家用便攜式醫(yī)療電子設備的差異化設計

隨著更小、更便宜的便攜式家用護理技術(shù)替代大型昂貴的設備，市場上的醫(yī)療保健產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，而半導體技術(shù)的發(fā)展推動了家用醫(yī)療保健的普及和成本的降低。

據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計，2006年全球50歲以上的人口數(shù)量是6.5億，并且預計到2025年這個數(shù)字將達到12億。僅在美國，65歲以上的老人在人口中的比例就在不斷上升，并且有望在未來持續(xù)上升。

醫(yī)療保健市場非常大。據(jù)美國政府透露，美國在醫(yī)療保健領域支出了2.5萬億美元，占整個國家GDP的18%。ABI Research公司預測，到2014年將有5,900萬臺可佩戴的家用醫(yī)療保健設備投入使用，屆時可佩戴設備的總數(shù)將達到4.2億臺，其中包括體育和健身用設備。

Freedonia Group公司認為目前家用醫(yī)療保健設備的市值已遠遠超過70億美元，其中涉及的技術(shù)包括呼吸治療、靜脈(IV)注射、透析、病人監(jiān)護、輪椅、輔助步行、醫(yī)療設備和安全設備。

今天的醫(yī)療設備能給病人提供更低成本和更加安全的監(jiān)護方式，在某些情況下甚至可以在自己家里處理他們的健康狀況，減少了去醫(yī)院、診所或醫(yī)生辦公室的需要。醫(yī)療保健正變得越來越分散化。

便攜式家用醫(yī)療保健設備包括血糖儀、血壓計、心率監(jiān)視器、數(shù)字體溫計、脈搏血氧飽和儀、用于治療哮喘和其它呼吸疾病的哮喘儀、用于老人和殘疾人的跌落與運動檢測設備以及用于體重監(jiān)視和管理的數(shù)字秤，還有用于治療睡眠呼吸暫停的設備。許多家用健身設備也通過升級增加了保健測量和管理功能。

用于醫(yī)療設備的半導體技術(shù)

在互聯(lián)網(wǎng)連接的推動下，半導體IC性能和集成度得到了極大提升，進而推動著家用醫(yī)療保健設備的創(chuàng)新。有趣的是，這些半導體IC的發(fā)展拯救了上千條生命，并使許多人的壽命更長，這進一步提高了對保健醫(yī)療的要求，并增加了對更多醫(yī)療創(chuàng)新的需求。

設計師可以充分發(fā)揮傳感器、微控制器單元(MCU)、微處理器、DSP、模擬前端、存儲器、電源IC和發(fā)送器與接收器的功能。FPGA也能實現(xiàn)許多功能。這些解決方案都能達到很高的功能集成度。

許多IC功能正在推動家用保健醫(yī)療趨勢，特別是處理器和先進的傳感器。例如，DSP具有高運算能力，可用來實現(xiàn)新一代監(jiān)護產(chǎn)品。

先進的加速度計，比如ADI公司的ADXL345 iMEMS三軸數(shù)字加速度計，被廣泛用于上百萬臺游戲機、導航設備、蜂窩電話、汽車應用和其它消費產(chǎn)品。這些加速度計可確保家用數(shù)字血壓計的精度。它們可以檢測并確保測量時手臂相對于病人心臟的正確位置，從而實現(xiàn)最大的測量精度。

脈搏血氧儀是最近加入家用醫(yī)療保健監(jiān)護陣營的設備之一，而血氧飽和度是繼血壓、心率、呼吸率和體溫之后的第5個重要體癥。血氧儀可以用來測量血色素攜帶的氧氣含量。血色素是紅細胞的重要部分，用來將氧氣從肺部輸出到人體各處組織。

脈搏血氧儀(圖1)可以采用許多傳統(tǒng)的IC來設計，安森美公司表示。安森美在三年前收購了高級定制IC領先制造商AMI半導體公司。一些半導體IC制造商可以提供家用保健醫(yī)療應用所需的完整信號鏈功能。

圖1：脈搏血氧儀可以采用傳統(tǒng)的IC來設計，安森美為脈搏血氧儀方案提供棕色框圖中的IC。

“我們開發(fā)的AD5933阻抗分析芯片可以用來測量諸如人體脂肪和血液凝固度等參數(shù)，輸出可以鏈接到與醫(yī)生通信的家用保健終端。”ADI公司醫(yī)療保健部全球策略營銷經(jīng)理Paul Errico介紹，“這只是我們能夠提供的便攜式家用醫(yī)療保健產(chǎn)品中完整信號鏈(圖2)所需的IC之一?！?/p>

