家用醫(yī)療電子設(shè)備的差異化設(shè)計

全球人口的老齡化和醫(yī)療成本的飚升推動了對家用醫(yī)療保健解決方案的巨大市場需求。隨著更小、更便宜的便攜式家用護(hù)理技術(shù)替代大型昂貴的設(shè)備，市場上的醫(yī)療保健產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動了家用醫(yī)療保健的普及和成本的降低。
這個數(shù)字非常驚人。據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計，2006年全球50歲以上的人口數(shù)量是6.5億，并且預(yù)計到2025年這個數(shù)字將達(dá)到12億。僅在美國，65歲以上的老人在人口中的比例就在不斷上升，并且有望在未來持續(xù)上升。
醫(yī)療保健市場非常大。據(jù)美國政府透露，美國在醫(yī)療保健領(lǐng)域支出了2.5萬億美元，占整個國家GDP的18%。ABI Research公司預(yù)測，到2014年將有5,900萬臺可佩戴的家用醫(yī)療保健設(shè)備投入使用，屆時可佩戴設(shè)備的總數(shù)將達(dá)到4.2億臺，其中包括體育和健身用設(shè)備。
Freedonia Group公司認(rèn)為目前家用醫(yī)療保健設(shè)備的市值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過70億美元，其中涉及的技術(shù)包括呼吸治療、靜脈(IV)注射、透析、病人監(jiān)護(hù)、輪椅、輔助步行、醫(yī)療設(shè)備和安全設(shè)備。
今天的醫(yī)療設(shè)備能給病人提供更低成本和更加安全的監(jiān)護(hù)方式，在某些情況下甚至可以在自己家里處理他們的健康狀況，減少了去醫(yī)院、診所或醫(yī)生辦公室的需要。醫(yī)療保健正變得越來越分散化。
便攜式家用醫(yī)療保健設(shè)備包括血糖儀、血壓計、心率監(jiān)視器、數(shù)字體溫計、脈搏血氧飽和儀、用于治療哮喘和其它呼吸疾病的哮喘儀、用于老人和殘疾人的跌落與運動檢測設(shè)備以及用于體重監(jiān)視和管理的數(shù)字秤，還有用于治療睡眠呼吸暫停的設(shè)備。許多家用健身設(shè)備也通過升級增加了保健測量和管理功能。
用于醫(yī)療設(shè)備的半導(dǎo)體技術(shù)
在互聯(lián)網(wǎng)連接的推動下，半導(dǎo)體IC性能和集成度得到了極大提升，進(jìn)而推動著家用醫(yī)療保健設(shè)備的創(chuàng)新。有趣的是，這些半導(dǎo)體IC的發(fā)展拯救了上千條生命，并使許多人的壽命更長，這進(jìn)一步提高了對保健醫(yī)療的要求，并增加了對更多醫(yī)療創(chuàng)新的需求。
設(shè)計師可以充分發(fā)揮傳感器、微控制器單元(MCU)、微處理器、DSP、模擬前端、存儲器、電源IC和發(fā)送器與接收器的功能。FPGA也能實現(xiàn)許多功能。這些解決方案都能達(dá)到很高的功能集成度。
許多IC功能正在推動家用保健醫(yī)療趨勢，特別是處理器和先進(jìn)的傳感器。例如，DSP具有高運算能力，可用來實現(xiàn)新一代監(jiān)護(hù)產(chǎn)品。
先進(jìn)的加速度計，比如ADI公司的ADXL345 iMEMS三軸數(shù)字加速度計，被廣泛用于上百萬臺游戲機(jī)、導(dǎo)航設(shè)備、蜂窩電話、汽車應(yīng)用和其它消費產(chǎn)品。這些加速度計可確保家用數(shù)字血壓計的精度。它們可以檢測并確保測量時手臂相對于病人心臟的正確位置，從而實現(xiàn)最大的測量精度。
脈搏血氧儀是最近加入家用醫(yī)療保健監(jiān)護(hù)陣營的設(shè)備之一，而血氧飽和度是繼血壓、心率、呼吸率和體溫之后的第5個重要體癥。血氧儀可以用來測量血色素攜帶的氧氣含量。血色素是紅細(xì)胞的重要部分，用來將氧氣從肺部輸出到人體各處組織。
脈搏血氧儀(圖1)可以采用許多傳統(tǒng)的IC來設(shè)計，安森美公司表示。安森美在三年前收購了高級定制IC領(lǐng)先制造商AMI半導(dǎo)體公司。一些半導(dǎo)體IC制造商可以提供家用保健醫(yī)療應(yīng)用所需的完整信號鏈功能。
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圖1：脈搏血氧儀可以采用傳統(tǒng)的IC來設(shè)計，安森美為脈搏血氧儀方案提供棕色框圖中的IC。
“我們開發(fā)的AD5933阻抗分析芯片可以用來測量諸如人體脂肪和血液凝固度等參數(shù)，輸出可以鏈接到與醫(yī)生通信的家用保健終端。”ADI公司醫(yī)療保健部全球策略營銷經(jīng)理Paul Errico介紹，“這只是我們能夠提供的便攜式家用醫(yī)療保健產(chǎn)品中完整信號鏈(圖2)所需的IC之一?！?br /> ?
