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

摘要

　　醫(yī)學(xué)診斷與患者監(jiān)控曾經(jīng)只是醫(yī)院與自行開(kāi)業(yè)醫(yī)師之業(yè)務(wù). 不過(guò), 創(chuàng)新的集成電路設(shè)計(jì),特殊應(yīng)用的客制化半導(dǎo)體制程, 以及先進(jìn)的制程科技已經(jīng)讓了許多醫(yī)療設(shè)備進(jìn)入了在家進(jìn)行醫(yī)療診斷的領(lǐng)域. 這些程序降低了醫(yī)院成本, 也為遠(yuǎn)程監(jiān)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(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,近日,儀器設(shè)備可以導(dǎo)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?yàn)檫@是決定可能整合整個(gè)系統(tǒng)以及導(dǎo)因于新產(chǎn)品降低之主因.

介紹

　　醫(yī)學(xué)診斷與患者監(jiān)控曾經(jīng)只是醫(yī)院與自行開(kāi)業(yè)醫(yī)師之業(yè)務(wù). 不過(guò), 創(chuàng)新的集成電路設(shè)計(jì),特殊應(yīng)用的客制化半導(dǎo)體制程, 以及先進(jìn)的制程科技已經(jīng)讓了許多醫(yī)療設(shè)備進(jìn)入了在家進(jìn)行醫(yī)療診斷的領(lǐng)域. 這些程序降低了醫(yī)院成本, 也為遠(yuǎn)程監(jiān)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(yī)療儀器之生產(chǎn)及制造成本的降低使得這個(gè)(遠(yuǎn)程患者監(jiān)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(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,近日儀器設(shè)備可以導(dǎo)入ASIC 或是System-on-a-chip(SoC)的解決方案.

　　全面性地了解系統(tǒng)是ASIC(專門應(yīng)用IC)發(fā)展的開(kāi)端, 因?yàn)樗鼪Q定了整合之可能性以及整個(gè)系統(tǒng)其它組件之交互影響. 對(duì)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(hào)以及非線性的傳輸功能. 在許多情況下甚至是與溫度相依相關(guān)的.

　　系統(tǒng)之導(dǎo)入緣起于感應(yīng)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(kuò)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(dá) 18 bits 的AD 變頻器把這些放大訊號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字的數(shù)值. 這些數(shù)字化的輸入訊號(hào)然后被系統(tǒng)的主要零件(一個(gè)整合的微處理器或者是數(shù)字訊號(hào)處理器)處理. 此計(jì)算機(jī)裝置包含了使用多項(xiàng)式N次序的特征曲線校正算法. 任何與溫度相依的特征曲線也可被校正成為線性的一部分. 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(xiàng)式的相關(guān)系數(shù)取決于傳感器的校正循環(huán)并且長(zhǎng)久的儲(chǔ)存于整合在IC 里面的 EEPROM. 系統(tǒng)依賴數(shù)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(gòu)完成一個(gè)完整的系統(tǒng)并且提供校正過(guò)的傳感數(shù)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(dá)成一個(gè)經(jīng)濟(jì)省錢的解決方案,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(qū)動(dòng)程序功能以及客制輸出階段, 強(qiáng)大的智能財(cái)產(chǎn)權(quán)(IP) 組合是必須的.

　　在整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)其挑戰(zhàn)在于醫(yī)學(xué)應(yīng)用其高敏感度的模擬輸入階段. 其它數(shù)字單位的線路整合發(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(gòu)(a power-management architecture). 這些整合的智能型電力控制器控管所有內(nèi)部單位以及制程,比如說(shuō)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)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(hào)被壓縮而不致干擾高精度的AD 轉(zhuǎn)換. 這可以是外部 BUS 溝通或轉(zhuǎn)換,并且在此電路的其它功能性區(qū)塊執(zhí)行逆轉(zhuǎn)程序.

醫(yī)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(shì). 智能型動(dòng)力管理使其可以明智地關(guān)掉一些功能區(qū)塊.如果可以快速啟動(dòng)這些區(qū)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(fù)雜的系統(tǒng)架構(gòu), ZMD公司有能力達(dá)到平均啟動(dòng)動(dòng)力消耗小于10µA. 醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面, 這些低耗電的益處是用于長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)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(tǒng)(心電圖系統(tǒng)),胰島素幫浦之電路設(shè)計(jì)等.

醫(yī)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(biāo)是使現(xiàn)代隨身攜帶的醫(yī)學(xué)應(yīng)用輕巧. 總重量通常是決定電供應(yīng)的主要因素. “單一電池”是一個(gè)引起關(guān)注的字眼, 目標(biāo)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(tǒng). 0.8V的輸入電壓, 系統(tǒng)由電壓0.8V的輸入電壓操作整個(gè)醫(yī)療組件的 ASIC所設(shè)計(jì), 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(yī)學(xué)應(yīng)用的市場(chǎng)大量成長(zhǎng). 眼觀健康設(shè)備及家用醫(yī)療設(shè)備有著令人驚訝的成長(zhǎng). 很明顯的 ASIC 的設(shè)計(jì)已經(jīng)成了趨勢(shì), 不僅可以幫助制造者設(shè)計(jì)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.