家用醫療電子設備設計指南

美國食品與藥物管理局(FDA)指出：在醫療設備產(chǎn)業(yè)中，家庭衛生保健是發(fā)展最快的領(lǐng)域。受到人類(lèi)平均壽命延長(cháng)，慢性病患者越來(lái)越多以及保健成本越來(lái)越高等原因的推動(dòng)，越來(lái)越多更“智能”、“友好”的醫療設備正在進(jìn)入家庭消費市場(chǎng)。

　　這些醫療保健產(chǎn)品包括：血糖儀、數字血壓計、血氣分析儀、數字脈搏和心率監視器、數字溫度計、懷孕測試儀、透皮給藥系統、透析系統和氧濃縮器等。其中許多儀器可以用無(wú)線(xiàn)方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到醫護人員的辦公室，實(shí)現對重癥病人的持續在線(xiàn)監視和診斷。

　　由于醫療電子產(chǎn)品使用的技術(shù)越來(lái)越復雜，為了確保包括醫護人員、病患本人以及最重要的家庭用戶(hù)在內的每個(gè)人都能安全有效地使用這些產(chǎn)品，對這些產(chǎn)品的設計要求越來(lái)越高，并且其中許多要求可能存在沖突。對于設計師來(lái)說(shuō)，所有這一切則意味著(zhù)要在給定空間的芯片或電路板上實(shí)現更多的功能，同時(shí)盡可能低地降低功率。

　　“在選擇用于家庭保健電子產(chǎn)品的IC時(shí)，設計師面臨的最大的問(wèn)題是如何合理地平衡各方面問(wèn)題，如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、長(cháng)壽命和高安全性等。”Microchip公司醫療電子產(chǎn)品部高級經(jīng)理Steve Kennelly解釋說(shuō)，“需要多大的處理能力取決于醫療電子設備的使用者是誰(shuí)。”

　　許多醫療電子設備的生產(chǎn)量都不是很大，因此很難通過(guò)自動(dòng)化制造工藝取得較低的市場(chǎng)成本。當然一個(gè)積極的信號是這些產(chǎn)品中的單個(gè)電子器件(傳感器、MCU、顯示器、存儲器等)的價(jià)格在不斷下滑。

　　醫療電子設備面臨的另外一個(gè)障礙是如何實(shí)現遠高于非醫療電子設備所要求的密封性，而全面微型化使得密封性更難實(shí)現。

　　了解家用醫療電子設備的要求

　　對醫生等專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)操作醫療電子設備是得心應手的事，因為他們培訓過(guò)這些儀器的使用。而對家庭病人來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單極其重要。幸運的是，最新的高集成度芯片、復雜的DSP和微控制器、高密度閃存和先進(jìn)的微機電系統(MEMS)傳感器都有助于實(shí)現這個(gè)目標。

　　“我們歡迎這些看起來(lái)似乎矛盾的要求，因為它們給我們提供了創(chuàng )新的機會(huì )。”AMI半導體公司醫療業(yè)務(wù)部副總裁Todd Schneider表示，該公司的醫療電子設計很多都使用了專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)和專(zhuān)用集成電路(ASIC)，“我們進(jìn)入醫療電子行業(yè)已經(jīng)20多年了，因此非常理解這些設備所面臨的技術(shù)挑戰。”

　　取決于具體的實(shí)際應用，每種保健醫療電子產(chǎn)品的性能優(yōu)先級設置會(huì )有所不同。例如，對于便攜式血糖計(經(jīng)常使用一次性化學(xué)試驗帶)等產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，低成本是優(yōu)先等級最高的參數。而便攜式家用透析系統必須將可靠性和長(cháng)壽命作為設計中最優(yōu)先考慮的要求，成本則在其次。像起搏器等可植入設備必須具有高可靠性、小體積和長(cháng)壽命，并且功耗要盡可能小，成本在這種情況下不是主要的考慮因素。

　　尺寸非常重要

　　由于人們對醫療電子產(chǎn)品提出了眾多的性能要求，工程師不得不面對各種設計權衡。這意味著(zhù)他們在決定使用何種類(lèi)型的傳感器、模數轉換器、放大和濾波、控制和數據處理、電源、顯示器以及無(wú)線(xiàn)收發(fā)器電路時(shí)需要仔細權衡。