家用醫(yī)療保健設備市場給設計工程師提出了許多艱巨的挑戰(zhàn)，包括低功耗進而更長的電池壽命、魯棒和強大的數(shù)據(jù)處理能力、更加友好和簡單的用戶操作、無線連接以及更低的最終用戶成本。半導體IC制造商也越來越多地面臨這些挑戰(zhàn)。

TI公司的CC430平臺(圖3)包含了MSP430 MCU、CC1101射頻收發(fā)器系統(tǒng)級芯片(SoC)和智能外設，整個平臺采用9.1x9.1mm的64引腳四方扁平無引線(QFN)封裝。CC430采用128位安全加密算法和433、865、915MHz頻率通信，后兩種頻率是用戶可選的。TI公司還表示，MSP430是業(yè)界功耗最低的MCU，電源電壓從2.2V至5.5V，耗電僅330μA(3V和1MHz時)，待機模式時的漏電流僅0.1μA。

圖3：TI的CC430平臺包含了MSP430 MCU、CC1101射頻收發(fā)器、SoC和智能外設。

基于CC430的最新開發(fā)成果是TI公司的eZ430-Chronos運動手表(圖4)，這種手表支持運動以外的許多應用?！拔覀円呀?jīng)交付了11萬個eZ430開發(fā)套件?！盡SP430營銷經(jīng)理Adrian Valenzuela表示，“通過這些開發(fā)平臺，我們正在嘗試支持更多應用，像醫(yī)療(比如心率、脈搏、血糖值和體溫監(jiān)視)、家用自動化、業(yè)余愛好等。

圖4:基于CC430的eZ430-Chronos運動手表支持運動以外的許多應用。

Microchip科技公司在其PIC微控制器中采用了nanoWatt XLP超低功耗技術(shù)(圖5)，這種控制器可用于血糖儀等家用醫(yī)療保健設備。Microchip公司的PIC16、18和24F微控制器在電源關斷模式僅消耗100nA電流，并集成了800nA的看門狗定時器、實時時鐘和日歷電路。

 圖5：家用血糖儀電路需要超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。

一些公司使用專門針對低功耗優(yōu)化了的閃存微控制器單元實現(xiàn)手持式家用醫(yī)療保健設備，如血糖監(jiān)視儀。NEC電子公司的16位全閃存MCU基于公司的78kOR CPU內(nèi)核，工作電壓從3.3V至5V。這種MCU集成了LCD驅(qū)動器、12位模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC和DAC)、運放和電壓基準。在待機模式下，該MCU的消耗電流僅1.2μA。

“我們從20世紀90年代初就開始從事血糖儀業(yè)務，因此非常理解這種醫(yī)療設備的低功耗要求。”NEC公司首席技術(shù)營銷工程師Michael Clodfelter表示，“一些MCU制造商宣傳的nA級低功耗待機模式指標殺傷力過大。事實上，待機模式下約1μA就能保證血糖儀有足夠長的電池壽命。

Clodfelter還發(fā)現(xiàn)一個趨勢，即在便攜式醫(yī)療家用設備中使用32位MCU來提供更高的精度。事實上，NEC提供32位全閃存 V850ES(圖6)，在用于血糖儀時功耗僅90mW/Dhrystone。當時鐘頻率在5MHz至20MHz時，這種微控制器的管線式架構(gòu)執(zhí)行速度高達43個Dhhrystone MIPS(1.1)。
 

圖6：NEC提供32位全閃存 V850ES

呼吸監(jiān)視

用于呼吸監(jiān)視的便攜式測試儀是最近進入家用的醫(yī)療保健產(chǎn)品之一。一些較著名的呼吸疾病包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘和睡眠呼吸暫停。全球超過3億人患有哮喘。

KarmelSonix公司針對哮喘病人推出了哮喘儀。這種個人哮喘評估設備采用ADI公司的400MHz BF524 Blackfin DSP，是一種手持設備，放置在病人的喉嚨口。先由壓電傳感器從病人的呼吸中捕獲空氣流動的不規(guī)則數(shù)據(jù)，并饋送到DSP。然后由處理器判斷病人的呼吸速率，這個速率定義為喘息占用的呼吸周期持續(xù)時間。KarmelSonix公司表示，喘息速率是哮喘病人的一種動態(tài)和重要的哮喘發(fā)作測量參數(shù)。

