SoC微處理器推動便攜式醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)新發(fā)展

 便攜式醫(yī)療設(shè)備正不斷改進數(shù)以百萬計患者的醫(yī)療保健條件。諸如血糖監(jiān)測儀、心率檢測儀、可吞咽胃腸 (GI) 道檢測儀以及止痛植入物等眾多設(shè)備都在不斷提升慢性或急性疾病患者的生活質(zhì)量。便攜式自動除顫器可以挽救急病患者的生命。運動手表不僅能夠無線記錄用戶的心率、測量距離、進行腳步計數(shù)，而且還可實現(xiàn)能最大限度發(fā)揮有氧訓練優(yōu)勢的其它功能。未來幾年中，還將繼續(xù)推出眾多能顯著改善醫(yī)療實施及其效果的創(chuàng)新型醫(yī)療應用產(chǎn)品。

實際上，所有這些便攜式產(chǎn)品都需要采用低功耗微處理器 (MCU) 來接收用戶或操作員的指令，并提供讀數(shù)與狀態(tài)更新。由于幾乎所有此類產(chǎn)品都依靠電池運行，因而不斷延長電池使用壽命成為需要重點考慮的事項。盡管這些產(chǎn)品在電池使用壽命需求方面各有不同，不過一般電池更換間隔在 2~10 年之間。另外，這些受空間限制的產(chǎn)品通常需要采用高度集成的模擬組件，以便將信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換至能夠?qū)ζ溥M行處理和譯碼的數(shù)字域。

滿足便攜式醫(yī)療領(lǐng)域的微處理器需求給半導體企業(yè)帶來了挑戰(zhàn)。雖然工程設(shè)計無外乎是在相對立的功能、規(guī)范以及空間限制條件之間進行取舍，但是這種平衡取舍在便攜式醫(yī)療領(lǐng)域往往非常棘手。醫(yī)療市場的相關(guān)需求往往很難協(xié)調(diào)，如小尺寸與高功能性、低功耗與高性能模擬，以及超長電池使用壽命與高處理能力等。這些產(chǎn)品需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、可調(diào)節(jié)增益、電源管理以及液晶顯示屏 (LCD) 等。

本文將探討的主題包括：醫(yī)療市場的部分創(chuàng)新產(chǎn)品;醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的一般趨勢，以及;如何采用 SoC微處理器改進未來的設(shè)備。

創(chuàng)新

推出超低功耗的高集成度 MCU 催生了能緩解患者病痛、改進其護理并提高生活質(zhì)量的產(chǎn)品。圣猶達醫(yī)療用品公司 (St. Jude Medical company) 旗下 Advanced Neuromodulation Systems 公司推出的 Eon 脊髓刺激器就是用于治療慢性疼痛的可植入裝置的示例之一(圖 1)。植入的系統(tǒng) (implantable device) 可以向脊髓附近的導體發(fā)送微弱的電脈沖，其可屏蔽或阻斷從神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)送到大腦的痛感，用一種稱為感覺異常的更舒適感覺替代疼痛感覺。

圖 1 影像由圣猶達醫(yī)療用品公司供。Eon 脊髓刺激系統(tǒng)已獲準用于治療軀干與四肢慢性疼痛以及腰椎手術(shù)失敗綜合征。植入臀部的系統(tǒng)可以向脊髓附近的導體發(fā)送微弱的電脈沖。這些脈沖可以阻斷發(fā)送到大腦的疼痛信號。

SmartPill 是最近推出的另一款有趣的產(chǎn)品(見圖 2)，它精巧的設(shè)計使患者能夠吞入體內(nèi)，進行胃腸道狀況的監(jiān)測。在穿越胃腸道的過程中，它能夠以無線方式向便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。以前從胃腸道采集數(shù)據(jù)的方法對患者造成的創(chuàng)傷較大，而且/或者相當不便利。這種設(shè)備必須同時滿足超小外形與超長電池使用壽命兩方面的要求。

