可攜式醫療電子日漸普及

毫無疑問地，醫療電子市場正逐漸興起，半導體和系統業者紛紛跨入此領域，例如ADI、Intel、ST、TI等，系統業者則包括鴻海、廣達、英業達、微星等。

醫療電子領域相當廣泛，小至電子體溫計、大至核磁共振攝影皆在此範疇內，不過真正令人矚目的是可攜式醫療電子。其原因有三，一是先進各國人口持續高齡化，居家健康監護日益重要；二是新興國家的醫療建設尚未發達，需要遠距醫療作為輔助；三是天災地變頻繁，在災區現場、臨時救護站等地更格外需要可攜式醫療電子裝置。

《圖一 美國德州儀器（TI）提出的可攜式醫療裝置（Portable Medical Device）圖。 》 資料來源：TI.com

可攜式醫療電子產品項目也不斷增加，過去多為簡易的心跳、血壓、脈搏檢測，現在加入了血糖和體脂檢測，進一步還有血液含氧量（Pulse Oximetry；Pulse Oximeter）、骨質疏鬆（Bone Density）檢測，現在超音波（Ultrasound）掃描、電擊器（Defibrillator）等也開始有可攜型裝置出現。不僅心電圖記錄、腦波記錄等也開始可攜化，聽診器也能數位化，記錄留存聽取的聲音，再透過電腦進行分析，探析出醫生人耳難以察覺的問題。

如今，除了斷層掃描（CT Scan）、核磁共振掃瞄（MRI Scan）、正子掃瞄（PET Scan）等醫療影像系統外，幾乎各式醫療電子皆已具備可攜性，這正是未來數年內可攜式醫療電子將大幅成長的動力。

可攜式醫療電子類別

可攜式醫療電子可概分為侵入式與非侵入式兩種醫療模式，同時在運用屬性上亦可分成檢測（Diagnostic）、監護（Patient Monitoring）、施治（Therapy）等三類，其中非侵入式的進入門檻較低，而檢測、監護的風險也低於施治。

另外可攜式可再細分為二類，一是在院所內可用推車轉移位置的醫療設備，仍以電源插座供電運作，另一則是確實只用電池供電運作的設備，本文以下的談論將以後者為主。

可攜式醫療電子系統概述

設計一套可攜式醫療電子，必須先瞭解系統組成內容。多數可攜式醫療電子裝置皆具備感測器、放大器、運算放大器、資料轉換器、參考電壓、微控器、人機介面、電源管理等元件。其中人機介面和電源管理偏向輔助性質，整體運作的主軸在於感測器、放大器、運算放大器、一路到微控器間的過程。

在此主軸外，工程師依據不同的應用增加設計。多數可攜式醫療電子主要在於輸入性運作，不過有些需要輸出性控制。例如血壓器必須能驅動馬達，才可對手臂血管加壓；或者像是呼吸器在感測病患氣體呼出量後，進一步會調整氣閥以釋出新氧氣；此外與心電圖系統搭配的自動電擊器，也會在心跳衰竭時開始電擊病患心臟。

《圖二 台灣微星科技（MSI）研發的可攜式心電圖記錄分析器MyECG E3-80。僅65克重，使用2顆AAA電池運作，可同時偵測身體3處部位，再將偵測數據存於SD記憶卡中，每5分鐘記錄1次可連續記錄24小時，並已通過ANSI/AAMI EC38、IEC 60601認證。 》 資料來源：MSI.com

此外，長期監護型的心跳和血壓計需要搭配時間記錄，所以系統內必須設置即時鐘（Real Time Clock；RTC）。日後若要集中彙整資料，則需具備有線（如USB）、無線（如Bluetooth）等傳輸介面，以便將監護數據回傳至電腦。更進一步若有長期離線性的資料記錄需求，則裝置內必須具有儲存裝置或外接記憶卡（如SD）。

更有甚者，許多醫療院所已實施先進性的行政管理，每個病患掛號後會發予RFID識別手環，醫療設備能辨識和感應手環，使相關診測數據不至於錯亂對應；另外有些醫療設備也支援ZigBee無線感測傳輸，掌握設備在病院樓層或病房的動向，就近調度並避免失竊。

可攜式醫療電子系統細節

接下來進一步探究系統主軸。感測器（Sensor）是一切的最前端，不同的應用使用不同的感測器，例如血壓計使用壓力感測器、體溫計使用溫度感測器等。

完成感測後，接著是放大感測訊號，醫療攸關性命，因此感測器要高度靈敏，放大器（Amplifier；Amp）也必須力求低誤差，儀器級放大器便成為必備元件。

信號放大後仍為類比信號，且該信號必須經過進一步處理才能進行資料轉換，這個過程就交由運算放大器（Operational Amplifier；op-amp；OPA）負責，同樣地OPA也必須被高度要求，將偏移降至最低。

OPA將類比信號調整完成後即可進行轉換，透過類比數位轉換器（Analog Digital Converter；ADC）將類比信號轉換成數位數據，轉換運作還須有參考電壓器（Voltage Reference；Vref）作為輔助，高精密的參考電壓器能降低轉換的誤差。