KarmelSonix公司獲得專利的軟件算法應用了嚴格的標準來判斷喘息的出現(xiàn)。該公司透露，這些標準是由計算機處理的呼吸聲音分析(CORSA)提供的指南而確定的。

“哮喘儀還可以給家用以外的場合帶來方便。這種便攜式設備可以放在個人的背包里，哮喘儀的輸出數(shù)據(jù)可以通過筆記本電腦上的USB端口從任何地方下載到醫(yī)生或醫(yī)療提供商那里。”ADI公司策略營銷經(jīng)理Tony Zarola表示，“我們有望在EKG無線監(jiān)視設備中通過USB端口使用Blackfin DSP?！?/p>

為了推進便攜式家用醫(yī)療保健設備的開發(fā)，TI公司提供基于TMS320VC5505 DSP的開發(fā)套件。據(jù)TI公司稱，這些套件可以將產(chǎn)品上市時間加快至8個月。每個套件包含硬件和軟件設計工具，包括原理圖、樣例代碼、醫(yī)療特殊算法和其它間接性支持。

皇家菲利浦電子(Royal Philips Electronics)公司為家用醫(yī)療保健領域提供智能的睡眠呼吸暫停治療系統(tǒng)。這種Reprionics睡眠治療系統(tǒng)大約時鐘收音機大小(7x5.5x4英寸)，可以為中度至重度睡眠呼吸暫停癥病人提供治療方案。這個系統(tǒng)利用菲利浦開發(fā)的正向氣道壓力原理設計，通過一個面罩提供柔和的壓縮空氣流，以保持病人的氣道暢通。

“這是目前為止我們提供的睡眠呼吸暫停治療方面最復雜的產(chǎn)品，它的面世正當病人配合問題最突出的時候。”菲利浦公司家用醫(yī)療保健解決方案首席執(zhí)行官Donald Spence表示。

菲利浦公司還提供Trilogy 100便攜式家用生命支撐通風設備，可供成人和兒童使用。這種設計可以幫助護士和臨床醫(yī)生在家中和條件好的護理中心照看病人。

此外，菲利浦公司還在推廣家用醫(yī)療保健平臺顯示器終端，這種設備可以方便地通過病人家里的電視機或互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠程病人管理。這正是公司的Motiva交互平臺提供的功能。除了監(jiān)視重要的體癥外，這種設備還能提供教育信息和動機消息，并能用于與健康有關的測量。

Intel公司最近宣布正在測試Health Guide，一種用于醫(yī)療信息監(jiān)視和通信的PC機。這種PC機可以監(jiān)視患有慢性病的老年病人的重要體癥，并通過網(wǎng)絡向遠程的醫(yī)療提供者提供詳情。

Intel和GE都是康體佳健康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)的重量級成員，最近兩家公司聯(lián)合起來攻克針對家用和輔助生命裝置的醫(yī)療保健課題。康體佳健康聯(lián)盟成立于2006年，旨在解決導致醫(yī)療保健成本急速上升的生活方式、健康和人口發(fā)展趨勢問題。

康體佳健康聯(lián)盟由領先的醫(yī)療保健提供商、保險公司、醫(yī)院、制藥公司、半導體IC公司以及運動用品和醫(yī)療設備制造商組成。該組織致力于無線和有線通信協(xié)議的標準化，并幫助許多IC和醫(yī)療設備提供商積極參與便攜式家用醫(yī)療保健監(jiān)護設備市場。

互操作性

互操作性是家用醫(yī)療保健設備的重要目標。醫(yī)療設備和IC機構(gòu)認識到，要想繁榮家用醫(yī)療保健設備市場，這些設備必須具有較高成本效益和安全性，并能相互間或與其它病人信息資源實現(xiàn)快速通信。

“交互性是一個重要的課題，可以促進便攜式家用醫(yī)療保健市場的進一步發(fā)展?！盩I公司MCU醫(yī)療解決方案業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Rajesh Verma表示，“作為這方面工作的一部分，我們正積極協(xié)助康體佳健康聯(lián)盟完成所有可工作通信協(xié)議的標準化?！?/p>

康體佳健康聯(lián)盟最近選擇了2.4GHz低功耗藍牙和Zigbee醫(yī)療保健協(xié)議作為其互操作性設計指南的第二版本。由于低功耗藍牙在手機中的流行，低功耗藍牙可能成為家用醫(yī)療保健設備的標準配置。另一方面，TI的Steve Dean指出，ZigBee可能在用于病人和資產(chǎn)跟蹤的某些臨床裝置中占主導地位。

