新聞中心

世平集團所代理產品線TI提出熱門應用-可攜式醫療監控系統解決方案

 2009-04-08

當今的政府與醫療機構正努力完善其醫療體系,以更好地為病人服務。為了讓病人有更多時間在家中養病,不必到醫院或醫生辦公室來,醫療行業充分發揮了便攜、遠距離連接的醫療監控系統的優勢。這些設備包括從血糖儀到可攜式心電圖 (ECG) 系統。


圖1:可攜式醫療監控系統

“便攜” 醫療電子設備所面臨的挑戰是對遠距離連接便攜性的要求越來越高,同時還要保持所採集資料的品質與回應性。“可攜式”一詞表示設備裝有輪子,可在門中通過。但如今,這個定義有所改變。 如今許多醫療設備為完全可移動的,甚至是可以是“可穿戴的”。這當然會帶來設計方面的挑戰,不只是設備體積上的,而且也包括內部的電子器件。 
  
如果把可攜式醫療監控設備解剖開來,可發現其中有五個基本的部分 (圖 2):

• 顯示器與顯示器介面
• 電池及功率管理
• 生物感測器介面
• 資料介面
• 系統微控制器或數位信號處理器 (DSP)
顯然,不同系統間每個模組特定的性能也不相同。  


圖2: 可攜式醫療電子產品的主要功能方塊

顯示器  
不論是向病人告知體溫或心電圖 (ECG)結果,顯示器的顯示效果都是一項重要的性能特點,其效果在某種程度上取決於適當的背光解決方案。 不管是感應式還是簡單的電荷泵拓撲結構,由於可攜式系統由電池供電,有較寬輸入電壓距離的背光解決方案可降低對額外調節系統中的需求。 選擇升壓型或降壓/升壓雙向變換器可輕鬆的由多個電池供電來工作,具有較大的設計靈活性。當然,設備的尺寸和總功率效率是關鍵的問題,採用有較高集成度及先進封裝的器件是更高效而經濟的方法。
 
觸摸屏控制 (TSC) 是簡化可攜式電子設備使用的一個關鍵的因素,由於免除了傳統鍵盤,還可進一步縮小設備體積。TSC利用功能表驅動的功能選擇,對輸入及輸出資料顯示進行精細調節,能放大“按鍵”而更方便使用。實施TSC時,要考慮的一個重要因素是所選方案的靜電 (ESD) 處理能力。如果TSC 電路不能發散靜電產生的能量,該能量可通過中央微控制器/DSP並造成其損壞。實施TSC要其他的因素有解析度、與螢幕尺寸、轉換類型與速度、以及總體功耗等。   

感測器介面與信號鏈    
不論是溫度、脈搏、血糖讀取或其他生物感測器,實施適當的信號鏈都是最重要的問題。信號鏈的第一階是儀用放大器(圖 2),如有較低輸入失調電壓、較低漂移及有交流性能的較大直流精度的微功耗放大器INA326。 多數實施是在毫伏級雜訊內嘗試尋找一個微伏級的信號。由於目標信號有交流特性,需要有一個與高通濾波方案配合良好的放大器。採用自動回零或自動計算功能可進一步簡化系統補償要求。   

典型地說,第二階是一個低功耗運算放大器,如OPA376,它有較寬的帶寬、軌到軌輸入及輸出 (RRIO),並具有出色的精度。零交越一類的特性可在整個輸入共模距離產生線性偏移的信號。這表明微控制器並不需要運算額外的演算法來校正偏移。 
 
信號鏈下一階是良好的delta-sigma 或逐次逼近模數轉換器 (ADC)。單週期濾波器設置及隨需轉換等特性簡化了ADC的設計要求。也提高了轉換速度,並提供了較大的源阻抗。在多通道系統中,全局同步等特性提供了連續的信號採集能力,允許在相同的時鐘週期內對多點信號資源進行比較。   

利用適當的佈局及元件選擇,可將一個乾淨、精確而有意義的信號輸入到系統微處理器/DSP中。   

微控制器/DSP   
醫療監控設備可產生大量的原始資料。保存資料與處理趨勢、識別變化、提供回饋,支援與較大系統連接的能力,以及執行診斷演算法是通常是系統控制器的重要功能。   

必需要均衡考慮系統處理要求與功耗限制。 雖然是針對 DSP級的資料處理所設計,但只允許低功耗微處理器的功率分配,如MSP430,會造成設計的衝突。然而,利用新的DSP 技術及電源拓撲結構實施幾個電源級別和待機模式,可幫助系統以經濟車級的油耗實現跑車級的性能。這表明某些處理帶寬要向管理功耗方向發展。 MSP430類型的控制器可管理系統待機、睡眠及喚醒轉換功能,而DSP 可提高總體系統性能來創建具有兩方面性能的系統。如果DSP 只在需要處理要時活動,平均系統功耗將保持較低,僅在DSP 喚醒狀態下才能達到峰值。通過實施super-caps 或其他能量存貯器件可支持DSP 功率突增,可將電壓切斷現象降到最低,並改善高系統運行進環境。憑藉最新微控制器的性能和集成度,需以較低的功耗即時處理的複雜應用可利用MSP430FG461x一類的器件來實現。
   
電池及功率管理    
簡單的系統可使用一次性電池,因為其功耗很低,可以將更換電池的總成本控制在較低的水準上。較大系統可採用各種可充電的電池及不同的電池組尺寸。動態功耗路徑管理等特性,允許系統不依賴電池充電路徑地消耗功率。這允許使用完全放電的電池設備在接入後即可使用,不必等待電池充電後才能運行。在需要使用醫療系統時,並不會總有等待充電的時間。跟蹤電池真實阻抗而不是簡單的電壓測量或庫侖計數能力是另一重要特性。由於電池電壓並不呈線性地下降,電壓跟蹤並不能直接得到電池的真正壽命。特別是電壓量程中間第三級包括60%到70%的放電週期時間。庫侖計數並不能補償電池老化問題,它並不瞭解電池隨時間所剩下的容量。雖然不真正瞭解電池的狀態,但它會假定瞭解其狀態。阻抗跟蹤允許系統以1% 的誤差計算電池所剩的壽命,使系統可利用電池中所有可用的能量,從而實現較長的工作壽命。  

正如系統運行對醫療電子設備非常重要一樣,另一關鍵的特性是電池驗正。這是一種利用加密的設備 ID驗正系統中電池能否滿足原始設備製造商(OEM)要求的方式。使用不合適的電池組會影響系統的運行壽命,也能損壞系統,甚至引發起火。   

一般來說,在設計週期的前端進行功耗決策,有助於確定系統級的取捨,以滿足目標設備的便攜性及運行壽命需求。    

資料介面     
醫療電子設備資料介面從有線 RS232介面遷移到有線及無線乙太網連接、及近距離及較長距離的無線連接。醫院可以利用這些新介面來連接醫院內和患者家裏所有設備。
   
當病人從醫院返回家中時,可通過身上無線感測器遠端地與醫生聯繫,該感測器連接到家中安全系統的監控器上。整個系統連入乙太網或醫療呼叫中,可在其家中隨時私密地接收監控。這裏也可採用無線介面,如藍牙。也可採用Texas Instruments的Chipcon系列Zigbee 及其它低功耗的無線解決方案,其SmartRF 技術可與家庭及工業環境連網。除了功耗外,資料速率及距離也是選擇無線介面的兩個重要要素。有多個通道的2.4GHz 解決方案可覆蓋全球,具有較高的資料速率及占空比。但低頻可增大信號傳播距離。   

利用多通道的整個身體監控系統,病人可能只需局限在家中,而不必只躺在床上。這種情況下,距離可能有所局限,但資料速率得以最大化。如果監控只用幾個感測器,距離比資料速率更重要。最後一點,選擇方案必須控制在總體系統功耗預算之內。   

結論  
未來會有更多創新的醫療設備出現,如家庭身體掃描器,只要站在機器前,就可以在LCD 顯示器前看醫生。虛擬的醫生可以在世界上的任何地方,而我們坐在家裏、辦公室或在休假中都可以看醫生。就在今天,可攜式醫療設備及監控系統可提供隨時隨地的醫療支援。為了幫助醫療設備廠商開發這些創新的產品,我們既在電子設備的外部需要適當的基礎設施,在其內部也需要合適的半導體元件。    

為了獲得更大的成功,半導體供應商要考慮可攜式醫療產品的特性和需求,為每種產品定義性能規範,併發瞭解其體積與功耗預算的局限。最後,它可幫助醫療設備廠商減少返工,從最開始就優化整體的設計。