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可攜式醫療電子系統設計
 

【作者: 陸向陽】   2008年10月07日 星期二

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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。 》
《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。 》
《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。 》
《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。 》
《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。 》
《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。 》
《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。


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