還有一些私有協(xié)議，如Dynastream Innovations公司分公司ANT Wireless的ANT。ANT是一種超低功耗無線2.4GHz協(xié)議，主要用于醫(yī)療保健和健身監(jiān)護應用。ANT Wireless公司表示，采用ANT協(xié)議的節(jié)點可以用鈕扣電池持續(xù)工作幾年時間，相比之下其它電池可持續(xù)數(shù)月。ANT是專門針對可靠靈活的數(shù)據(jù)通信設計的，可有效抵抗串擾。

對設計師工程師和醫(yī)療設計OEM商來說，無干擾的醫(yī)療監(jiān)護是一個重要課題。醫(yī)療監(jiān)護器和收發(fā)器設計必須發(fā)射低能量水平的信號，不能干擾周邊的其它信號。無線和有線傳輸必須滿足美國國家食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)嚴格的安全和可靠性要求。另外，發(fā)送的數(shù)據(jù)必須滿足病人和醫(yī)療提供商提出的嚴格隱私要求。

Nordic半導體公司在其nRF24AP2 8通道無線收發(fā)器中使用的就是ANT協(xié)議。最近該公司開始提供nRF8001 BLE芯片(圖7)樣品。

ABI Research公司預計，到2014年交付的低功耗藍牙芯片組將超過25億個，而這個市場的年復合增長率(CAGR)將達78%。這種芯片組的發(fā)展將反映低功耗藍牙的兩種不同實現(xiàn)，即雙模和單模，其中首先實現(xiàn)的將是單模芯片。

飛思卡爾半導體公司采用的是ZigBee醫(yī)療保健協(xié)議。飛思卡爾公司擁有近60%的市場份額，是基于ZigBee的收發(fā)器芯片的領先供應商，這種芯片完全符合IEEE 802.14.5標準。飛思卡爾公司也是傳感器、嵌入式處理器和電源管理器件的領先供應商，這些器件已被廣泛用于家用醫(yī)療保健設備，包括脈搏血氧儀、血糖儀、胰島素泵、注射泵、血壓監(jiān)視儀和個人監(jiān)護產(chǎn)品，如行動監(jiān)護儀、步行傳感器及可佩戴的恐慌告警器。

人體可穿戴網(wǎng)絡

像康體佳健康聯(lián)盟做的這些工作積極促進了人體佩戴無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，這些網(wǎng)絡也被稱為人體局域網(wǎng)(BAN)和個人局域網(wǎng)(PAN)。這些網(wǎng)絡使用低價、很低功耗、可互操作和無干擾的無線傳感器連接到像手表之類的實時顯示器，然后再連到家中的計算機。醫(yī)療信息最終將從這些計算機通過互聯(lián)網(wǎng)甚至無線方式發(fā)送給醫(yī)療設備提供者。

“無線監(jiān)護將允許醫(yī)療保健專家對老年人保持高度的警惕，同時又能讓這些老年人盡可能長時間地呆在家里。這種方法可以極大地降低成本，并使病人感到更加愉悅。”Nordic半導體公司業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Alf Helge Omre表示。

在比利時Lueven的IMEC Holsts中心，科學家們正在開發(fā)一種喚醒監(jiān)護用的BAN，通過測量四種人體生理參數(shù)來評估人的情緒狀態(tài)。這種BAN的開發(fā)是該中心Human++計劃的一部分，它用到了許多傳感器，而這些傳感器全都系在綁于全身的繃帶上。

檢測到的人體數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到作為基站的PC，供醫(yī)療和游戲領域的醫(yī)生或其他人作進一步分析。IMEC的科學家相信，這種方案可以給娛樂和醫(yī)療領域中的各種應用帶來很高的價值。

嵌入衣服和被褥等日常用品并用于監(jiān)視和提醒心臟病人癥狀的各種軟硬件是歐盟1,400萬歐元HeartCycle項目的一部分。雖然這種由聯(lián)網(wǎng)的傳感器和監(jiān)視器組成的系統(tǒng)不會代替病人與醫(yī)生之間面對面的交流，但它確實可以減少對這種面對面交流的需求。上述系統(tǒng)可以檢測和遠程監(jiān)視心臟運動的微小變化，并使這些變化變得更嚴重之前及時地得到處理。