　　尺寸通常是主要的設計約束條件，特別是對醫療植入電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最小的組織切入是絕對必須的。這種植入產(chǎn)品一般包含一個(gè)傳感器、一些信號處理電路或者一個(gè)發(fā)射器，所有這些器件需要裝入微型導管或探針內然后插入人體組織。小尺寸也使醫生或醫護人員更容易將植入產(chǎn)品放進(jìn)人的身體。

　　例如，一些包含了傳感器、攝像機和射頻發(fā)射器的智能藥丸可以用來(lái)清晰和非侵入式地觀(guān)察身體內部器官。DexCon公司的可植入式血糖監視器就采用了AMI半導體公司提供的超低功率ASIC系統級芯片，它通過(guò)402-405MHz頻率范圍內的射頻傳輸功能連續監視糖尿病患者病情。

　　一次性血糖儀也將越來(lái)越小，目前的典型尺寸與手持式個(gè)人數字助理(PDA)一樣大。有些血糖儀甚至只有小型腕表那么大，但內部還是包含了傳感器、微控制器、液晶顯示器(LCD)和電池。這些儀器通常使用光學(xué)或電氣化學(xué)傳感器測量血糖值。病人只需刺破手指往一次性測試帶上滴一滴血，血糖儀就能讀出血糖值。機器和測試帶的一次性使用也必須得采用低成本設計。

　　無(wú)線(xiàn)心電圖(ECG)Holter監視儀是一個(gè)很好的微型化例子。使用ADI公司現有IC設計的這個(gè)監視器非常小，可以安裝在ECG電極的背部。由于具有較低的噪聲和大幅降低的干擾信號，這種監視儀可以比傳統設計提供更精確的信號。

　　降低功耗

　　更低功耗是醫療產(chǎn)品夢(mèng)寐以求的目標，特別是電池供電和便攜式家用設備。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，功率降低意味著(zhù)更長(cháng)的電池壽命。它還能讓設計師靈活地使用更小的電池，充分發(fā)揮具有功率管理性能的最新MCU芯片的優(yōu)勢。

　　不過(guò)，低功耗并不總是與更小的電池尺寸聯(lián)系在一起。當運算能力要求很大時(shí)，就像耳蝸可植入聽(tīng)力設備那樣，電池可能比電路的體積還要大。耳蝸可植入設備必須工作在動(dòng)態(tài)模式，靜態(tài)的‘睡眠’模式很難使用。這些植入產(chǎn)品的供電一般來(lái)自配戴在耳朵外部的感應式電源，這些產(chǎn)品必須使用快速時(shí)鐘速率并以寬動(dòng)態(tài)范圍連續工作，因此要消耗大量的功率。

　　影響功耗的另外一個(gè)問(wèn)題是IC的制造工藝。采用0.13μm工藝制造的IC具有比采用更寬線(xiàn)徑制造的前代IC更大的漏電流和靜態(tài)功耗。“我們在制造過(guò)程中通過(guò)優(yōu)化IC晶圓的化學(xué)成份來(lái)降低功耗。”AMI半導體公司的Todd Schneider表示。

　　降低IC的工作電壓以及仔細管理電容效應對減少漏電流大有幫助。這正是醫療電子系統制造商采用(三維封裝中)芯片堆疊方式取代在有限大小的平面上擠壓每個(gè)器件占板面積的原因。

　　幸運的是，有些特定的技術(shù)有助于管理功耗。例如，降低時(shí)鐘速率和縮短動(dòng)態(tài)模式下的工作時(shí)間都可以用來(lái)降低功耗。“關(guān)鍵是快速上電。”Schneider指出。喚醒芯片使其快速進(jìn)入動(dòng)態(tài)模式、并盡可能長(cháng)地讓它處于睡眠模式可以確保較低的功耗。

　　深入理解具體應用對IC功能的需求有很高的價(jià)值，它可以幫助設計師用門(mén)電路以硬件方式實(shí)現所有必要的功能。雖然這種方法不是非常靈活，但它確實(shí)可以明顯減少芯片上任何不需要的功能，從而有效降低功耗。

　　Microchip科技公司的dsPIC33F系列微控制器提供三種工作模式供設計師選擇，每種模式有多種選項：空閑、睡眠和淺睡。因此設計師能夠更靈活地調整功耗來(lái)適應具體的應用(圖1)。

