可携式医疗电子日渐普及

毫无疑问地，医疗电子市场正逐渐兴起，半导体和系统业者纷纷跨入此领域，例如ADI、Intel、ST、TI等，系统业者则包括鸿海、广达、英业达、微星等。

医疗电子领域相当广泛，小至电子体温计、大至核磁共振摄影皆在此范畴内，不过真正令人瞩目的是可携式医疗电子。其原因有三，一是先进各国人口持续高龄化，居家健康监护日益重要；二是新兴国家的医疗建设尚未发达，需要远距医疗作为辅助；三是天灾地变频繁，在灾区现场、临时救护站等地更格外需要可携式医疗电子装置。

《图一 美国德州仪器（TI）提出的可携式医疗装置（Portable Medical Device）图。 》 数据源：TI.com

可携式医疗电子产品项目也不断增加，过去多为简易的心跳、血压、脉搏检测，现在加入了血糖和体脂检测，进一步还有血液含氧量（Pulse Oximetry；Pulse Oximeter）、骨质疏松（ Bone Density）检测，现在超音波（Ultrasound）扫描、电击器（Defibrillator）等也开始有可携型装置出现。不仅心电图记录、脑波记录等也开始可携化，听诊器也能数位化，记录留存听取的声音，再透过电脑进行分析，探析出医生人耳难以察觉的问题。

如今，除了断层扫描（CT Scan）、核磁共振扫瞄（MRI Scan）、正子扫瞄（PET Scan）等医疗影像系统外，几乎各式医疗电子皆已具备可携性，这正是未来数年内可携式医疗电子将大幅成长的动力。

可携式医疗电子类别

可携式医疗电子可概分为侵入式与非侵入式两种医疗模式，同时在运用属性上亦可分成检测（Diagnostic）、监护（Patient Monitoring）、施治（Therapy）等三类，其中非侵入式的进入门槛较低，而检测、监护的风险也低于施治。

另外可携式可再细分为二类，一是在院所内可用推车转移位置的医疗设备，仍以电源插座供电运作，另一则是确实只用电池供电运作的设备，本文以下的谈论将以后者为主。

可携式医疗电子系统概述

设计一套可携式医疗电子，必须先了解系统组成内容。多数可携式医疗电子装置皆具备感测器、放大器、运算放大器、资料转换器、参考电压、微控器、人机介面、电源管理等元件。其中人机介面和电源管理偏向辅助性质，整体运作的主轴在于感测器、放大器、运算放大器、一路到微控器间的过程。

在此主轴外，工程师依据不同的应用增加设计。多数可携式医疗电子主要在于输入性运作，不过有些需要输出性控制。例如血压器必须能驱动马达，才可对手臂血管加压；或者像是呼吸器在感测病患气体呼出量后，进一步会调整气阀以释出新氧气；此外与心电图系统搭配的自动电击器，也会在心跳衰竭时开始电击病患心脏。

《图二 台湾微星科技（MSI）研发的可携式心电图记录分析器MyECG E3-80。仅65克重，使用2颗AAA电池运作，可同时侦测身体3处部位，再将侦测数据存于SD记忆卡中，每5分钟记录1次可连续记录24小时，并已通过ANSI/AAMI EC38、IEC 60601认证。 》 数据源：MSI.com

此外，长期监护型的心跳和血压计需要搭配时间记录，所以系统内必须设置即时钟（Real Time Clock；RTC）。日后若要集中汇整资料，则需具备有线（如USB）、无线（如Bluetooth）等传输介面，以便将监护数据回传至电脑。更进一步若有长期离线性的资料记录需求，则装置内必须具有储存装置或外接记忆卡（如SD）。

更有什者，许多医疗院所已实施先进性的行政管理，每个病患挂号后会发予RFID识别手环，医疗设备能辨识和感应手环，使相关诊测数据不至于错乱对应；另外有些医疗设备也支援ZigBee无线感测传输，掌握设备在病院楼层或病房的动向，就近调度并避免失窃。

可携式医疗电子系统细节

接下来进一步探究系统主轴。感测器（Sensor）是一切的最前端，不同的应用使用不同的感测器，例如血压计使用压力感测器、体温计使用温度感测器等。

完成感测后，接着是放大感测讯号，医疗攸关性命，因此感测器要高度灵敏，放大器（Amplifier；Amp）也必须力求低误差，仪器级放大器便成为必备元件。

信号放大后仍为类比信号，且该信号必须经过进一步处理才能进行资料转换，这个过程就交由运算放大器（Operational Amplifier；op-amp；OPA）负责，同样地OPA也必须被高度要求，将偏移降至最低。

OPA将类比信号调整完成后即可进行转换，透过类比数位转换器（Analog Digital Converter；ADC）将类比信号转换成数位数据，转换运作还须有参考电压器（Voltage Reference；Vref）作为辅助，高精密的参考电压器能降低转换的误差。

