账号:
密码:
最新动态
产业快讯
CTIMES / 文章 /
可携式医疗监控系统之设计挑战
 

【作者: Jonathan Bearfield】2008年03月27日 星期四

浏览人次:【4786】

政府和医疗机构正努力将医疗看护的决定权交到病患手里。为了让病患有更多时间待在家里,而不是整天留在医院或医生的办公室,医界已开始使用携带方便并可远距连线的医疗监控系统,包括血糖计到可携式心电图系统等所有的相关仪器。


《图一 可携式医疗监控系统》
《图一 可携式医疗监控系统》

可携式医疗产品的发展重点在于使其更便于携带并具备远程连线能力,并能迅速搜集资料及确保资料品质。过去「可携式」指有轮子,且能通过房门不被阻挡的设备。但今日这项概念已经改变,许多医疗装置现在都能随处移动,有些甚至能穿戴在身上。这当然会带来许多如产品体积和内部电路设计的挑战。


所有可携式医疗监控装置都是由下列5个基本建构要素组成 ,如图二:


  • ●显示器和显示介面


  • ●电池和电源管理


  • ●生物特征感测器界面


  • ●资料介面


  • ●系统微控制器或DSP




《图二 可携式医疗电子产品的主要功能方块》 - BigPic:659x451
《图二 可携式医疗电子产品的主要功能方块》 - BigPic:659x451

随着系统不同,这些要素的效能显然也有差异。


显示器

可视性 (visibility) 是显示装置的重要效能之一,选择正确的背光源解决方案可以增强这方面的效能,这对病患读取画面上的体温值、心电图或其它数据都有帮助。可携式系统的电源是由电池提供,因此无论背光解决方案采用电感设计或是以电荷泵浦为基础的较简易架构,它们只要提供宽广的输入电压范围,就能为系统省下额外的稳压电路。若要让设计更有弹性,便须采用可支援不同电池升降压的解决方案;当然,解决方案体积和总电源效率对系统都很重要,使用高整合与先进封装的元件有助于提高系统效率和降低成本。


触控萤幕控制不仅能简化可携式电子产品的使用,还能免除传统的按键以大幅缩小产品体积。触控萤幕控制可用来提供萤幕功能选单、输入/输出资料显示微调,以及在萤幕上显示更大和更容易使用的触控按键。选择触控萤幕控制解决方案时,必须注意它的静电承受能力。如果触控萤幕控制电路无法消除静电突波能量,这股能量就会通过电路而造成中央微控制器或DSP损坏。触控萤幕控制的其他考量包括解析度与萤幕尺寸的关系、转换方式与速度,以及总耗电量。


感测器界面与讯号链

无论读取体温、脉博、血糖或其它生物特征的感测器,关键都在于使用适当的讯号链。仪表放大器是讯号链的第一级电路,如图二。例如INA326就是一款微功耗放大器,不仅输入电压偏移和温度漂移很小,还提供高直流精确度和强大交流效能。在多数设计里,电路必须从数毫伏的杂讯中取出强度仅数微伏的讯号。由于目标讯号具有交流特性,这类电路需要一个能与高通滤波机制配合的放大器。他们还能使用自动归零或自动校正功能,进一步简化系统补偿要求。


第二级电路通常是低耗电运算放大器,例如具有高频宽、Rail-to-Rail输入和输出、以及优异精准度的OPA376放大器。零交越 (zero-crossover) 之类的功能可以确保整个输入共模范围的讯号偏移为线性,这样微控制器就不用执行其它演算法来修正讯号位移或偏移。


讯号链的第三级电路是由效能良好的Δ-Σ或SAR类比数位转换器(ADC) 构成,它们可以提供单周期滤波稳定和根据命令进行转换(convert-on-command) 等功能,以便简化类比数位转换器周围电路设计,同时提高转换速度和支援更大的来源端阻抗。多通道系统还能透过全域同步功能 (global synchronization) 协调各个通道的讯号撷取作业,这样就能在同样的时脉周期内比较多组讯号源。


透过适当的设计和零件选择,设计人员可将干净、精确和真正有意义的讯号送到系统微控制器或DSP。


微控制器/DSP

医疗监控装置会产生大量的原始资料,至于资料储存和变动趋势分析、变化记录、讯息回授、大型系统连结以及诊断演算法的执行,通常都是由系统控制器负责。


在系统处理需求和功耗限制间取得平衡对产品的成败影响很大。设计人员既要DSP的资料处理能力,又须满足MSP430之类低耗电微控制器的功耗预算限制,这两者的设计目标却彼此冲突。尽管如此,设计人员只要采用较新的DSP技术和电源供应架构,同时运用所提供的数种不同功耗和待机模式,就能以低成本发展出高效能系统;当然,这也表示系统必须利用部份处理频宽来管理功耗。当MSP430这类控制器于待机、休眠和唤醒过程负责系统管理的同时,DSP协助驱动整个系统,提供兼顾两边需求的最佳环境。当DSP只在执行处理作业时才进入正常操作模式,系统平均功耗就能维持在很低的状态,只有当DSP正常操作时才会产生较多耗电量。设计人员还能使用较大的电容或其它储能装置以满足DSP峰值功率需求,使系统断电时间最少,运行时间最长。利用MSP430FG461x等最新微控制器的效能及整合度,厂商已能发展出具有即时处理能力和超低耗电的先进应用。


