家用醫(yī)療保健電子設備設計迷津指南

美國食品與藥物管理局(FDA)指出：在醫(yī)療設備產(chǎn)業(yè)中，家庭衛(wèi)生保健是發(fā)展最快的領域。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)療設備正在進入家庭消費市場。

這些醫(yī)療保健產(chǎn)品包括：血糖儀、數(shù)字血壓計、血氣分析儀、數(shù)字脈搏和心率監(jiān)視器、數(shù)字溫度計、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)護人員的辦公室，實現(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)品使用的技術越來越復雜，為了確保包括醫(yī)護人員、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)品的設計要求越來越高，并且其中許多要求可能存在沖突。對于設計師來說，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，設計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)療電子設備的使用者是誰。”

許多醫(yī)療電子設備的生產(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)療電子設備面臨的另外一個障礙是如何實現(xiàn)遠高于非醫(yī)療電子設備所要求的密封性，而全面微型化使得密封性更難實現(xiàn)。

了解家用醫(yī)療電子設備的要求

對醫(yī)生等專業(yè)人士來說操作醫(yī)療電子設備是得心應手的事，因為他們培訓過這些儀器的使用。而對家庭病人來說，操作簡單極其重要。幸運的是，最新的高集成度芯片、復雜的DSP和微控制器、高密度閃存和先進的微機電系統(tǒng)(MEMS)傳感器都有助于實現(xiàn)這個目標。

“我們歡迎這些看起來似乎矛盾的要求，因為它們給我們提供了創(chuàng)新的機會。”AMI半導體公司醫(yī)療業(yè)務部副總裁Todd Schneider表示，該公司的醫(yī)療電子設計很多都使用了專用標準產(chǎn)品(ASSP)和專用集成電路(ASIC)，“我們進入醫(yī)療電子行業(yè)已經(jīng)20多年了，因此非常理解這些設備所面臨的技術挑戰(zhàn)。”

取決于具體的實際應用，每種保健醫(yī)療電子產(chǎn)品的性能優(yōu)先級設置會有所不同。例如，對于便攜式血糖計(經(jīng)常使用一次性化學試驗帶)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計中最優(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計權衡。這意味著他們在決定使用何種類型的傳感器、模數(shù)轉換器、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)器電路時需要仔細權衡。

尺寸通常是主要的設計約束條件，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)護人員更容易將植入產(chǎn)品放進人的身體。

例如，一些包含了傳感器、攝像機和射頻發(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或電氣化學傳感器測量血糖值。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。機器和測試帶的一次性使用也必須得采用低成本設計。

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設計的這個監(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)設計提供更精確的信號。

降低功耗

更低功耗是醫(yī)療產(chǎn)品夢寐以求的目標，特別是電池供電和便攜式家用設備。簡單來說，功率降低意味著更長的電池壽命。它還能讓設計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。當運算能力要求很大時，就像耳蝸可植入聽力設備那樣，電池可能比電路的體積還要大。耳蝸可植入設備必須工作在動態(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晶圓的化學成份來降低功耗。”AMI半導體公司的Todd Schneider表示。

降低IC的工作電壓以及仔細管理電容效應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。

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