原创 便携式医疗监控系统面临的设计挑战

作者：Jonathan Bearfield, Texas Instruments

        当今的政府与医疗机构正努力完善其医疗体系，以更好地为病人服务。 为了让病人有更多时间在家中养病，不必到医院或医生办公室来，医疗行业充分发挥了便携、远距离连接的医疗监控系统的优势。 这些设备包括从血糖仪到便携式心电图 (ECG) 系统。

图1：便携式医疗监控系统

“便携” 医疗电子设备所面临的挑战是对远距离连接便携性的要求越来越高，同时还要保持所采集数据的质量与响应性。 “便携式” 一词表示设备装有轮子，可在门中通过。 但如今，这个定义有所改变。 如今许多医疗设备为完全可移动的，甚至是可以是 “可穿戴的”。 这当然会带来设计方面的挑战，不只是设备体积上的，而且也包括内部的电子器件。

如果把便携式医疗监控设备解剖开来，可发现其中有五个基本的部分 (图 2)：

 • 显示器与显示器接口

• 电池及功率管理

• 生物传感器接口

• 数据接口

 • 系统微控制器或数字信号处理器 (DSP)

 显然，不同系统间每个模块特定的性能也不相同。   

图2： 便携式医疗电子产品的主要功能方块

显示器  

不论是向病人告知体温或心电图 (ECG)结果，显示器的显示效果都是一项重要的性能特点，其效果在某种程度上取决于适当的背光解决方案。 不管是感应式还是简单的电荷泵拓扑结构，由于便携式系统由电池供电，有较宽输入电压距离的背光解决方案可降低对额外调节系统中的需求。 选择升压型或降压/升压双向变换器可轻松的由多个电池供电来工作，具有较大的设计灵活性。 当然，设备的尺寸和总功率效率是关键的问题，采用有较高集成度及先进封装的器件是更高效而经济的方法。

     触摸屏控制 (TSC) 是简化便携式电子设备使用的一个关键的因素，由于免除了传统键盘，还可进一步缩小设备体积。 TSC利用菜单驱动的功能选择，对输入及输出数据显示进行精细调节，能放大“按键”而更方便使用。 实施TSC时，要考虑的一个重要因素是所选方案的静电 (ESD) 处理能力。 如果TSC 电路不能发散静电产生的能量，该能量可通过中央微控制器/DSP并造成其损坏。 实施TSC要其它的因素有分辨率、与屏幕尺寸、转换类型与速度、以及总体功耗等。   

传感器接口与信号链     

不论是温度、脉搏、血糖读取或其它生物传感器，实施适当的信号链都是最重要的问题。 信号链的第一阶是仪用放大器(图 2)， 如有较低输入失调电压、较低漂移及有交流性能的较大直流精度的微功耗放大器INA326。 多数实施是在毫伏级噪声内尝试寻找一个微伏级的信号。 由于目标信号有交流特性，需要有一个与高通滤波方案配合良好的放大器。 采用自动回零或自动计算功能可进一步简化系统补偿要求。   

典型地说，第二阶是一个低功耗运算放大器，如OPA376，它有较宽的带宽、轨到轨输入及输出 (RRIO)，并具有出色的精度。 零交越一类的特性可在整个输入共模距离产生线性偏移的信号。 这表明微控制器并不需要运算额外的算法来校正偏移。

信号链下一阶是良好的delta-sigma 或逐次逼近模数转换器 (ADC)。 单周期滤波器设置及随需转换等特性简化了ADC的设计要求。 也提高了转换速度，并提供了较大的源阻抗。 在多通道系统中，全局同步等特性提供了连续的信号采集能力，允许在相同的时钟周期内对多点信号资源进行比较。   

利用适当的布局及元件选择，可将一个干净、精确而有意义的信号输入到系统微处理器/DSP中。   

微控制器/DSP    

医疗监控设备可产生大量的原始数据。 保存数据与处理趋势、识别变化、提供反馈，支持与较大系统连接的能力，以及执行诊断算法是通常是系统控制器的重要功能。   

必需要均衡考虑系统处理要求与功耗限制。 虽然是针对 DSP级的数据处理所设计，但只允许低功耗微处理器的功率分配，如MSP430，会造成设计的冲突。 然而，利用新的DSP 技术及电源拓扑结构实施几个电源级别和待机模式，可帮助系统以经济车级的油耗实现跑车级的性能。 这表明某些处理带宽要向管理功耗方向发展。 MSP430类型的控制器可管理系统待机、睡眠及唤醒转换功能， 而DSP 可提高总体系统性能来创建具有两方面性能的系统。 如果DSP 只在需要处理要时活动，平均系统功耗将保持较低，仅在DSP 唤醒状态下才能达到峰值。 通过实施super-caps 或其它能量存贮器件可支持DSP 功率突增，可将电压切断现象降到最低，并改善高系统运行进环境。 凭借最新微控制器的性能和集成度，需以较低的功耗实时处理的复杂应用可利用MSP430FG461x一类的器件来实现。

电池及功率管理    

简单的系统可使用一次性电池，因为其功耗很低，可以将更换电池的总成本控制在较低的水平上。 较大系统可采用各种可充电的电池及不同的电池组尺寸。 动态功耗路径管理等特性，允许系统不依赖电池充电路径地消耗功率。 这允许使用完全放电的电池设备在接入后即可使用，不必等待电池充电后才能运行。 在需要使用医疗系统时，并不会总有等待充电的时间。 跟踪电池真实阻抗而不是简单的电压测量或库仑计数能力是另一重要特性。 由于电池电压并不呈线性地下降，电压跟踪并不能直接得到电池的真正寿命。特别是电压量程中间第**包括60%到70%的放电周期时间。 库仑计数并不能补偿电池老化问题，它并不了解电池随时间所剩下的容量。虽然不真正了解电池的状态，但它会假定了解其状态。 阻抗跟踪允许系统以1% 的误差计算电池所剩的寿命，使系统可利用电池中所有可用的能量，从而实现较长的工作寿命。  

 正如系统运行对医疗电子设备非常重要一样，另一关键的特性是电池验正。 这是一种利用加密的设备 ID验正系统中电池能否满足原始设备制造商(OEM)要求的方式。使用不合适的电池组会影响系统的运行寿命，也能损坏系统，甚至引发起火。   

一般来说，在设计周期的前端进行功耗决策，有助于确定系统级的取舍，以满足目标设备的便携性及运行寿命需求。    

数据接口     

医疗电子设备数据接口从有线 RS232接口迁移到有线及无线以太网连接、及近距离及较长距离的无线连接。 医院可以利用这些新接口来连接医院内和患者家里所有设备。

当病人从医院返回家中时，可通过身上无线传感器远程地与医生联系，该传感器连接到家中安全系统的监控器上。 整个系统连入以太网或医疗呼叫中，可在其家中随时私密地接收监控。 这里也可采用无线接口，如蓝牙。 也可采用Texas Instruments的Chipcon系列Zigbee 及其它低功耗的无线解决方案，其SmartRF 技术可与家庭及工业环境连网。 除了功耗外，数据速率及距离也是选择无线接口的两个重要要素。 有多个通道的2.4GHz 解决方案可覆盖全球，具有较高的数据速率及占空比。 但低频可增大信号传播距离。   

 利用多通道的整个身体监控系统，病人可能只需局限在家中，而不必只躺在床上。 这种情况下，距离可能有所局限，但数据速率得以最大化。 如果监控只用几个传感器，距离比数据速率更重要。 最后一点，选择方案必须控制在总体系统功耗预算之内。   

结论  

未来会有更多创新的医疗设备出现，如家庭身体扫描器，只要站在机器前，就可以在LCD 显示器前看医生。 虚拟的医生可以在世界上的任何地方，而我们坐在家里、办公室或在休假中都可以看医生。 就在今天，便携式医疗设备及监控系统可提供随时随地的医疗支持。 为了帮助医疗设备 厂商开发这些创新的产品，我们既在电子设备的外部需要适当的基础设施，在其内部也需要合适的半导体元件。    

为了获得更大的成功，半导体供应商要考虑便携式医疗产品的特性和需求，为每种产品定义性能规范，并发了解其体积与功耗预算的局限。 最后，它可帮助医疗设备厂商减少返工，从最开始就优化整体的设计。