便携式医疗电子设备的应用挑战及解决方案

作者：Jonathan，Bearfield

当前，政府与医疗机构正努力完善其医疗体系，以便更好地为病人服务。为了让病人有更多时间在家中养病，而不用常奔波于医院或诊所，医疗行业正充分利用便携及远距离连接的医疗监控系统，其中包括从血糖仪到便携式心电图系统等各种便携医疗设备。

“便携式”医疗电子设备所面临的挑战是对远距离连接便携性的要求越来越高，同时还要保持对所有采集数据的质量与响应性。“便携式”一词在过去是指设备装有轮子，并且可以从门中通过。但如今，我们所说的“便携式”与以往不同。当前，许多医疗设备都是可运输的，甚至是 “可穿戴的”。这当然会带来设计方面的挑战，这种挑战不仅仅体现在设备的外形尺寸上，而且体现在内部的电子器件上。

如果把任何一台便携式医疗监控设备“解剖”开来，就会发现其是由显示器与显示器接口、电池和电源管理、生物传感器接口、数据接口、系统微控制器或数字信号处理器（DSP）共五个基本构建块组成的。很显然，每个模块的具体性能根据系统的不同也不尽相同。

显示器

无论是告知病人体温读数还是心电图（ECG）的结果，显示器的显示效果都是一项重要的性能属性，其效果在某种程度上取决于适当的背光解决方案。且不管是感应式还是更简单的充电泵拓扑结构，由于便携式系统由电池供电，具有宽泛输入电压范围的背光解决方案可降低系统中对额外调节的需求。选择升压或降压/升压解决方案（其可在多种电池供电的情况下轻松工作）提供了较大的设计灵活性。当然，解决方案的尺寸和整体电源效率是系统的关键所在，因此充分利用较高集成度和先进封装的器件就变得更为高效且成本更低。

触摸屏控制（TSC）是实现便携式电子设备方便易用性的一个关键的因素，由于替代了传统键盘，因此其还可大大缩小设备的外形尺寸。TSC实现了菜单驱动的功能选择、对输入和输出数据显示的精细调节功能并能放大“按键”，从而实现了方便易用性。所选解决方案的静电（ESD）处理能力是实施TSC时要考虑的一个重要因素。如果TSC电路不能消耗静电产生的能量，那么该能量就会流经中央微控制器/DSP，并对其造成损坏。实施TSC要考虑的其他的因素包括与屏幕尺寸相比较而言的分辨率、转换类型与速度、以及总体功耗等。

传感器接口与信号链

适当的信号链对体温、脉搏、血糖读取和其他生物传感器都是非常重要的。信号链的第一级为仪表放大器（如INA326，见图1），这是一款具有较低输入失调电压、较低漂移以及有AC性能的较大直流精度的微功率放大器。在大多数应用中，设计人员都试图在毫伏噪声内寻找一个微伏电平信号。由于目标信号具有交流特性，需要有一个与高通滤波方案配合良好的放大器。采用自动归零或自动计算功能可进一步简化系统补偿要求。通常，第二级为一个低功耗运算放大器（如OPA376），其具有较宽的带宽、轨至轨输入和输出，并且具有出色的精度。诸如零交叉之类的特性可在整个输入共模范围内产生线性偏移信号。这就是说微控制器并不需要运行额外的算法来校正移位和偏移。

信号链的下一级为良好的 - ∑ADC或逐次逼近模数转换器。单周期滤波器建立时间和随需转换等特性简化了ADC的设计要求。此外，其还提高了转换速度，并提供了较大的信号源阻抗。在多通道系统中，全局同步等特性提供了连续的信号采集能力，从而允许在相同的时钟周期内对多点信号源进行比较。利用适当的布局和组件选择，可将一个真正干净、精确的信号输入到系统微处理器/DSP中。

