“解剖”便攜式醫(yī)療設(shè)備，看看里面都有啥？

三年來對抗新冠病毒的經(jīng)歷，讓人們充分認(rèn)識(shí)到自身健康管理的重要性，并由此帶動(dòng)了便攜式醫(yī)療設(shè)備在家庭環(huán)境中的應(yīng)用。因?yàn)槟苓h(yuǎn)程監(jiān)測、非侵入式，甚至是可穿戴的便攜式醫(yī)療設(shè)備，可隨時(shí)為人們提供基礎(chǔ)的生命體征監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效減少人們對身體健康的焦慮以及前往醫(yī)院的就診次數(shù)。

綜合來看，便攜式醫(yī)療設(shè)備的采用率大幅上升主要源于兩大因素。首先是新技術(shù)的加持，通過在設(shè)備中引入的新技術(shù)顯著提高了其實(shí)用性、準(zhǔn)確性以及易訪問性。其次，根據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)事務(wù)部發(fā)布的《2022年世界人口展望》報(bào)告，2022年全球?qū)⒂?.71億人年滿65歲，到2030年全球?qū)⒂?.94億老年人，到2050年這一數(shù)字將達(dá)到16億，隨著全球老年人口數(shù)量的快速增長，對健康狀況監(jiān)測的需求也成為了推動(dòng)便攜式醫(yī)療設(shè)備市場增長的另一重要因素。

在實(shí)際應(yīng)用中，便攜式醫(yī)療設(shè)備的作用不僅僅是測試和監(jiān)測一些生理參數(shù)，有些設(shè)備現(xiàn)在還被賦予記錄和數(shù)據(jù)分析功能。比如，電子血壓計(jì)，在簡單而快速地完成測量后，它不僅將當(dāng)前測量結(jié)果直觀地呈現(xiàn)給被測人員，同時(shí)還能將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)備用，以達(dá)到長期追蹤血壓變化的目的。現(xiàn)在的胰島素計(jì)大多配備有通信端口（IR/無線），可將實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C或胰島素泵，為實(shí)施長期的治療提供輔助作用。

可以看到，基于應(yīng)用場景的考慮，便攜式醫(yī)療設(shè)備大多是電池供電、尺寸小、易于操作的手持設(shè)備，無論多么小巧的便攜式醫(yī)療設(shè)備也是一個(gè)“五臟俱全”的精密電子產(chǎn)品。因此，工程師在設(shè)計(jì)這類產(chǎn)品時(shí)并不會(huì)感到輕松，這里面有很多設(shè)計(jì)技巧。

便攜式醫(yī)療設(shè)備市場分析

在過去幾年中，便攜式醫(yī)療設(shè)備（PMD）的使用日益廣泛，多種因素的組合，包括技術(shù)進(jìn)步、降低公共衛(wèi)生成本的壓力以及讓更廣泛的患者群體能夠獲得衛(wèi)生解決方案的愿望，都在推動(dòng)PMD市場的增長。

Research And Markets的研究發(fā)現(xiàn)，2022年全球便攜式醫(yī)療設(shè)備市場的收入將達(dá)到573億美元。在2022年至2027年的預(yù)測期內(nèi)，市場將以9.2%的穩(wěn)健復(fù)合年增長率成長。到2027年，便攜式醫(yī)療設(shè)備市場的總市值將達(dá)到969.3億美元。按產(chǎn)品類型劃分，到2027年，用于診斷和監(jiān)測目的的產(chǎn)品對市場的貢獻(xiàn)率接近44%，預(yù)計(jì)將主導(dǎo)整個(gè)便攜式醫(yī)療設(shè)備市場。2022年至2027年，亞太地區(qū)便攜式醫(yī)療設(shè)備市場的復(fù)合年增長率將達(dá)到10.4%。

圖1：全球便攜式醫(yī)療和保健設(shè)備市場預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到1,374.3億美元（圖源：Data Bridge Market Research）

