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分散医疗保健的半导体解决之道

我爱方案网| 便携式,医疗电子,WHO| 2011-05-20
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    * 用于医疗设备的半导体技术


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随着更小、更便宜的便携式家用护理技术替代大型昂贵的设备,市场上的医疗保健产品数量不断增加,而半导体技术的发展推动了家用医疗保健的普及和成本的降低。

据世界卫生组织(WHO)统计,2006年全球50岁以上的人口数量是6.5亿,并且预计到2025年这个数字将达到12亿。仅在美国,65岁以上的老人在人口中的比例就在不断上升,并且有望在未来持续上升。

医疗保健市场非常大。据美国政府透露,美国在医疗保健领域支出了2.5万亿美元,占整个国家GDP的18%。ABI Research公司预测,到2014年将有5,900万台可佩戴的家用医疗保健设备投入使用,届时可佩戴设备的总数将达到4.2亿台,其中包括体育和健身用设备。

Freedonia Group公司认为目前家用医疗保健设备的市值已远远超过70亿美元,其中涉及的技术包括呼吸治疗、静脉(IV)注射、透析、病人监护、轮椅、辅助步行、医疗设备和安全设备。

今天的医疗设备能给病人提供更低成本和更加安全的监护方式,在某些情况下甚至可以在自己家里处理他们的健康状况,减少了去医院、诊所或医生办公室的需要。医疗保健正变得越来越分散化。

便携式家用医疗保健设备包括血糖仪、血压计、心率监视器、数字体温计、脉搏血氧饱和仪、用于治疗哮喘和其它呼吸疾病的哮喘仪、用于老人和残疾人的跌落与运动检测设备以及用于体重监视和管理的数字秤,还有用于治疗睡眠呼吸暂停的设备。许多家用健身设备也通过升级增加了保健测量和管理功能。
用于医疗设备的半导体技术

在互联网连接的推动下,半导体IC性能和集成度得到了极大提升,进而推动着家用医疗保健设备的创新。有趣的是,这些半导体IC的发展拯救了上千条生命,并使许多人的寿命更长,这进一步提高了对保健医疗的要求,并增加了对更多医疗创新的需求。

设计师可以充分发挥传感器、微控制器单元(MCU)、微处理器、DSP、模拟前端、存储器、电源IC和发送器与接收器的功能。FPGA也能实现许多功能。这些解决方案都能达到很高的功能集成度。

许多IC功能正在推动家用保健医疗趋势,特别是处理器和先进的传感器。例如,DSP具有高运算能力,可用来实现新一代监护产品。

先进的加速度计,比如ADI公司的ADXL345 iMEMS三轴数字加速度计,被广泛用于上百万台游戏机、导航设备、蜂窝电话、汽车应用和其它消费产品。这些加速度计可确保家用数字血压计的精度。它们可以检测并确保测量时手臂相对于病人心脏的正确位置,从而实现最大的测量精度。

脉搏血氧仪是最近加入家用医疗保健监护阵营的设备之一,而血氧饱和度是继血压、心率、呼吸率和体温之后的第5个重要体症。血氧仪可以用来测量血色素携带的氧气含量。血色素是红细胞的重要部分,用来将氧气从肺部输出到人体各处组织。

脉搏血氧仪(图1)可以采用许多传统的IC来设计,安森美公司表示。安森美在三年前收购了高级定制IC领先制造商AMI半导体公司。一些半导体IC制造商可以提供家用保健医疗应用所需的完整信号链功能。

图1:脉搏血氧仪可以采用传统的IC来设计,安森美为脉搏血氧仪方案提供棕色框图中的IC。

 

“我们开发的AD5933阻抗分析芯片可以用来测量诸如人体脂肪和血液凝固度等参数,输出可以链接到与医生通信的家用保健终端。”ADI公司医疗保健部全球策略营销经理Paul Errico介绍,“这只是我们能够提供的便携式家用医疗保健产品中完整信号链(图2)所需的IC之一。”

家用医疗保健设备市场给设计工程师提出了许多艰巨的挑战,包括低功耗进而更长的电池寿命、鲁棒和强大的数据处理能力、更加友好和简单的用户操作、无线连接以及更低的最终用户成本。半导体IC制造商也越来越多地面临这些挑战。