圖2：便攜式家用醫(yī)療保健產(chǎn)品中信號鏈的主要功能塊。
“我們正在開發(fā)能夠滿足當(dāng)前和未來家用醫(yī)療保健應(yīng)用需求的解決方案，這不僅包括信號鏈中的數(shù)據(jù)測量部分，還包括家用病人及其醫(yī)療服務(wù)提供者之間的連接部分?！?br /> 設(shè)計挑戰(zhàn)
家用醫(yī)療保健設(shè)備市場給設(shè)計工程師提出了許多艱巨的挑戰(zhàn)，包括低功耗進(jìn)而更長的電池壽命、魯棒和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、更加友好和簡單的用戶操作、無線連接以及更低的最終用戶成本。半導(dǎo)體IC制造商也越來越多地面臨這些挑戰(zhàn)。
Microchip科技公司在其PIC微控制器中采用了nanoWatt XLP超低功耗技術(shù)(圖5)，這種控制器可用于血糖儀等家用醫(yī)療保健設(shè)備。Microchip公司的PIC16、18和24F微控制器在電源關(guān)斷模式僅消耗100nA電流，并集成了800nA的看門狗定時器、實時時鐘和日歷電路。
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圖5：家用血糖儀電路需要超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。
一些公司使用專門針對低功耗優(yōu)化了的閃存微控制器單元實現(xiàn)手持式家用醫(yī)療保健設(shè)備，如血糖監(jiān)視儀。NEC電子公司的16位全閃存MCU基于公司的78kOR CPU內(nèi)核，工作電壓從3.3V至5V。這種MCU集成了LCD驅(qū)動器、12位模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC和DAC)、運放和電壓基準(zhǔn)。在待機(jī)模式下，該MCU的消耗電流僅1.2μA。
“我們從20世紀(jì)90年代初就開始從事血糖儀業(yè)務(wù)，因此非常理解這種醫(yī)療設(shè)備的低功耗要求。”NEC公司首席技術(shù)營銷工程師Michael Clodfelter表示，“一些MCU制造商宣傳的nA級低功耗待機(jī)模式指標(biāo)殺傷力過大。事實上，待機(jī)模式下約1μA就能保證血糖儀有足夠長的電池壽命。
Clodfelter還發(fā)現(xiàn)一個趨勢，即在便攜式醫(yī)療家用設(shè)備中使用32位MCU來提供更高的精度。事實上，NEC提供32位全閃存 V850ES(圖6)，在用于血糖儀時功耗僅90mW/Dhrystone。當(dāng)時鐘頻率在5MHz至20MHz時，這種微控制器的管線式架構(gòu)執(zhí)行速度高達(dá)43個Dhhrystone MIPS(1.1)。
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圖6：NEC提供32位全閃存 V850ES
呼吸監(jiān)視
用于呼吸監(jiān)視的便攜式測試儀是最近進(jìn)入家用的醫(yī)療保健產(chǎn)品之一。一些較著名的呼吸疾病包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘和睡眠呼吸暫停。全球超過3億人患有哮喘。
KarmelSonix公司針對哮喘病人推出了哮喘儀。這種個人哮喘評估設(shè)備采用ADI公司的400MHz BF524 Blackfin DSP，是一種手持設(shè)備，放置在病人的喉嚨口。先由壓電傳感器從病人的呼吸中捕獲空氣流動的不規(guī)則數(shù)據(jù)，并饋送到DSP。然后由處理器判斷病人的呼吸速率，這個速率定義為喘息占用的呼吸周期持續(xù)時間。KarmelSonix公司表示，喘息速率是哮喘病人的一種動態(tài)和重要的哮喘發(fā)作測量參數(shù)。
KarmelSonix公司獲得專利的軟件算法應(yīng)用了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷喘息的出現(xiàn)。該公司透露，這些標(biāo)準(zhǔn)是由計算機(jī)處理的呼吸聲音分析(CORSA)提供的指南而確定的。
