基于家用醫(yī)療保健電子設(shè)備設(shè)計(jì)指南

美國(guó)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(lèi)平均壽命延長(zhǎng)，慢性病患者越來(lái)越多以及保健成本越來(lái)越高等原因的推動(dòng)，越來(lái)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(chǎng)。

這些醫(yī)療保健產(chǎn)品包括：血糖儀、數(shù)字血壓計(jì)、血?dú)夥治鰞x、數(shù)字脈搏和心率監(jiān)視器、數(shù)字溫度計(jì)、懷孕測(cè)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(wú)線方式通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到醫(yī)護(hù)人員的辦公室，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(gè)人都能安全有效地使用這些產(chǎn)品，對(duì)這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，并且其中許多要求可能存在沖突。對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，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(shí)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(shí)，設(shè)計(jì)師面臨的最大的問(wèn)題是如何合理地平衡各方面問(wèn)題，如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、長(zhǎng)壽命和高安全性等。”Microchip公司醫(yī)療電子產(chǎn)品部高級(jí)經(jīng)理SteveKennelly解釋說(shuō)，“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(shuí)。”

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(guò)自動(dòng)化制造工藝取得較低的市場(chǎng)成本。當(dāng)然一個(gè)積極的信號(hào)是這些產(chǎn)品中的單個(gè)電子器件(傳感器、MCU、顯示器、存儲(chǔ)器等)的價(jià)格在不斷下滑。

醫(yī)療電子設(shè)備面臨的另外一個(gè)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(duì)醫(yī)生等專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)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(guò)這些儀器的使用。而對(duì)家庭病人來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)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(gè)目標(biāo)。

“我們歡迎這些看起來(lái)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(huì)。”AMI半導(dǎo)體公司醫(yī)療業(yè)務(wù)部副總裁ToddSchneider表示，該公司的醫(yī)療電子設(shè)計(jì)很多都使用了專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)和專(zhuān)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(jí)設(shè)置會(huì)有所不同。例如，對(duì)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(lái)說(shuō)，低成本是優(yōu)先等級(jí)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)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(duì)各種設(shè)計(jì)權(quán)衡。這意味著他們?cè)跊Q定使用何種類(lèi)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(wú)線收發(fā)器電路時(shí)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(duì)醫(yī)療植入電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最小的組織切入是絕對(duì)必須的。這種植入產(chǎn)品一般包含一個(gè)傳感器、一些信號(hào)處理電路或者一個(gè)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(lái)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(jí)芯片，它通過(guò)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(lái)越小，目前的典型尺寸與手持式個(gè)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(cè)量血糖值。病人只需刺破手指往一次性測(cè)試帶上滴一滴血，血糖儀就能讀出血糖值。機(jī)器和測(cè)試帶的一次性使用也必須得采用低成本設(shè)計(jì)。

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

降低功耗

更低功耗是醫(yī)療產(chǎn)品夢(mèng)寐以求的目標(biāo)，特別是電池供電和便攜式家用設(shè)備。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，功率降低意味著更長(zhǎng)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(shì)。

不過(guò)，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(shí)，就像耳蝸可植入聽(tīng)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(dòng)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(lái)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(shí)鐘速率并以寬動(dòng)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(gè)問(wèn)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?cè)谥圃爝^(guò)程中通過(guò)優(yōu)化IC晶圓的化學(xué)成份來(lái)降低功耗。”AMI半導(dǎo)體公司的ToddSchneider表示。

降低IC的工作電壓以及仔細(xì)管理電容效應(yīng)對(duì)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(gè)器件占板面積的原因。