电池与电源管理

较简易的系统可以使用普通电池,因为它们的电力需求较少,不需花太多成本更换电池。较大型系统则能使用不同类型和体积的充电电池。一些如动态电源路径管理等的功能可以让系统从不同的电池充电路径取得电力,这表示电池用尽的装置只要接上电源就能立即使用,不需等待充电完成。这项特性对医疗系统很重要,因为它们必须能配合突发状况使用。另一项重要功能是追踪电池的真正阻抗,而不仅止于简单地测量电压或计算电荷数目。由于电池电压并非线性下降,因此追踪电压并不能得到真正的电池寿命读数,这种误差在放电周期时间达到60%-70%时特别严重。计算电荷法的缺点是它无法将电池老化列入考虑,也无从判断电池使用一段时间后的新容量;它只能假设,而非确实知道电池状态。阻抗追踪技术则能让系统精确计算剩余使用时间,而且整个电池寿命期间的误差都不会超过1%,这能让系统使用电池的所有可用电力,进而提供更长运行时间。


医疗电子装置必须尽可能确保系统运作正常,这使电池验证成为一项重要功能,因为这项功能能检查加密后的装置编号,确保系统所用的电池符合原厂要求。使用不合格的电池可能影响系统运行时间,甚至造成火灾。


工程师在设计初期就应确定电源需求,这能协助他们做出适当的系统层级取舍,满足应用产品对携带方便性和即时处理效能的要求。


资料介面

医疗电子产品的资料界面已从RS232线路升级到有线和无线乙太网路连线,以及近距和远距无线连结。医院可以利用这些新界面连接院内和病患家里的所有设备。


病患只要随身带着无线感测器模组,那么当他从医院回家后,无线感测器就会连结到家庭保全系统所连接的一台监视器,并与远端的医生连线。整个系统会连接到乙太网路或医疗服务中心,让医院随时都能接收和监控病患状态,而不会影响他们的居家隐私。这类应用可使用蓝芽之类的无线界面,或是德州仪器Chipcon产品线的Zigbee和其它超低耗电无线解决方案,它们会透过SmartRF技术把家里和业界的相关设备连接在一起。除了耗电量外,资料速率和连线距离也是选择无线界面时的重要考量。虽然2.4GHz解决方案可于全世界使用,同时提供高资料速率、高负载周期和多通道能力,低频讯号却能提供更远的传输距离。当病患需利用多组通道进行全身监控时,多半已无法离开家里或只能躺在床上。此时系统就不需传输讯号太远,而是要提供最高资料速率;如果系统只需监控少数几个感测器,那么传输距离或许就比资料速率重要。无论如何,最后选择的解决方案都必须符合整个系统的功率预算要求。


结语

未来会出现许多新技术,例如人们只要站在家用全身扫描仪的前面,就能透过液晶萤幕让医生看病。这些虚拟医生可能在世界任何地方,病患则在家里、办公室或渡假地点。其实可携式医疗装置和监控系统现已能在病患需要的时间和地点提供医疗支援。要让医疗产品制造商发展这些创新产品,就要为这些电子装置提供适当的基础设施和半导体元件。半导体厂商想要获致最大成果,就必须考虑可携式医疗产品的功能与需求、为它们制定效能规格、并了解这类产品的空间和功率预算限制。这能协助医疗产品制造商减少设计修改,并且从一开始就制作出最佳的设计。


<作者为德州仪器终端产品市场工程师>


相关文章
以霍尔效应电流感测器简化高电压感测
以固态继电器简化高电压应用中的绝缘监控设计
以半导体技术协助打造更安全更智慧的车辆
适用於整合太阳能和储能系统的转换器拓扑结构
氮化??在采用图腾柱 PFC 的电源设计中达到高效率
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新闻
» 安立知以全方位无线通讯方案引领探索6G时代
» 韩国无线电促进协会携手安立知 进行B5G/6G技术验证
» R&S推出专用於相位杂讯分析及高达50GHz压控振荡器量测的FSPN50
» 西门子医疗的磁流技术提高MRI可持续性和效率
» R&S和三星合作 为FiRa联盟定义安全测距测试用例的采用铺平道路


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2024 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3  v3.20.1.HK83T5AU7QMSTACUKT
地址:台北数位产业园区(digiBlock Taipei) 103台北市大同区承德路三段287-2号A栋204室
电话 (02)2585-5526 #0 转接至总机 /  E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw