家用醫(yī)療電子設(shè)備設(shè)計(jì)指南

美國(guó)食品與藥物管理局(FDA)指出：在醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)業(yè)中，家庭衛(wèi)生保健是發(fā)展最快的領(lǐng)域。受到人類(lèi)平均壽命延長(zhǎng)，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(yī)療設(shè)備正在進(jìn)入家庭消費(fèi)市場(chǎng)。

　　這些醫(yī)療保健產(chǎn)品包括：血糖儀、數(shù)字血壓計(jì)、血?dú)?/span>分析儀、數(shù)字脈搏和心率監(jiān)視器、數(shù)字溫度計(jì)、懷孕測(cè)試儀、透皮給藥系統(tǒng)、透析系統(tǒng)和氧濃縮器等。其中許多儀器可以用無(wú)線方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到醫(yī)護(hù)人員的辦公室，實(shí)現(xiàn)對(duì)重癥病人的持續(xù)在線監(jiān)視和診斷。

　　由于醫(yī)療電子產(chǎn)品使用的技術(shù)越來(lái)越復(fù)雜，為了確保包括醫(yī)護(hù)人員、病患本人以及最重要的家庭用戶在內(nèi)的每個(gè)人都能安全有效地使用這些產(chǎn)品，對(duì)這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，并且其中許多要求可能存在沖突。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，所有這一切則意味著要在給定空間的芯片或電路板上實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)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(zhǎng)壽命和高安全性等。”Microchip公司醫(yī)療電子產(chǎn)品部高級(jí)經(jīng)理Steve Kennelly解釋說(shuō)，“需要多大的處理能力取決于醫(yī)療電子設(shè)備的使用者是誰(shuí)。”

　　許多醫(yī)療電子設(shè)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(dāng)然一個(gè)積極的信號(hào)是這些產(chǎn)品中的單個(gè)電子器件(傳感器、MCU、顯示器、存儲(chǔ)器等)的價(jià)格在不斷下滑。

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

　　了解家用醫(yī)療電子設(shè)備的要求

　　對(duì)醫(yī)生等專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)操作醫(yī)療電子設(shè)備是得心應(yīng)手的事，因?yàn)樗麄兣嘤?xùn)過(guò)這些儀器的使用。而對(duì)家庭病人來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單極其重要。幸運(yùn)的是，最新的高集成度芯片、復(fù)雜的DSP和微控制器、高密度閃存和先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)傳感器都有助于實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

　　“我們歡迎這些看起來(lái)似乎矛盾的要求，因?yàn)樗鼈兘o我們提供了創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。”AMI半導(dǎo)體公司醫(yī)療業(yè)務(wù)部副總裁Todd Schneider表示，該公司的醫(yī)療電子設(shè)計(jì)很多都使用了專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)和專(zhuān)用集成電路(ASIC)，“我們進(jìn)入醫(yī)療電子行業(yè)已經(jīng)20多年了，因此非常理解這些設(shè)備所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。”

　　取決于具體的實(shí)際應(yīng)用，每種保健醫(yī)療電子產(chǎn)品的性能優(yōu)先級(jí)設(shè)置會(huì)有所不同。例如，對(duì)于便攜式血糖計(jì)(經(jīng)常使用一次性化學(xué)試驗(yàn)帶)等產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，低成本是優(yōu)先等級(jí)最高的參數(shù)。而便攜式家用透析系統(tǒng)必須將可靠性和長(zhǎng)壽命作為設(shè)計(jì)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(shè)備必須具有高可靠性、小體積和長(zhǎng)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(duì)醫(yī)療電子產(chǎn)品提出了眾多的性能要求，工程師不得不面對(duì)各種設(shè)計(jì)權(quán)衡。這意味著他們?cè)跊Q定使用何種類(lèi)型的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大和濾波、控制和數(shù)據(jù)處理、電源、顯示器以及無(wú)線收發(fā)器電路時(shí)需要仔細(xì)權(quán)衡。

　　尺寸通常是主要的設(shè)計(jì)約束條件，特別是對(duì)醫(yī)療植入電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最小的組織切入是絕對(duì)必須的。這種植入產(chǎn)品一般包含一個(gè)傳感器、一些信號(hào)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(dǎo)管或探針內(nèi)然后插入人體組織。小尺寸也使醫(yī)生或醫(yī)護(hù)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(jī)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察身體內(nèi)部器官。DexCon公司的可植入式血糖監(jiān)視器就采用了AMI半導(dǎo)體公司提供的超低功率ASIC系統(tǒng)級(jí)芯片，它通過(guò)402-405MHz頻率范圍內(nèi)的射頻傳輸功能連續(xù)監(jiān)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(shù)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(nèi)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(cè)量血糖值。病人只需刺破手指往一次性測(cè)試帶上滴一滴血，血糖儀就能讀出血糖值。機(jī)器和測(cè)試帶的一次性使用也必須得采用低成本設(shè)計(jì)。