Data Bridge Market Research的分析表明，2022年便攜式醫(yī)療和保健設(shè)備市場為645.8億美元，預(yù)計(jì)到2030年將達(dá)到1,374.3億美元，2023年至2030年期間，復(fù)合年增長率為9.9%。其中，可穿戴設(shè)備和其他便攜式技術(shù)的日益普及是推動(dòng)市場增長的關(guān)鍵因素之一，將這些設(shè)備用于遠(yuǎn)程監(jiān)測患者的健康狀況還能有效降低醫(yī)療成本。

便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)與解決方案

便攜式醫(yī)療設(shè)備當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是，它不僅要具備遠(yuǎn)程連接功能，同時(shí)還需要保持所有采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和響應(yīng)能力，當(dāng)然，便攜性也要做重點(diǎn)考慮。之所以有“便攜式”醫(yī)療設(shè)備這一說法，主要相對醫(yī)院使用的大型醫(yī)療設(shè)備而言，醫(yī)院的設(shè)備大多是輪式的，搬動(dòng)起來比較困難。今天的“便攜式”醫(yī)療設(shè)備不僅方便運(yùn)輸，甚至很多還是“可穿戴”的。這些變化給設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作帶來了諸多挑戰(zhàn)。

如果我們對便攜式醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行“解剖”就會(huì)發(fā)現(xiàn)，有幾個(gè)功能塊是大多數(shù)便攜式家用和消費(fèi)型醫(yī)療設(shè)備通用的，即：生物傳感器、傳感器輸入的放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換、電池和電源管理、低功耗微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、用戶界面或顯示、人機(jī)界面（HMI）以及數(shù)據(jù)接口（無線和有線）。

圖2：便攜式醫(yī)療設(shè)備主要系統(tǒng)構(gòu)成框圖

（圖源：網(wǎng)絡(luò)）

微控制器(MCU)/DSP

便攜式醫(yī)療設(shè)備可生成大量原始數(shù)據(jù)，保存和處理數(shù)據(jù)、識(shí)別變化、提供反饋、支持與大型系統(tǒng)的連接以及執(zhí)行診斷算法的能力通常是系統(tǒng)微控制器的重要功能。然而，超低功耗和高性能往往是相互矛盾的，在此過程中，以平衡的方式考慮系統(tǒng)處理要求和功耗約束是非常重要的。

如英飛凌PSoC 62系列是Arm Cortex-M4和Arm Cortex-M0+CPU的組合體，該產(chǎn)品基于超低功耗40nm平臺(tái)，具有低功耗閃存技術(shù)、可編程數(shù)字和模擬資源以及一流的CAPSENSE用于觸摸和接近應(yīng)用的技術(shù)。PSoC 62具有高達(dá)2MB的閃存，使醫(yī)療/保健設(shè)備能夠在一個(gè)低功耗平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多種功能，包括健康診斷的傳感器融合、圖形顯示和直觀的用戶界面等。在安全性方面，內(nèi)置了硬件加密加速器、內(nèi)存和外圍保護(hù)單元。是一款專為可穿戴設(shè)備、便攜式醫(yī)療設(shè)備、智能家居等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的低功耗微控制器。

圖3：PSoC 62系列系統(tǒng)框圖

（圖源：英飛凌）

從架構(gòu)來看，Analog Devices的MAX32690微控制器是一個(gè)帶FPU微控制器和BLE 5的片上系統(tǒng)（SoC），具有Arm Cortex-M4F CPU、大型閃存和SRAM存儲(chǔ)器以及新一代Bluetooth 5.2。該設(shè)備將處理能力與可穿戴設(shè)備應(yīng)用所需的連接性結(jié)合起來。RISC-V內(nèi)核可處理時(shí)序關(guān)鍵控制器任務(wù)，使程序員無需擔(dān)心藍(lán)牙中斷延遲。加密工具箱（CTB）提供高級安全功能，包括用于快速橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）的MAA、高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）引擎、TRNG、SHA-256哈希和安全引導(dǎo)加載程序。內(nèi)部代碼和SRAM空間可以通過兩個(gè)四位SPI就地執(zhí)行（SPIXF和SPIXR）接口擴(kuò)展到片外，每個(gè)接口最多512MB。