“哮喘儀還可以給家用以外的場合帶來方便。這種便攜式設(shè)備可以放在個人的背包里，哮喘儀的輸出數(shù)據(jù)可以通過筆記本電腦上的USB端口從任何地方下載到醫(yī)生或醫(yī)療提供商那里?！盇DI公司策略營銷經(jīng)理Tony Zarola表示，“我們有望在EKG無線監(jiān)視設(shè)備中通過USB端口使用Blackfin DSP?！?br /> 為了推進(jìn)便攜式家用醫(yī)療保健設(shè)備的開發(fā)，TI公司提供基于TMS320VC5505 DSP的開發(fā)套件。據(jù)TI公司稱，這些套件可以將產(chǎn)品上市時間加快至8個月。每個套件包含硬件和軟件設(shè)計工具，包括原理圖、樣例代碼、醫(yī)療特殊算法和其它間接性支持。
皇家菲利浦電子(Royal Philips Electronics)公司為家用醫(yī)療保健領(lǐng)域提供智能的睡眠呼吸暫停治療系統(tǒng)。這種Reprionics睡眠治療系統(tǒng)大約時鐘收音機(jī)大小(7x5.5x4英寸)，可以為中度至重度睡眠呼吸暫停癥病人提供治療方案。這個系統(tǒng)利用菲利浦開發(fā)的正向氣道壓力原理設(shè)計，通過一個面罩提供柔和的壓縮空氣流，以保持病人的氣道暢通。
“這是目前為止我們提供的睡眠呼吸暫停治療方面最復(fù)雜的產(chǎn)品，它的面世正當(dāng)病人配合問題最突出的時候?！狈评止炯矣冕t(yī)療保健解決方案首席執(zhí)行官Donald Spence表示。
菲利浦公司還提供Trilogy 100便攜式家用生命支撐通風(fēng)設(shè)備，可供成人和兒童使用。這種設(shè)計可以幫助護(hù)士和臨床醫(yī)生在家中和條件好的護(hù)理中心照看病人。
此外，菲利浦公司還在推廣家用醫(yī)療保健平臺顯示器終端，這種設(shè)備可以方便地通過病人家里的電視機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程病人管理。這正是公司的Motiva交互平臺提供的功能。除了監(jiān)視重要的體癥外，這種設(shè)備還能提供教育信息和動機(jī)消息，并能用于與健康有關(guān)的測量。
Intel公司最近宣布正在測試Health Guide，一種用于醫(yī)療信息監(jiān)視和通信的PC機(jī)。這種PC機(jī)可以監(jiān)視患有慢性病的老年病人的重要體癥，并通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程的醫(yī)療提供者提供詳情。
Intel和GE都是康體佳健康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)的重量級成員，最近兩家公司聯(lián)合起來攻克針對家用和輔助生命裝置的醫(yī)療保健課題?？刁w佳健康聯(lián)盟成立于2006年，旨在解決導(dǎo)致醫(yī)療保健成本急速上升的生活方式、健康和人口發(fā)展趨勢問題。
康體佳健康聯(lián)盟由領(lǐng)先的醫(yī)療保健提供商、保險公司、醫(yī)院、制藥公司、半導(dǎo)體IC公司以及運動用品和醫(yī)療設(shè)備制造商組成。該組織致力于無線和有線通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，并幫助許多IC和醫(yī)療設(shè)備提供商積極參與便攜式家用醫(yī)療保健監(jiān)護(hù)設(shè)備市場。
互操作性
互操作性是家用醫(yī)療保健設(shè)備的重要目標(biāo)。醫(yī)療設(shè)備和IC機(jī)構(gòu)認(rèn)識到，要想繁榮家用醫(yī)療保健設(shè)備市場，這些設(shè)備必須具有較高成本效益和安全性，并能相互間或與其它病人信息資源實現(xiàn)快速通信。