TI公司的CC430平台(图3)包含了MSP430 MCU、CC1101射频收发器系统级芯片(SoC)和智能外设,整个平台采用9.1x9.1mm的64引脚四方扁平无引线(QFN)封装。CC430采用128位安全加密算法和433、865、915MHz频率通信,后两种频率是用户可选的。TI公司还表示,MSP430是业界功耗最低的MCU,电源电压从2.2V至5.5V,耗电仅330μA(3V和1MHz时),待机模式时的漏电流仅0.1μA。

图3:TI的CC430平台包含了MSP430 MCU、CC1101射频收发器、SoC和智能外设。

 

基于CC430的最新开发成果是TI公司的eZ430-Chronos运动手表(图4),这种手表支持运动以外的许多应用。“我们已经交付了11万个eZ430开发套件。”MSP430营销经理Adrian Valenzuela表示,“通过这些开发平台,我们正在尝试支持更多应用,像医疗(比如心率、脉搏、血糖值和体温监视)、家用自动化、业余爱好等。

图4:基于CC430的eZ430-Chronos运动手表支持运动以外的许多应用。

Microchip科技公司在其PIC微控制器中采用了nanoWatt XLP超低功耗技术(图5),这种控制器可用于血糖仪等家用医疗保健设备。Microchip公司的PIC16、18和24F微控制器在电源关断模式仅消耗100nA电流,并集成了800nA的看门狗定时器、实时时钟和日历电路。

图5:家用血糖仪电路需要超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。

一些公司使用专门针对低功耗优化了的闪存微控制器单元实现手持式家用医疗保健设备,如血糖监视仪。NEC电子公司的16位全闪存MCU基于公司的78kOR CPU内核,工作电压从3.3V至5V。这种MCU集成了LCD驱动器、12位模数和数模转换器(ADC和DAC)、运放和电压基准。在待机模式下,该MCU的消耗电流仅1.2μA。

“我们从20世纪90年代初就开始从事血糖仪业务,因此非常理解这种医疗设备的低功耗要求。”NEC公司首席技术营销工程师Michael Clodfelter表示,“一些MCU制造商宣传的nA级低功耗待机模式指标杀伤力过大。事实上,待机模式下约1μA就能保证血糖仪有足够长的电池寿命。

Clodfelter还发现一个趋势,即在便携式医疗家用设备中使用32位MCU来提供更高的精度。事实上,NEC提供32位全闪存 V850ES(图6),在用于血糖仪时功耗仅90mW/Dhrystone。当时钟频率在5MHz至20MHz时,这种微控制器的管线式架构执行速度高达43个Dhhrystone MIPS(1.1)。

图6:NEC提供32位全闪存 V850ES

人体可穿戴网络
像康体佳健康联盟做的这些工作积极促进了人体佩戴无线传感器网络的发展,这些网络也被称为人体局域网(BAN)和个人局域网(PAN)。这些网络使用低价、很低功耗、可互操作和无干扰的无线传感器连接到像手表之类的实时显示器,然后再连到家中的计算机。医疗信息最终将从这些计算机通过互联网甚至无线方式发送给医疗设备提供者。

“无线监护将允许医疗保健专家对老年人保持高度的警惕,同时又能让这些老年人尽可能长时间地呆在家里。这种方法可以极大地降低成本,并使病人感到更加愉悦。”Nordic半导体公司业务发展经理Alf Helge Omre表示。

在比利时Lueven的IMEC Holsts中心,科学家们正在开发一种唤醒监护用的BAN,通过测量四种人体生理参数来评估人的情绪状态。这种BAN的开发是该中心Human++计划的一部分,它用到了许多传感器,而这些传感器全都系在绑于全身的绷带上。

检测到的人体数据通过无线方式发送到作为基站的PC,供医疗和游戏领域的医生或其他人作进一步分析。IMEC的科学家相信,这种方案可以给娱乐和医疗领域中的各种应用带来很高的价值。

嵌入衣服和被褥等日常用品并用于监视和提醒心脏病人症状的各种软硬件是欧盟1,400万欧元HeartCycle项目的一部分。虽然这种由联网的传感器和监视器组成的系统不会代替病人与医生之间面对面的交流,但它确实可以减少对这种面对面交流的需求。上述系统可以检测和远程监视心脏运动的微小变化,并使这些变化变得更严重之前及时地得到处理。


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