　　TI公司最近推出了一款帶有完整信號鏈的超低功率MCU，可用于各種便攜式醫療診斷設備，如個(gè)人血壓監視器、肺活量計、脈搏血氧計和心率監視儀等(圖2)。這款型號為MSP430FG4270的16位精簡(jiǎn)指令集處理器(RISC)SoC集成了全面的功能鏈，可以幫助設計師開(kāi)發(fā)出低成本的便攜式醫療設備。

圖2：TI開(kāi)發(fā)的這款高集成度MSP430FG4270 16位RISC MCU中集成了低功率、低成本便攜式醫療產(chǎn)品(如血糖儀)所需的主要功能模塊。

　　共有5種低功率模式可用來(lái)延長(cháng)電池壽命。在待機模式，耗電只有1.1μA，工作電壓為1.8到3.6V。在1MHz和2.2V時(shí)該器件耗電特別低，只有約250μA。在1萬(wàn)片訂量時(shí)的單價(jià)為3.78美元，是業(yè)界同類(lèi)芯片中最低的，據TI公司透露。

　　NEC微電子公司也推出了廉價(jià)的8位MCU，如78k0/Lx3系列，其中許多功能是專(zhuān)門(mén)為便攜式保健電子應用設計的。這個(gè)全閃存器件集成了片上LCD控制器/驅動(dòng)器，消耗很少的功率，在待機模式下只消耗2.3μA的電流。

　　業(yè)界在為超低功率的聽(tīng)力應用(如助聽(tīng)器)開(kāi)發(fā)非常高質(zhì)量的聲音方面也有顯著(zhù)進(jìn)步。AMI半導體公司的Ezairo 5910 ASSP集成了一個(gè)被稱(chēng)為聽(tīng)力增強器的柔性濾波引擎，能以極低的功率提供非常高質(zhì)量的聲音。這個(gè)聽(tīng)力增強器耗電小于1mA，可以提供高質(zhì)量聲音所需的完全24位處理和長(cháng)電池壽命。

　　DSP進(jìn)入家用醫療電子產(chǎn)品

　　DSP在醫療電子產(chǎn)品中的應用也越來(lái)越廣泛，它有助于處理復雜的運算和降低功耗。它們在便攜式醫用超聲波成像設備中有很大的作用，可以用來(lái)實(shí)現比以前的二維產(chǎn)品更精確和更清晰的三維成像質(zhì)量。

　　在A(yíng)TM半導體公司設計的一款獲得大獎的亞波段電子聽(tīng)診器的核心部分中就裝備有一款超低功率的DSP，該設備應用了采用過(guò)采樣濾波組的信號處理技術(shù)。這款DSP提供21dB的放大性能，與衰減聲音信號的傳統聽(tīng)診器相比性能有了極大的提高。該器件工作在1.8V電壓，只消耗4.1mW功率。整個(gè)電子聽(tīng)診器的功耗為47mW，其中大部分功耗(43mW)是LCD讀取設備消耗的。

　　Cochlear有限公司是一家耳蝸植入產(chǎn)品制造商，最近與AMI半導體公司一起為植入產(chǎn)品合作設計和制造了下一代基于DSP的SoC。這個(gè)基于DSP的設計在更小的封裝內提供更強的運算能力。它們同樣能提供較低功率(更長(cháng)電池壽命)和較高質(zhì)量的聲音，這是利用傳統的非DSP方法很難實(shí)現的。

　　不管是DSP、MCU、顯示器、傳感器還是其它功能，為醫療應用選擇IC必須進(jìn)行仔細權衡。比如緊湊型閃存(CF存儲器)，它廣泛存在于諸如上面提到的Holter監視儀之類(lèi)的醫療設備當中用于記錄心臟ECG數據。這類(lèi)存儲器在消費類(lèi)電子設備中非常普及。但White Electronic Designs公司的策略開(kāi)發(fā)總監Mark Downey指出，并不是所有的CF存儲器都是一樣的。

　　“我們是第一家專(zhuān)門(mén)為了滿(mǎn)足醫療設備的嚴格要求和先進(jìn)性能而設計這種CF存儲卡的公司。”Downey表示。他同時(shí)指出，為消費類(lèi)應用設計的低成本CF存儲器不能滿(mǎn)足醫療設備所要求的性能、損耗均衡、糾錯和數據保護標準。