圖 2

從 SmartPill 系統(tǒng)可以看出，RFID、ZigBee 和 802.15.4 等低功耗無線協(xié)議及其它專有協(xié)議已經(jīng)大幅提升了醫(yī)療領(lǐng)域的創(chuàng)新水平。除了以患者為中心的產(chǎn)品之外，多家公司最近還宣布推出了基于無線協(xié)議的資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng)，旨在追蹤醫(yī)院設(shè)備與工作人員。

集成

便攜式醫(yī)療設(shè)備可顯著受益于現(xiàn)代 SoC 與板上 MCU 的高集成度。如果不能在狹小的空間內(nèi)為提供更多功能而進行高度的模擬集成，諸如此類的微小型產(chǎn)品就只能是紙上談兵。

圖 3 顯示的是可以用作血糖監(jiān)測儀或脈博血氧測定儀等便攜式醫(yī)療產(chǎn)品 SoC 的現(xiàn)代微處理器方框圖。這種集成型微處理器是驅(qū)動上述設(shè)備的唯一 IC。這類通常用于醫(yī)療應用的微處理器可包含以下功能：

高性能 ADC，通常不低于 12 位

用于自動增益控制等信號調(diào)節(jié)的運算放大器

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，有時用于反饋

基于段的 LCD 驅(qū)動器

用于 ADC 的高性能參考電壓

集成閃存與 RAM 存儲器

電源管理與監(jiān)控器，這類產(chǎn)品通常可以直接采用一顆紐扣鋰電池或兩節(jié)堿性電池運行。

圖 3

高集成度優(yōu)勢眾多，其中包括可縮減 PCB 面積、降低制造成本、簡化采購流程并最大限度降低功耗。只要對閃存進行電路內(nèi)編程，則集成的閃存與 RAM 不但可以用作程序與數(shù)據(jù)存儲器，而且還可以用作數(shù)據(jù)記錄存儲器。

MSP430FG4270 MCU 就是一款可實現(xiàn)成本優(yōu)勢的高度集成器件的很好例證，其集成了 ADC、DAC、可編程增益運算放大器、高精度電壓基準以及 LCD 驅(qū)動器。采用獨立芯片實現(xiàn)這種芯片的高級模擬性能不但會使物料清單 (BOM) 成本大約增加 1 美元，更不必提額外提高的采購、物流與制造成本。這些附加費用在設(shè)計階段很容易被忽視，但往往會造成大量問題，尤其是在一種或多種組件存貨不足而導致停產(chǎn)的情況下就會不堪重負。

此外，能夠選擇存儲器的大小也會給設(shè)計人員帶來巨大優(yōu)勢。由于存儲器大小與裸片大小之間存在大致上的線性關(guān)系，因此 MCU 的成本與存儲器的大小成正比。如果對編程存儲器的初步估計較低，則根據(jù)編程需求選擇存儲器大小不但可以優(yōu)化 BOM 成本，而且還可降低風險。此外，僅使用固件和 BOM 選項即可借助這種能力讓不同等級的最終產(chǎn)品具備不同數(shù)量的功能。

低功耗

設(shè)備電池的更換周期越長，最終用戶的滿意度或者患者的舒適度就越高。另外，大多數(shù)便攜式醫(yī)療設(shè)備中的 MCU 大多數(shù)時間都處于待機(睡眠)模式。也就是說，實現(xiàn)超低待機電流的能力是設(shè)備電池使用壽命的主要因素。

對于頻繁轉(zhuǎn)換待機模式的產(chǎn)品(如數(shù)據(jù)記錄儀)，另一個關(guān)鍵參數(shù)是從待機模式到喚醒所需的時間。MCU 退出待機模式時耗費的能量往往會與其進行全負載處理時需要的能量相當。由于 MCU 在喚醒階段不執(zhí)行有用的處理，也即用于退出待機模式的能量實際上是浪費掉了，因而必須縮短短喚醒時間。此外，現(xiàn)代的 MCU 也需要快速喚醒以響應觸發(fā)事件。例如，TI 的部分 MSP430 MCU 可以在穩(wěn)定時鐘不到 1 微秒的時間內(nèi)進入完全運行模式，從而實現(xiàn)近乎實時的待機退出運行。

