家用醫(yī)療電子設(shè)備設(shè)計(jì)指南

美國食品與藥物管理局(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。受到人類平均壽命延長，慢性病患者越來越多以及保健成本越來越高等原因的推動，越來越多更“智能”、“友好”的醫(yī)療設(shè)備正在進(jìn)入家庭消費(fèi)市場。

　　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線方式通過互聯(lián)網(wǎng)連接到醫(yī)護(hù)人員的辦公室，實(shí)現(xiàn)對重癥病人的持續(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)的每個人都能安全有效地使用這些產(chǎn)品，對這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求越來越高，并且其中許多要求可能存在沖突。對于設(shè)計(jì)師來說，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，設(shè)計(jì)師面臨的最大的問題是如何合理地平衡各方面問題，如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、長壽命和高安全性等。”Microchip公司醫(yī)療電子產(chǎn)品部高級經(jīng)理Steve Kennelly解釋說，“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。”

　　許多醫(yī)療電子設(shè)備的生產(chǎn)量都不是很大，因此很難通過自動化制造工藝取得較低的市場成本。當(dāng)然一個積極的信號是這些產(chǎn)品中的單個電子器件(傳感器、MCU、顯示器、存儲器等)的價格在不斷下滑。

　　醫(yī)療電子設(shè)備面臨的另外一個障礙是如何實(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

　　對醫(yī)生等專業(yè)人士來說操作醫(yī)療電子設(shè)備是得心應(yīng)手的事，因?yàn)樗麄兣嘤?xùn)過這些儀器的使用。而對家庭病人來說，操作簡單極其重要。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)這個目標(biāo)。

　　“我們歡迎這些看起來似乎矛盾的要求，因?yàn)樗鼈兘o我們提供了創(chuàng)新的機(jī)會。”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)很多都使用了專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)和專用集成電路(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)先級設(shè)置會有所不同。例如，對于便攜式血糖計(jì)(經(jīng)常使用一次性化學(xué)試驗(yàn)帶)等產(chǎn)品來說，低成本是優(yōu)先等級最高的參數(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(yī)療電子產(chǎn)品提出了眾多的性能要求，工程師不得不面對各種設(shè)計(jì)權(quán)衡。這意味著他們在決定使用何種類型的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大和濾波、控制和數(shù)據(jù)處理、電源、顯示器以及無線收發(fā)器電路時需要仔細(xì)權(quán)衡。

　　尺寸通常是主要的設(shè)計(jì)約束條件，特別是對醫(yī)療植入電子產(chǎn)品來說，最小的組織切入是絕對必須的。這種植入產(chǎn)品一般包含一個傳感器、一些信號處理電路或者一個發(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)級芯片，它通過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越小，目前的典型尺寸與手持式個人數(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(jī)器和測試帶的一次性使用也必須得采用低成本設(shè)計(jì)。

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

　　降低功耗

　　更低功耗是醫(yī)療產(chǎn)品夢寐以求的目標(biāo)，特別是電池供電和便攜式家用設(shè)備。簡單來說，功率降低意味著更長的電池壽命。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。

　　不過，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，就像耳蝸可植入聽力設(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)品必須使用快速時鐘速率并以寬動態(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問題是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。“我們在制造過程中通過優(yōu)化IC晶圓的化學(xué)成份來降低功耗。”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，降低時鐘速率和縮短動態(tài)模式下的工作時間都可以用來降低功耗。“關(guān)鍵是快速上電。”Schneider指出。喚醒芯片使其快速進(jìn)入動態(tài)模式、并盡可能長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IC功能的需求有很高的價值，它可以幫助設(shè)計(jì)師用門電路以硬件方式實(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)。這款型號為MSP430FG4270的16位精簡指令集處理器(RISC)SoC集成了全面的功能鏈，可以幫助設(shè)計(jì)師開發(fā)出低成本的便攜式醫(yī)療設(shè)備。

圖2：TI開發(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延長電池壽命。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時該器件耗電特別低，只有約250μA。在1萬片訂量時的單價為3.78美元，是業(yè)界同類芯片中最低的，據(jù)TI公司透露。

　　NEC微電子公司也推出了廉價的8位MCU，如78k0/Lx3系列，其中許多功能是專門為便攜式保健電子應(yīng)用設(shè)計(jì)的。這個全閃存器件集成了片上LCD控制器/驅(qū)動器，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力應(yīng)用(如助聽器)開發(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集成了一個被稱為聽力增強(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。這個聽力增強(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)用也越來越廣泛，它有助于處理復(fù)雜的運(yùn)算和降低功耗。它們在便攜式醫(yī)用超聲波成像設(shè)備中有很大的作用，可以用來實(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)的一款獲得大獎的亞波段電子聽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(tǒng)聽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。整個電子聽診器的功耗為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存儲器)，它廣泛存在于諸如上面提到的Holter監(jiān)視儀之類的醫(yī)療設(shè)備當(dāng)中用于記錄心臟ECG數(shù)據(jù)。這類存儲器在消費(fèi)類電子設(shè)備中非常普及。但White Electronic Designs公司的策略開發(fā)總監(jiān)Mark Downey指出，并不是所有的CF存儲器都是一樣的。

　　“我們是第一家專門為了滿足醫(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存儲卡的公司。”Downey表示。他同時指出，為消費(fèi)類應(yīng)用設(shè)計(jì)的低成本CF存儲器不能滿足醫(yī)療設(shè)備所要求的性能、損耗均衡、糾錯和數(shù)據(jù)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。