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家用医疗保健电子设备设计探讨

我爱方案网| 家用医疗,保健电子,MEMS | 2012-01-20
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中心议题:
    *  家用医疗电子设备的要求
    *  尺寸通常是主要的设计约束条件
    *  如何降低功耗

美国食品与药物管理局(FDA)指出:在医疗设备产业中,家庭卫生保健是发展最快的领域。受到人类平均寿命延长,慢性病患者越来越多以及保健成本越来越高等原因的推动,越来越多更“智能”、“友好”的医疗设备正在进入家庭消费市场。

这些医疗保健产品包括:血糖仪、数字血压计、血气分析仪、数字脉搏和心率监视器、数字温度计、怀孕测试仪、透皮给药系统、透析系统和氧浓缩器等。其中许多仪器可以用无线方式通过互联网连接到医护人员的办公室,实现对重症病人的持续在线监视和诊断。

由于医疗电子产品使用的技术越来越复杂,为了确保包括医护人员、病患本人以及最重要的家庭用户在内的每个人都能安全有效地使用这些产品,对这些产品的设计要求越来越高,并且其中许多要求可能存在冲突。对于设计师来说,所有这一切则意味着要在给定空间的芯片或电路板上实现更多的功能,同时尽可能低地降低功率。

“在选择用于家庭保健电子产品的IC时,设计师面临的最大的问题是如何合理地平衡各方面问题,如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、长寿命和高安全性等。”Microchip公司医疗电子产品部高级经理SteveKennelly解释说,“需要多大的处理能力取决于医疗电子设备的使用者是谁。”

许多医疗电子设备的生产量都不是很大,因此很难通过自动化制造工艺取得较低的市场成本。当然一个积极的信号是这些产品中的单个电子器件(传感器、MCU、显示器、存储器等)的价格在不断下滑。

医疗电子设备面临的另外一个障碍是如何实现远高于非医疗电子设备所要求的密封性,而全面微型化使得密封性更难实现。

了解家用医疗电子设备的要求

对医生等专业人士来说操作医疗电子设备是得心应手的事,因为他们培训过这些仪器的使用。而对家庭病人来说,操作简单极其重要。幸运的是,最新的高集成度芯片、复杂的DSP和微控制器、高密度闪存和先进的微机电系统(MEMS)传感器都有助于实现这个目标。

“我们欢迎这些看起来似乎矛盾的要求,因为它们给我们提供了创新的机会。”AMI半导体公司医疗业务部副总裁ToddSchneider表示,该公司的医疗电子设计很多都使用了专用标准产品(ASSP)和专用集成电路(ASIC),“我们进入医疗电子行业已经20多年了,因此非常理解这些设备所面临的技术挑战。”

取决于具体的实际应用,每种保健医疗电子产品的性能优先级设置会有所不同。例如,对于便携式血糖计(经常使用一次性化学试验带)等产品来说,低成本是优先等级最高的参数。而便携式家用透析系统必须将可靠性和长寿命作为设计中最优先考虑的要求,成本则在其次。像起搏器等可植入设备必须具有高可靠性、小体积和长寿命,并且功耗要尽可能小,成本在这种情况下不是主要的考虑因素。

尺寸非常重要

由于人们对医疗电子产品提出了众多的性能要求,工程师不得不面对各种设计权衡。这意味着他们在决定使用何种类型的传感器、模数转换器、放大和滤波、控制和数据处理、电源、显示器以及无线收发器电路时需要仔细权衡。

尺寸通常是主要的设计约束条件,特别是对医疗植入电子产品来说,最小的组织切入是绝对必须的。这种植入产品一般包含一个传感器、一些信号处理电路或者一个发射器,所有这些器件需要装入微型导管或探针内然后插入人体组织。小尺寸也使医生或医护人员更容易将植入产品放进人的身体。

例如,一些包含了传感器、摄像机和射频发射器的智能药丸可以用来清晰和非侵入式地观察身体内部器官。DexCon公司的可植入式血糖监视器就采用了AMI半导体公司提供的超低功率ASIC系统级芯片,它通过402-405MHz频率范围内的射频传输功能连续监视糖尿病患者病情。

一次性血糖仪也将越来越小,目前的典型尺寸与手持式个人数字助理(PDA)一样大。有些血糖仪甚至只有小型腕表那么大,但内部还是包含了传感器、微控制器、液晶显示器(LCD)和电池。这些仪器通常使用光学或电气化学传感器测量血糖值。病人只需刺破手指往一次性测试带上滴一滴血,血糖仪就能读出血糖值。机器和测试带的一次性使用也必须得采用低成本设计。

无线心电图(ECG)Holter监视仪是一个很好的微型化例子。使用ADI公司现有IC设计的这个监视器非常小,可以安装在ECG电极的背部。由于具有较低的噪声和大幅降低的干扰信号,这种监视仪可以比传统设计提供更精确的信号。

降低功耗


更低功耗是医疗产品梦寐以求的目标,特别是电池供电和便携式家用设备。简单来说,功率降低意味着更长的电池寿命。它还能让设计师灵活地使用更小的电池,充分发挥具有功率管理性能的最新MCU芯片的优势。

不过,低功耗并不总是与更小的电池尺寸联系在一起。当运算能力要求很大时,就像耳蜗可植入听力设备那样,电池可能比电路的体积还要大。耳蜗可植入设备必须工作在动态模式,静态的‘睡眠’模式很难使用。这些植入产品的供电一般来自配戴在耳朵外部的感应式电源,这些产品必须使用快速时钟速率并以宽动态范围连续工作,因此要消耗大量的功率。
 

 


影响功耗的另外一个问题是IC的制造工艺。采用0.13μm工艺制造的IC具有比采用更宽线径制造的前代IC更大的漏电流和静态功耗。“我们在制造过程中通过优化IC晶圆的化学成份来降低功耗。”AMI半导体公司的ToddSchneider表示。

降低IC的工作电压以及仔细管理电容效应对减少漏电流大有帮助。这正是医疗电子系统制造商采用(三维封装中)芯片堆叠方式取代在有限大小的平面上挤压每个器件占板面积的原因。

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