　　無(wú)線心電圖(ECG)Holter監(jiān)視儀是一個(gè)很好的微型化例子。使用ADI公司現(xiàn)有IC設(shè)計(jì)的這個(gè)監(jiān)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(hào)，這種監(jiān)視儀可以比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更精確的信號(hào)。

　　降低功耗

　　更低功耗是醫(yī)療產(chǎn)品夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，特別是電池供電和便攜式家用設(shè)備。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，功率降低意味著更長(zhǎng)的電池壽命。它還能讓設(shè)計(jì)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(shì)。

　　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(dāng)運(yùn)算能力要求很大時(shí)，就像耳蝸可植入聽(tīng)力設(shè)備那樣，電池可能比電路的體積還要大。耳蝸可植入設(shè)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(yīng)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(xù)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具有比采用更寬線徑制造的前代IC更大的漏電流和靜態(tài)功耗。“我們?cè)谥圃爝^(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(dǎo)體公司的Todd Schneider表示。

　　降低IC的工作電壓以及仔細(xì)管理電容效應(yīng)對(duì)減少漏電流大有幫助。這正是醫(yī)療電子系統(tǒng)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(yùn)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(zhǎng)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(yīng)用對(duì)IC功能的需求有很高的價(jià)值，它可以幫助設(shè)計(jì)師用門(mén)電路以硬件方式實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)師選擇，每種模式有多種選項(xiàng)：空閑、睡眠和淺睡。因此設(shè)計(jì)師能夠更靈活地調(diào)整功耗來(lái)適應(yīng)具體的應(yīng)用(圖1)。

　　TI公司最近推出了一款帶有完整信號(hào)鏈的超低功率MCU，可用于各種便攜式醫(yī)療診斷設(shè)備，如個(gè)人血壓監(jiān)視器、肺活量計(jì)、脈搏血氧計(jì)和心率監(jiān)視儀等(圖2)。這款型號(hào)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(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)出低成本的便攜式醫(yī)療設(shè)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(yī)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(zhǎng)電池壽命。在待機(jī)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(jù)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(yīng)用設(shè)計(jì)的。這個(gè)全閃存器件集成了片上LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器，消耗很少的功率，在待機(jī)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(yīng)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進(jìn)步。AMI半導(dǎo)體公司的Ezairo 5910 ASSP集成了一個(gè)被稱(chēng)為聽(tīng)力增強(qiáng)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(qiáng)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(zhǎng)電池壽命。

　　DSP進(jìn)入家用醫(yī)療電子產(chǎn)品

　　DSP在醫(yī)療電子產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，它有助于處理復(fù)雜的運(yùn)算和降低功耗。它們?cè)诒銛y式醫(yī)用超聲波成像設(shè)備中有很大的作用，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)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ATM半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)的一款獲得大獎(jiǎng)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(shè)備應(yīng)用了采用過(guò)采樣濾波組的信號(hào)處理技術(shù)。這款DSP提供21dB的放大性能，與衰減聲音信號(hào)的傳統(tǒng)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(shè)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(dǎo)體公司一起為植入產(chǎn)品合作設(shè)計(jì)和制造了下一代基于DSP的SoC。這個(gè)基于DSP的設(shè)計(jì)在更小的封裝內(nèi)提供更強(qiáng)的運(yùn)算能力。它們同樣能提供較低功率(更長(zhǎng)電池壽命)和較高質(zhì)量的聲音，這是利用傳統(tǒng)的非DSP方法很難實(shí)現(xiàn)的。

　　不管是DSP、MCU、顯示器、傳感器還是其它功能，為醫(yī)療應(yīng)用選擇IC必須進(jìn)行仔細(xì)權(quán)衡。比如緊湊型閃存(CF存儲(chǔ)器)，它廣泛存在于諸如上面提到的Holter監(jiān)視儀之類(lèi)的醫(yī)療設(shè)備當(dāng)中用于記錄心臟ECG數(shù)據(jù)。這類(lèi)存儲(chǔ)器在消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備中非常普及。但White Electronic Designs公司的策略開(kāi)發(fā)總監(jiān)Mark Downey指出，并不是所有的CF存儲(chǔ)器都是一樣的。

　　“我們是第一家專(zhuān)門(mén)為了滿足醫(yī)療設(shè)備的嚴(yán)格要求和先進(jìn)性能而設(shè)計(jì)這種CF存儲(chǔ)卡的公司。”Downey表示。他同時(shí)指出，為消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用設(shè)計(jì)的低成本CF存儲(chǔ)器不能滿足醫(yī)療設(shè)備所要求的性能、損耗均衡、糾錯(cuò)和數(shù)據(jù)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。