Customer-Specific Circuits Open the Door to New Fitness and Wellness Systems

摘要

　　醫學(xué)診斷與患者監控曾經(jīng)只是醫院與自行開(kāi)業(yè)醫師之業(yè)務(wù). 不過(guò), 創(chuàng )新的集成電路設計,特殊應用的客制化半導體制程, 以及先進(jìn)的制程科技已經(jīng)讓了許多醫療設備進(jìn)入了在家進(jìn)行醫療診斷的領(lǐng)域. 這些程序降低了醫院成本, 也為遠程監控病人開(kāi)啟了新方向.

　　電子零件之共享為主要降低成本之幕后功臣, 人們過(guò)去必須求助于個(gè)別獨立的標準產(chǎn)品,近日,儀器設備可以導入ASIC 或是system-on-a-chip(SoC)的解決方案. 成功的ASIC 發(fā)展為新的健康產(chǎn)品之關(guān)鍵.  因為這是決定可能整合整個(gè)系統以及導因于新產(chǎn)品降低之主因.

介紹

　　醫學(xué)診斷與患者監控曾經(jīng)只是醫院與自行開(kāi)業(yè)醫師之業(yè)務(wù). 不過(guò), 創(chuàng )新的集成電路設計,特殊應用的客制化半導體制程, 以及先進(jìn)的制程科技已經(jīng)讓了許多醫療設備進(jìn)入了在家進(jìn)行醫療診斷的領(lǐng)域. 這些程序降低了醫院成本, 也為遠程監控病人開(kāi)啟了新方向. 


Figure 1.   This figure shows an approach of modern system architectures using the example of a signal conditioning system for medical applications.
       
The System-on-a-Chip Solution

　　醫療儀器之生產(chǎn)及制造成本的降低使得這個(gè)(遠程患者監控)方式變?yōu)榭赡?共享電子零件是成本降低之主因. 人們過(guò)去必須求助于個(gè)別獨立的標準產(chǎn)品,近日儀器設備可以導入ASIC 或是System-on-a-chip(SoC)的解決方案.

　　全面性地了解系統是ASIC(專(zhuān)門(mén)應用IC)發(fā)展的開(kāi)端, 因為它決定了整合之可能性以及整個(gè)系統其它組件之交互影響. 對于壓力傳感器與溫度傳感器以及電流分析型傳感器(amperometric) or 電位型傳感器(potentiometric)來(lái)說(shuō)更為貼切, 舉例來(lái)說(shuō), 幾乎所有的傳感器都會(huì )有一些共通的要素. 他們都有小震幅的輸出訊號以及非線(xiàn)性的傳輸功能. 在許多情況下甚至是與溫度相依相關(guān)的.

　　系統之導入緣起于感應器的使用, 舉例來(lái)說(shuō) 最先進(jìn)的科技電路可容許小至 150nV LSB之分辨率. 輸入震幅產(chǎn)生后,再由極低噪音且高精確度之可編程序的增益擴大電路來(lái)處理( PGAs, Programmable Gain Amplifiers). 一般來(lái)說(shuō), 下游經(jīng)由分辨率達 18 bits 的AD 變頻器把這些放大訊號轉變成數字的數值. 這些數字化的輸入訊號然后被系統的主要零件(一個(gè)整合的微處理器或者是數字訊號處理器)處理. 此計算機裝置包含了使用多項式N次序的特征曲線(xiàn)校正算法. 任何與溫度相依的特征曲線(xiàn)也可被校正成為線(xiàn)性的一部分. 芯片上之溫度傳感器或外加于傳感器的溫度元素可提供此傳感器的溫度. 此多項式的相關(guān)系數取決于傳感器的校正循環(huán)并且長(cháng)久的儲存于整合在IC 里面的 EEPROM. 系統依賴(lài)數字接口如 I²C, SPI, 以及 ZACwire™, 另外還有模擬接口(absolute, ratiometric, 以及 pulse width modulation (PWM)) 建構完成一個(gè)完整的系統并且提供校正過(guò)的傳感數值給其后的單元


Figure 2. Picture: System-on-a-chip solution

精確度 VS 整合密度

　　要達成一個(gè)經(jīng)濟省錢(qián)的解決方案,只有盡可能地去極大化功能整合密度. 從模擬輸入階段到最先進(jìn)的處理器選擇 有LCD 驅動(dòng)程序功能以及客制輸出階段, 強大的智能財產(chǎn)權(IP) 組合是必須的.

　　在整個(gè)系統來(lái)說(shuō)其挑戰在于醫學(xué)應用其高敏感度的模擬輸入階段. 其它數字單位的線(xiàn)路整合發(fā)射切換脈沖或頻率脈沖時(shí),會(huì )干擾模擬輸入階段的敏感度

　　解決這個(gè)整合的困難的方法之一為使用電力管理架構(a power-management architecture). 這些整合的智能型電力控制器控管所有內部單位以及制程,比如說(shuō)開(kāi)關(guān)系統里的功能性模塊, 產(chǎn)生IC里面功能性單元的智能頻率. 這可使其它訊號被壓縮而不致干擾高精度的AD 轉換. 這可以是外部 BUS 溝通或轉換,并且在此電路的其它功能性區塊執行逆轉程序.

醫療科技必須是低耗電

　　除此他們的壓縮干擾功能, 這些整合的智能動(dòng)力控制器提供了另外一個(gè)重要的優(yōu)勢. 智能型動(dòng)力管理使其可以明智地關(guān)掉一些功能區塊.如果可以快速啟動(dòng)這些區塊則是必須的, 那么電源的關(guān)閉是敏感的. 另外一個(gè)方式為聰明的降低周期以及電壓. 復雜的系統架構, ZMD公司有能力達到平均啟動(dòng)動(dòng)力消耗小于10µA. 醫學(xué)應用方面, 這些低耗電的益處是用于長(cháng)時(shí)間供應電池組件之必需元素. 尤其是病人隨身攜帶的組件, 低耗電的元素成為高功能整合于IC之必需條件. 舉例來(lái)說(shuō)這些包含助聽(tīng)器, Holter ECG 系統(心電圖系統),胰島素幫浦之電路設計等.

醫療科技必須是低電壓

　　看待低電壓的需求必須與低耗電相同. 目標是使現代隨身攜帶的醫學(xué)應用輕巧. 總重量通常是決定電供應的主要因素. “單一電池”是一個(gè)引起關(guān)注的字眼, 目標是僅用單顆電池操作此組件并且盡可能地耐久. 工作電壓在 1V 以下是的需求在這個(gè)領(lǐng)域是很正常的. 最近最先進(jìn)的電力管理科技可使用充電幫浦用0.8V的電力操作整個(gè)系統. 0.8V的輸入電壓, 系統由電壓0.8V的輸入電壓操作整個(gè)醫療組件的 ASIC所設計, 包含了周邊的傳感器.

通往成功之鑰

　　有了 ASIC 之解決方案之后, 醫學(xué)應用的市場(chǎng)大量成長(cháng). 眼觀(guān)健康設備及家用醫療設備有著(zhù)令人驚訝的成長(cháng). 很明顯的 ASIC 的設計已經(jīng)成了趨勢, 不僅可以幫助制造者設計更有效率的產(chǎn)品, 并且大量生產(chǎn)又可以降低價(jià)格幫助市場(chǎng)之開(kāi)拓.