转换完成后数据送入微控器（Microcontroller；uC；MCU）内，进行高层次的逻辑演算，之后将演算结果显示于人机介面上，或将结果储存、或将结果传输至他处。

《图三 欧洲意法半导体（ST）针对血液分析器（Blood Analyzer）所提出的功能方块图。 》 数据源：ST.com

系统设计要点

了解细部过程后，即可认识到可携式医疗电子的整体设计取向。为了轻巧携带方便，电路设计必须尽可能微型化，因此装置需要整合度高的晶片；同时为力求检测精准，晶片必须具备高精度、低误差，甚至可快速运算；可携式产品尽可能长时间连续使用，所以低功耗也是必备功能。

整体来看，可携式医疗应用晶片必须具备高整合度、高精度、高效能、高度抗环境性、高度安全可靠、低功耗等特性，医疗电子市场竞争日趋激烈，成本逐渐成为竞争要项，例如一般性的电子体温计已朝向成本竞争阶段。

可携式医疗应用对于电子工程设计要求严谨，再加上相关产业各项法规要求，技术门槛因而提高，不过医疗电子市场高成长率及初期高单价诱因，让厂商相继投入研发。

《图四 德仪针对可携式超音波扫瞄器应用而提出的模拟前端整合芯片AFE58xx，使用该芯片将比传统离散设计的模拟前端电路节省50％电路面积、20％功耗、及40％噪声。 》 数据源：TI.com

医疗应用取向的差异设计

除了系统执行主轴之外，依据不同应用的差异设计也非常重要。

首先是血压计。血压计在资料转换时需要12bit～16bit解析度的转换，同时需要控制马达，此方面多用脉宽调变（Pulse-Width Modulation；PWM）方式控制。

至于心电图、脑波图等监护仪器（Electrocardiogram；ECG，Electroencephalogram；EEG）方面，由于此类应用通常同时监督人体多处部分，所以需要多组通道感测设计，同时也要对应多组通道的信号处理和资料转换，因此不若血压计仅需1组通道。

此外，心电图、脑波图装置不需要像血压计对马达进行控制，但有些心电图则会连结自动体外电击器（Automatic External Defibrillator；AED）。更重要的是，心电图、脑波图所感测的信号必须加以演算才具有意义，此时必须使用数位信号处理器（DSP）而非微控器，或者是具备DSP功效的微控器和微处理器，如数位信号控制器（Digital Signal Controller；DSC）或异质双核处理器。心电图、脑波图等数位信号运算主要是进行带通滤波（Band Pass Filter）运算。

《图五 美国亚德诺（ADI）针对可携式自动外部电击器所提出的功能方块图。 》 数据源：ADI.com

而血压计仅使用MCU即可,EKG/ECG则需要使用到DSP运算,血糖分析等血液分析器则是可使用MCU也可使用DSP。

进一步地，检测血中含氧量的血氧器及高精度的体温计，都需要12bit解析度以上的资料转换，而超音波检测也需要10bit以上的资料转换，且超音波与ECG/EEG相同，同一时间要进行多组通道转换，通道组数愈多亦表示电路将愈庞杂。

比较特别的是成本取向的电子体温计，设计相对简单，感测器之后、微控器之前的前端部分没有前述的Amp、OPA、ADC等繁复程序，只需使用数位I/O接脚构成的RC电阻电容电路，再搭配比较器、计时器等即可量测体温。

《图六 TI将心电图检测（ECG）及自动外部电击器（AED）进行整合，ECG部分用DSP控制，AED部分用MCU控制。 》 数据源：TI.com

其他相关设计

除了上述的主设计外，其他部分也必须留意，包括使用触控萤幕（Touch Screen）时，触控对电子系统可能的静电伤害（ESD）也必须排除；若使用锂电池则须有降低过热、过充等保护设计；侦测剩余电量也力求精准，此必须使用库伦计量法，而不宜使用电池电压侦测后的类比数位转换法。

另外为了确保产品安全与稳定性，则可能限制使用原厂所提供的电池，这时就必须加入原厂电池的辨识设计。此外为力求节能，若有扬声需求时，可使用D类音效功率放大器，比较不建议使用AB类放大器。

趋势及建议

长期来看，可携式医疗电子必然是以维持现有检测水准为前提，不断朝向更轻薄短小、省电、耐用、降低价格的方向发展，有些晶片业者看好超音波扫瞄器的可携式前景，整合扫瞄器的前端电路，推出整合型类比前端（Analog Front-End；AFE）晶片。如此不仅可节省电路系统设计面积，还能降低功耗并减少杂讯干扰。

MCU方面也可进行更多整合设计，例如整合Vref和ADC，降低电子工程师另外物色、评估、设计外接电路的负担，或者采用内建USB省去桥接晶片的外接设计。

非侵入式且偏消费性的可携式医疗电子产品，或许对于台湾厂商而言是较为适合的切入点，若能同时善用整合度高的晶片，搭配低成本设计手法，台湾厂商在可携式医疗电子领域将可快速斩获，逐步朝向关键性应用迈进。