圖4：MAX32690微控制器系統(tǒng)簡化框圖

（圖源：Analog Devices）

便攜式醫(yī)療設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮是低功耗，這是出于需要延長電池壽命的考量。其他要求還包括更快的上市時(shí)間、低成本、可靠性、小尺寸以及更高的集成度。Microchip公司的SmartFusion FPGA將便攜式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員所需的所有功能結(jié)合到一個(gè)芯片中，創(chuàng)造了一個(gè)真正的可編程SoC解決方案，比傳統(tǒng)的固定功能微控制器具有更大的靈活性。

SmartFusion設(shè)備的核心是嵌入式ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核。通過其硬件乘法器和除法器，這款32位RISC處理器提供了高性能：約125 Dhrystone MIPS。便攜式醫(yī)療設(shè)計(jì)必須與各種生物傳感器直接連接，SmartFusion FPGA的可編程模擬部分或模擬前端（AFE）包含所需的元件，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。

每個(gè)SmartFusion FPGA最多包含三個(gè)12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，能夠在12位模式下以500Ksps（10位模式下550ksps，8位模式下600ksps）運(yùn)行。為了處理另一個(gè)方向的信號(hào)，每個(gè)設(shè)備都配備了一個(gè)一階∑-ΔDAC，以500Ksps的速度提供有效的12位分辨率。除了MCU、FPGA和可配置模擬之外，SmartFusion FPGA還集成了大量閃存和SRAM存儲(chǔ)器以及全面的時(shí)鐘生成和管理電路。處理器及其外圍設(shè)備通過多層高性能總線（AHB）矩陣（ABM）互連。ABM還為處理器及其外圍設(shè)備提供了與FPGA結(jié)構(gòu)和嵌入式模擬功能通信的路徑。

圖5：SmartFusion FPGA系統(tǒng)框圖

（圖源：Mouser）

電池和電源管理

對便攜式醫(yī)療設(shè)備而言，簡單的系統(tǒng)因功耗非常低可以使用一次性電池，較大的系統(tǒng)則需使用各種不同尺寸的可充電電池和電池組。當(dāng)需要使用醫(yī)療系統(tǒng)時(shí)，并不總是有時(shí)間等待充電。動(dòng)態(tài)電源路徑管理和其他功能可以在向系統(tǒng)供電的同時(shí)獨(dú)立地為電池充電，而無需在運(yùn)行前等待電池充電。便攜式醫(yī)療設(shè)備的使用壽命可能從數(shù)天、數(shù)月，甚至到數(shù)年不等，因此，電源優(yōu)化設(shè)計(jì)頗具挑戰(zhàn)性。

MAX14663是帶電纜檢測的便攜式醫(yī)療設(shè)備電源管理解決方案，集成了一個(gè)高效的單電池鋰離子開關(guān)充電器，適用于空間有限的便攜式應(yīng)用（比如便攜式血糖儀）。MAX14663嵌入了專利ModelGauge，能準(zhǔn)確估計(jì)可充電鋰離子電池的可用容量。此外，還集成了升壓轉(zhuǎn)換器和LED電流吸收器，用于為OLED顯示器或LED背光供電。內(nèi)部電纜檢測電路使MAX14663能夠識(shí)別是否存在未通電/未連接的USB電纜。便攜式系統(tǒng)可以使用該信息來智能地選擇其操作模式，從而提升精度并降低測量誤差。MAX14663還包括一種超低功耗密封模式，可顯著降低待機(jī)電流，并在長時(shí)間儲(chǔ)存期間保持電池電量。該模式延長了電池的保質(zhì)期，并通過立即開箱使用改善了客戶體驗(yàn)。

圖6：MAX14663典型應(yīng)用功能框圖

（圖源：Analog Devices）

數(shù)據(jù)接口

現(xiàn)在，便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的數(shù)據(jù)接口已經(jīng)從有線RS232接口轉(zhuǎn)變?yōu)橛芯€和無線以太網(wǎng)連接、短距離和長距離無線連接。新的接口可以實(shí)現(xiàn)建筑物中所有設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，包括患者家中的設(shè)備。

Silicon Labs為便攜式醫(yī)療設(shè)備提供了多種緊湊型無線解決方案，例如尺寸為4x4 x 0.3 mm的EFR32BG22藍(lán)牙低功耗（BLE）SoC。BG22是無線Gecko系列平臺(tái)的一部分，擁有優(yōu)秀的超低傳輸和接收功率和高性能。其中的BGM220S是RF認(rèn)證的低功耗藍(lán)牙模塊，配有天線，尺寸為6 x 6 mm。出色的RF技術(shù)與低功耗Arm Cortex-M33內(nèi)核的組合提供了出色的能源效率，可使鈕扣電池壽命延長到多達(dá)十年。此外，緊湊型模塊和SoC可以靈活地設(shè)計(jì)更小、更吸引人的設(shè)備，為內(nèi)存和電池留出更大的空間。該SoC的目標(biāo)應(yīng)用包括藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點(diǎn)、便攜式醫(yī)療保健和健身設(shè)備、智能門鎖等。

圖7：EFR32BG22系統(tǒng)框圖

（圖源：Silicon Labs）

顯示技術(shù)

作為一名設(shè)計(jì)工程師，顯示器選擇是高度優(yōu)先的，顯示模塊通常代表BOM表上第一、第二或第三個(gè)昂貴的項(xiàng)目。便攜式醫(yī)療設(shè)備中的顯示器選擇也必須遵循低功耗睡眠模式，大多數(shù)顯示器驅(qū)動(dòng)器都會(huì)具有超低功耗模式，并且能夠通過使用PWM背光控制來降低亮度，或者在OLED技術(shù)的情況下，只需使用正確的命令或寄存器設(shè)置。

觸摸屏控制（TSC）是實(shí)現(xiàn)便攜式醫(yī)療設(shè)備便利性的關(guān)鍵因素，它取代了傳統(tǒng)的鍵盤，大大減小了設(shè)備的整體尺寸。TSC實(shí)現(xiàn)了菜單驅(qū)動(dòng)的功能選擇、輸入輸出數(shù)據(jù)顯示的微調(diào)和放大，顯著增強(qiáng)了設(shè)備的易用性。所選解決方案的靜電（ESD）處理能力是實(shí)施TSC時(shí)需要考慮的重要因素。

傳感器接口和信號(hào)鏈技術(shù)

正確的信號(hào)鏈對于溫度、脈搏、血糖讀數(shù)和其他生物傳感器非常重要。在大多數(shù)應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者試圖在毫伏噪聲中找到微伏級信號(hào)。由于目標(biāo)信號(hào)的AC特性，需要有一個(gè)與高通濾波方案配合良好的放大器，以及性能優(yōu)異的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在，市場上一些集成度較高的MCU產(chǎn)品早已將這些功能吸收到產(chǎn)品中，構(gòu)成了功能強(qiáng)大的SoC解決方案，比如前面介紹的Microchip公司的SmartFusion FPGA。

結(jié)語

便攜式醫(yī)療設(shè)備的特點(diǎn)在于其低功耗、可靠性和經(jīng)濟(jì)高效的傳感器技術(shù)。它們有助于早期發(fā)現(xiàn)各種疾病，包括糖尿病和心血管疾病，這些便攜式設(shè)備的使用減少了用戶的就診次數(shù)。將便攜式醫(yī)療設(shè)備用于醫(yī)療保健行業(yè)，可以簡化和改善患者的護(hù)理過程，它們將來自醫(yī)院或醫(yī)生辦公室的護(hù)理帶到用戶家中，為患者提供更多的便利。

如今，便攜式醫(yī)療設(shè)備在全球監(jiān)測和管理醫(yī)療狀況方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。越來越多的設(shè)備通過新技術(shù)的助力，比如集成新的無線通信技術(shù)，從而產(chǎn)生更智能、直觀、聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備甚至是可穿戴設(shè)備。而這些設(shè)備正在廣泛地參與到對人們健康的監(jiān)測和追蹤過程，有的甚至還成為輔助的診斷工具?；谶@些變化，便攜式醫(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)也要緊跟市場趨勢，在功耗、系統(tǒng)性能、連接性、成本以及尺寸上都要有充分的考量，設(shè)計(jì)人員的工作任重而道遠(yuǎn)。