轉換完成後數據送入微控器（Microcontroller；uC；MCU）內，進行高層次的邏輯演算，之後將演算結果顯示於人機介面上，或將結果儲存、或將結果傳輸至他處。

《圖三 歐洲意法半導體（ST）針對血液分析器（Blood Analyzer）所提出的功能方塊圖。 》 資料來源：ST.com

系統設計要點

瞭解細部過程後，即可認識到可攜式醫療電子的整體設計取向。為了輕巧攜帶方便，電路設計必須盡可能微型化，因此裝置需要整合度高的晶片；同時為力求檢測精準，晶片必須具備高精度、低誤差，甚至可快速運算；可攜式產品盡可能長時間連續使用，所以低功耗也是必備功能。

整體來看，可攜式醫療應用晶片必須具備高整合度、高精度、高效能、高度抗環境性、高度安全可靠、低功耗等特性，醫療電子市場競爭日趨激烈，成本逐漸成為競爭要項，例如一般性的電子體溫計已朝向成本競爭階段。

可攜式醫療應用對於電子工程設計要求嚴謹，再加上相關產業各項法規要求，技術門檻因而提高，不過醫療電子市場高成長率及初期高單價誘因，讓廠商相繼投入研發。

《圖四 德儀針對可攜式超音波掃瞄器應用而提出的類比前端整合晶片AFE58xx，使用該晶片將比傳統離散設計的類比前端電路節省50％電路面積、20％功耗、及40％雜訊。 》 資料來源：TI.com

醫療應用取向的差異設計

除了系統執行主軸之外，依據不同應用的差異設計也非常重要。

首先是血壓計。血壓計在資料轉換時需要12bit～16bit解析度的轉換，同時需要控制馬達，此方面多用脈寬調變（Pulse-Width Modulation；PWM）方式控制。

至於心電圖、腦波圖等監護儀器（Electrocardiogram；ECG，Electroencephalogram；EEG）方面，由於此類應用通常同時監督人體多處部分，所以需要多組通道感測設計，同時也要對應多組通道的信號處理和資料轉換，因此不若血壓計僅需1組通道。

此外，心電圖、腦波圖裝置不需要像血壓計對馬達進行控制，但有些心電圖則會連結自動體外電擊器（Automatic External Defibrillator；AED）。更重要的是，心電圖、腦波圖所感測的信號必須加以演算才具有意義，此時必須使用數位信號處理器（DSP）而非微控器，或者是具備DSP功效的微控器和微處理器，如數位信號控制器（Digital Signal Controller；DSC）或異質雙核處理器。心電圖、腦波圖等數位信號運算主要是進行帶通濾波（Band Pass Filter）運算。

《圖五 美國亞德諾（ADI）針對可攜式自動外部電擊器所提出的功能方塊圖。 》 資料來源：ADI.com

而血壓計僅使用MCU即可，ECG/ECG則需要使用到DSP運算，血糖分析等血液分析器則是可使用MCU也可使用DSP。

進一步地，檢測血中含氧量的血氧器及高精度的體溫計，都需要12bit解析度以上的資料轉換，而超音波檢測也需要10bit以上的資料轉換，且超音波與ECG/EEG相同，同一時間要進行多組通道轉換，通道組數愈多亦表示電路將愈龐雜。

比較特別的是成本取向的電子體溫計，設計相對簡單，感測器之後、微控器之前的前端部分沒有前述的Amp、OPA、ADC等繁複程序，只需使用數位I/O接腳構成的RC電阻電容電路，再搭配比較器、計時器等即可量測體溫。

《圖六 TI將心電圖檢測（ECG）及自動外部電擊器（AED）進行整合，ECG部分用DSP控制，AED部分用MCU控制。 》 資料來源：TI.com

其他相關設計

除了上述的主設計外，其他部分也必須留意，包括使用觸控螢幕（Touch Screen）時，觸控對電子系統可能的靜電傷害（ESD）也必須排除；若使用鋰電池則須有降低過熱、過充等保護設計；偵測剩餘電量也力求精準，此必須使用庫倫計量法，而不宜使用電池電壓偵測後的類比數位轉換法。

另外為了確保產品安全與穩定性，則可能限制使用原廠所提供的電池，這時就必須加入原廠電池的辨識設計。此外為力求節能，若有揚聲需求時，可使用D類音效功率放大器，比較不建議使用AB類放大器。

趨勢及建議

長期來看，可攜式醫療電子必然是以維持現有檢測水準為前提，不斷朝向更輕薄短小、省電、耐用、降低價格的方向發展，有些晶片業者看好超音波掃瞄器的可攜式前景，整合掃瞄器的前端電路，推出整合型類比前端（Analog Front-End；AFE）晶片。如此不僅可節省電路系統設計面積，還能降低功耗並減少雜訊干擾。

MCU方面也可進行更多整合設計，例如整合Vref和ADC，降低電子工程師另外物色、評估、設計外接電路的負擔，或者採用內建USB省去橋接晶片的外接設計。

非侵入式且偏消費性的可攜式醫療電子產品，或許對於台灣廠商而言是較為適合的切入點，若能同時善用整合度高的晶片，搭配低成本設計手法，台灣廠商在可攜式醫療電子領域將可快速斬獲，逐步朝向關鍵性應用邁進。