康體佳健康聯(lián)盟最近選擇了2.4GHz低功耗藍(lán)牙和ANT醫(yī)療保健協(xié)議作為其互操作性設(shè)計指南的第二版本。由于低功耗藍(lán)牙在手機(jī)中的流行，低功耗藍(lán)牙可能成為家用醫(yī)療保健設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置。另一方面，如Dynastream Innovations公司分公司ANT Wireless的ANT。ANT是一種超低功耗無線2.4GHz協(xié)議，主要用于醫(yī)療保健和健身監(jiān)護(hù)應(yīng)用。ANT Wireless公司表示，采用ANT協(xié)議的節(jié)點可以用鈕扣電池持續(xù)工作幾年時間，相比之下其它電池可持續(xù)數(shù)月。ANT是專門針對可靠靈活的數(shù)據(jù)通信設(shè)計的，可有效抵抗串?dāng)_。
對設(shè)計師工程師和醫(yī)療設(shè)計OEM商來說，無干擾的醫(yī)療監(jiān)護(hù)是一個重要課題。醫(yī)療監(jiān)護(hù)器和收發(fā)器設(shè)計必須發(fā)射低能量水平的信號，不能干擾周邊的其它信號。無線和有線傳輸必須滿足美國國家食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)嚴(yán)格的安全和可靠性要求。另外，發(fā)送的數(shù)據(jù)必須滿足病人和醫(yī)療提供商提出的嚴(yán)格隱私要求。
Nordic半導(dǎo)體公司在其nRF24AP2 無線收發(fā)器中使用的就是ANT協(xié)議。最近該公司開始提供nRF8001 超低功耗藍(lán)牙4.0 BLE芯片(圖7)樣品。
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ABI Research公司預(yù)計，到2014年交付的低功耗藍(lán)牙芯片組將超過25億個，而這個市場的年復(fù)合增長率(CAGR)將達(dá)78%。這種芯片組的發(fā)展將反映低功耗藍(lán)牙的兩種不同實現(xiàn)，即雙模和單模，其中首先實現(xiàn)的將是單模芯片。
人體可穿戴網(wǎng)絡(luò)
像康體佳健康聯(lián)盟做的這些工作積極促進(jìn)了人體佩戴無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，這些網(wǎng)絡(luò)也被稱為人體局域網(wǎng)(BAN)和個人局域網(wǎng)(PAN)。這些網(wǎng)絡(luò)使用低價、很低功耗、可互操作和無干擾的無線傳感器連接到像手表之類的實時顯示器，然后再連到家中的計算機(jī)。醫(yī)療信息最終將從這些計算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)甚至無線方式發(fā)送給醫(yī)療設(shè)備提供者。
“無線監(jiān)護(hù)將允許醫(yī)療保健專家對老年人保持高度的警惕，同時又能讓這些老年人盡可能長時間地呆在家里。這種方法可以極大地降低成本，并使病人感到更加愉悅?！盢ordic半導(dǎo)體公司業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Alf Helge Omre表示。
在比利時Lueven的IMEC Holsts中心，科學(xué)家們正在開發(fā)一種喚醒監(jiān)護(hù)用的BAN，通過測量四種人體生理參數(shù)來評估人的情緒狀態(tài)。這種BAN的開發(fā)是該中心Human++計劃的一部分，它用到了許多傳感器，而這些傳感器全都系在綁于全身的繃帶上。
檢測到的人體數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送到作為基站的PC，供醫(yī)療和游戲領(lǐng)域的醫(yī)生或其他人作進(jìn)一步分析。IMEC的科學(xué)家相信，這種方案可以給娛樂和醫(yī)療領(lǐng)域中的各種應(yīng)用帶來很高的價值。
嵌入衣服和被褥等日常用品并用于監(jiān)視和提醒心臟病人癥狀的各種軟硬件是歐盟1,400萬歐元HeartCycle項目的一部分。雖然這種由聯(lián)網(wǎng)的傳感器和監(jiān)視器組成的系統(tǒng)不會代替病人與醫(yī)生之間面對面的交流，但它確實可以減少對這種面對面交流的需求。上述系統(tǒng)可以檢測和遠(yuǎn)程監(jiān)視心臟運動的微小變化，并使這些變化變得更嚴(yán)重之前及時地得到處理。

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