微控制器/DSP

医疗监控设备可产生大量的原始数据。保存数据与处理趋势、识别变化、提供反馈，支持与较大系统连接的能力，以及执行诊断算法通常是系统控制器的重要功能。

均衡考虑系统处理要求与功耗限制是非常重要的。虽然是针对DSP级的数据处理设计，但只允许低功耗微处理器的功率预算（如MSP430）会造成设计的冲突。然而，充分利用更新的DSP技术和电源拓扑结构并实施几个功耗级别和待机模式，可帮助系统以经济车级的油耗实现跑车级的性能。这表明某些处理带宽要向管理功耗方向发展。MSP430类型的控制器可管理系统待机、睡眠及唤醒转换功能，而DSP可提高总体系统性能来创建具有两方面性能的系统。如果DSP只在需要处理时工作，那么平均系统功耗将保持较低，仅在DSP唤醒状态下才能达到峰值。通过实施超级电容或其他能量存贮器件可支持DSP功率突波，以将掉电现象降到最低，并延长系统的运行时间。凭借最新型微控制器的性能和集成度，需以较低功耗进行实时处理的复杂应用可利用 MSP430FG461x之类的器件来实现。

电池与电源管理

简单的系统可使用一次性电池，因为其功耗非常低，足以将更换电池的总成本控制在较低的水平上。较大系统可采用各种可充电电池和不同尺寸的电池组。动态电源路径管理等特性能够在独立为电池充电的同时为系统供电。这就允许使用完全放电的电池设备在接入后即可使用，不必等待电池充电后才能运行。在需要使用医疗系统时，并不会总是有等待充电的时间。跟踪电池真实阻抗而不是简单的电压测量或库仑计数能力是另一重要特性。由于电池电压并不是呈线性下降，电压跟踪并不能直接得到电池的真正使用寿命，特别是电压量程中间第三级包括60%“70%的放电周期时间。库仑计数并不能补偿电池老化问题，它并不了解电池随时间的变化所剩下的容量。虽然不能真正了解电池的状态，但其会“假设”了解其状态。阻抗跟踪允许系统以1%的误差计算电池所剩的运行时间，使系统可利用电池中所有可用的能量，从而实现较长的运行时间。

正如系统运行对医疗电子设备非常重要一样，另一关键的特性是电池验证。这是一种利用加密的设备ID来验证系统中电池能否满足原始设备制造商要求的方式。使用不合适的电池组不仅会影响系统的运行时间，而且可能会损坏系统，甚至引发起火。

总之，在设计周期的前端进行功耗决策，有助于确定系统级的取舍，以满足设备的便携性及运行时间目标的要求。

数据接口

医疗电子设备数据接口从有线RS232接口过渡到有线和无线以太网连接、近距离及较长距离的无线连接。这种新型接口可以实现对楼宇内的所有设备进行联网，包括病人家庭内的设备。

当病人从医院返回家中时，其可通过身上无线传感器远程地与医生联系，该传感器连接到家中安全系统的监控器上。整个系统连入以太网或医疗呼叫中心，可在其家中随时私密地接收时钟监控。这里也可采用无线接口，如蓝牙等，或采用TI推出的Chipcon系列Zigbee及其他低功耗无线解决方案，其SmartRF技术可与家庭及工业环境联网。除了功耗外，数据速率和范围也是选择无线接口的两个重要要素。一款多个通道2.4GHz解决方案可覆盖全球，且具有较高的数据速率和占空比。但更低的频率可增大信号传播范围。对于多通道全身监控系统而言，病人可能会局限在家中活动，而不必只躺在床上。在这种情况下，信号范围可能会有所局限，但数据速率得以最大化。如果只需要监控几个传感器，则范围可能比数据速率更为重要。最后一点，解决方案的选择必须要控制在总体系统功耗预算之内。

结论

目前，便携式医疗设备和监控系统可提供随时随地的医疗支持。为了帮助医疗设备厂商开发这些创新的产品，在电子设备的外部，我们不但需要适当的基础设施，而且在其内部还需要合适的半导体组件。为了获得更大的成功，半导体供应商要考虑便携式医疗产品的特性和需求，为每种产品定义性能规范，并了解其空间与功耗预算的局限性。最后，其还可帮助医疗设备厂商减少返工，从一开始就优化整体的设计。

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