由于 MCU 激活的每個周期都會消耗能量，因此盡可能縮短處理時間就成為延長電池使用壽命的關(guān)鍵。低功耗 MCU 包含許多有助于最大限度縮短處理時間的功能。例如，在執(zhí)行數(shù)據(jù)分析之前的一定時期內(nèi)產(chǎn)品需要從 ADC 采集數(shù)據(jù)。如果 MCU 在數(shù)據(jù)采集期間處于激活狀態(tài)，則處理器勢必會浪費不必要的能量。通過讓 ADC 采集數(shù)據(jù)并將其保存到存儲器中，某些 MCU 能夠采用直接存儲器存取功能來盡可能縮短所必須激活處理器的時間。一旦采集到所需樣本數(shù)，處理器就會退出待機模式，隨即分析數(shù)據(jù)并輸出相關(guān)結(jié)果。

如前所述，能最大限度地降低功耗是高集成度的另一大優(yōu)勢。MCU 可以更加簡單精確地控制運算放大器、DAC 或 ADC 等外設(shè)的啟動和關(guān)閉，而且可以在不需要的時候自動關(guān)閉這些外設(shè)。運算功耗是另一個關(guān)鍵參數(shù)。盡管 MCU 激活狀態(tài)的運行時間相對較短，但如果運算功耗較高，為了檢查電池電壓電平等各種狀態(tài)而從待機模式將其喚醒會很快耗盡電池電量。此外，由于某些產(chǎn)品采用 ZigBee、802.15.4 等無線協(xié)議或 TI 的 SimpliciTI 等專有無線協(xié)議，這類系統(tǒng)可能需要更頻繁的喚醒來保持無線網(wǎng)絡(luò)。有趣的是，即使醫(yī)療設(shè)備在日常測量時僅啟動很短一段時間——僅使用低于 1.1µA 的 MCU 待機電流，但是低激活功耗對保持低平均電流消耗往往也顯得至關(guān)重要。

封裝

要滿足便攜式醫(yī)療產(chǎn)品對外形尺寸的要求通常意味著需要采用球柵陣列 (BGA) 封裝或芯片級封裝 (CSP)。實現(xiàn)更小尺寸的代價是這類封裝將比傳統(tǒng)的引線封裝更加難以制造。另外，設(shè)計和調(diào)試過程中可能需要借助 X 光檢測才能確保焊盤焊接完好，而且 CSP 或 BGA 的再加工難度也比引線封裝的更高。

雖然尺寸較大的四方扁平封裝或塑封小外形封裝能夠讓設(shè)計人員輕松探測與監(jiān)控引腳的信號，但是由于設(shè)計人員能夠采用概念驗證階段開發(fā)出的代碼與原理圖，原型化階段能夠直接采用尺寸更小的封裝將可以節(jié)省大量時間。

SoC 推進實現(xiàn)突破性創(chuàng)新

醫(yī)療行業(yè)正處于一個令人振奮的發(fā)展時期，醫(yī)療市場的創(chuàng)新技術(shù)也正在不斷提升全世界患者的生活品質(zhì)。終有一天，我們每個人都將會從當前的創(chuàng)新與醫(yī)療進步中受益匪淺。健康與醫(yī)療設(shè)計人員、制造商和創(chuàng)新者正在不斷發(fā)揮當今微處理器在低功耗、高處理能力和高性能模擬集成方面所具有的巨大優(yōu)勢。如果市場產(chǎn)品對尺寸、電池使用壽命或精度的設(shè)計要求太過苛刻，那么工程師應當能從微處理器 SoC 所提供的功能中找到滿意的答案。