，“我們有望在EKG無(wú)線(xiàn)監視設備中通過(guò)USB端口使用Blackfin DSP。”
為了推進(jìn)便攜式家用醫療保健設備的開(kāi)發(fā)，TI公司提供基于TMS320VC5505 DSP的開(kāi)發(fā)套件。據TI公司稱(chēng)，這些套件可以將產(chǎn)品上市時(shí)間加快至8個(gè)月。每個(gè)套件包含硬件和軟件設計工具，包括原理圖、樣例代碼、醫療特殊算法和其它間接性支持。
皇家菲利浦電子(Royal Philips Electronics)公司為家用醫療保健領(lǐng)域提供智能的睡眠呼吸暫停治療系統。這種Reprionics睡眠治療系統大約時(shí)鐘收音機大小(7x5.5x4英寸)，可以為中度至重度睡眠呼吸暫停癥病人提供治療方案。這個(gè)系統利用菲利浦開(kāi)發(fā)的正向氣道壓力原理設計，通過(guò)一個(gè)面罩提供柔和的壓縮空氣流，以保持病人的氣道暢通。
“這是目前為止我們提供的睡眠呼吸暫停治療方面最復雜的產(chǎn)品，它的面世正當病人配合問(wèn)題最突出的時(shí)候。”菲利浦公司家用醫療保健解決方案首席執行官Donald Spence表示。
菲利浦公司還提供Trilogy 100便攜式家用生命支撐通風(fēng)設備，可供成人和兒童使用。這種設計可以幫助護士和臨床醫生在家中和條件好的護理中心照看病人。
此外，菲利浦公司還在推廣家用醫療保健平臺顯示器終端，這種設備可以方便地通過(guò)病人家里的電視機或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現遠程病人管理。這正是公司的Motiva交互平臺提供的功能。除了監視重要的體癥外，這種設備還能提供教育信息和動(dòng)機消息，并能用于與健康有關(guān)的測量。
Intel公司最近宣布正在測試Health Guide，一種用于醫療信息監視和通信的PC機。這種PC機可以監視患有慢性病的老年病人的重要體癥，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向遠程的醫療提供者提供詳情。
Intel和GE都是康體佳健康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)的重量級成員，最近兩家公司聯(lián)合起來(lái)攻克針對家用和輔助生命裝置的醫療保健課題?？刁w佳健康聯(lián)盟成立于2006年，旨在解決導致醫療保健成本急速上升的生活方式、健康和人口發(fā)展趨勢問(wèn)題。
康體佳健康聯(lián)盟由領(lǐng)先的醫療保健提供商、保險公司、醫院、制藥公司、半導體IC公司以及運動(dòng)用品和醫療設備制造商組成。該組織致力于無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)通信協(xié)議的標準化，并幫助許多IC和醫療設備提供商積極參與便攜式家用醫療保健監護設備市場(chǎng)。
互操作性
互操作性是家用醫療保健設備的重要目標。醫療設備和IC機構認識到，要想繁榮家用醫療保健設備市場(chǎng)，這些設備必須具有較高成本效益和安全性，并能相互間或與其它病人信息資源實(shí)現快速通信。
康體佳健康聯(lián)盟最近選擇了2.4GHz低功耗藍牙和ANT醫療保健協(xié)議作為其互操作性設計指南的第二版本。由于低功耗藍牙在手機中的流行，低功耗藍牙可能成為家用醫療保健設備的標準配置。另一方面，如Dynastream Innovations公司分公司ANT Wireless的ANT。ANT是一種超低功耗無(wú)線(xiàn)2.4GHz協(xié)議，主要用于醫療保健和健身監護應用。ANT Wireless公司表示，采用ANT協(xié)議的節點(diǎn)可以用鈕扣電池持續工作幾年時(shí)間，相比之下其它電池可持續數月。ANT是專(zhuān)門(mén)針對可靠靈活的數據通信設計的，可有效抵抗串擾。
對設計師工程師和醫療設計OEM商來(lái)說(shuō)，無(wú)干擾的醫療監護是一個(gè)重要課題。醫療監護器和收發(fā)器設計必須發(fā)射低能量水平的信號，不能干擾周邊的其它信號。無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)傳輸必須滿(mǎn)足美國國家食品藥品監督管理局(FDA)嚴格的安全和可靠性要求。另外，發(fā)送的數據必須滿(mǎn)足病人和醫療提供商提出的嚴格隱私要求。
Nordic半導體公司在其nRF24AP2 無(wú)線(xiàn)收發(fā)器中使用的就是ANT協(xié)議。最近該公司開(kāi)始提供nRF8001 超低功耗藍牙4.0 BLE芯片(圖7)樣品。

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ABI Research公司預計，到2014年交付的低功耗藍牙芯片組將超過(guò)25億個(gè)，而這個(gè)市場(chǎng)的年復合增長(cháng)率(CAGR)將達78%。這種芯片組的發(fā)展將反映低功耗藍牙的兩種不同實(shí)現，即雙模和單模，其中首先實(shí)現的將是單模芯片。
人體可穿戴網(wǎng)絡(luò )
像康體佳健康聯(lián)盟做的這些工作積極促進(jìn)了人體佩戴無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，這些網(wǎng)絡(luò )也被稱(chēng)為人體局域網(wǎng)(BAN)和個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)。這些網(wǎng)絡(luò )使用低價(jià)、很低功耗、可互操作和無(wú)干擾的無(wú)線(xiàn)傳感器連接到像手表之類(lèi)的實(shí)時(shí)顯示器，然后再連到家中的計算機。醫療信息最終將從這些計算機通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)甚至無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給醫療設備提供者。
“無(wú)線(xiàn)監護將允許醫療保健專(zhuān)家對老年人保持高度的警惕，同時(shí)又能讓這些老年人盡可能長(cháng)時(shí)間地呆在家里。這種方法可以極大地降低成本，并使病人感到更加愉悅。”Nordic半導體公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Alf Helge Omre表示。
在比利時(shí)Lueven的IMEC Holsts中心，科學(xué)家們正在開(kāi)發(fā)一種喚醒監護用的BAN，通過(guò)測量四種人體生理參數來(lái)評估人的情緒狀態(tài)。這種BAN的開(kāi)發(fā)是該中心Human++計劃的一部分，它用到了許多傳感器，而這些傳感器全都系在綁于全身的繃帶上。
檢測到的人體數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送到作為基站的PC，供醫療和游戲領(lǐng)域的醫生或其他人作進(jìn)一步分析。IMEC的科學(xué)家相信，這種方案可以給娛樂(lè )和醫療領(lǐng)域中的各種應用帶來(lái)很高的價(jià)值。
嵌入衣服和被褥等日常用品并用于監視和提醒心臟病人癥狀的各種軟硬件是歐盟1,400萬(wàn)歐元HeartCycle項目的一部分。雖然這種由聯(lián)網(wǎng)的傳感器和監視器組成的系統不會(huì )代替病人與醫生之間面對面的交流，但它確實(shí)可以減少對這種面對面交流的需求。上述系統可以檢測和遠程監視心臟運動(dòng)的微小變化，并使這些變化變得更嚴重之前及時(shí)地得到處理。