1、.：.；家用醫(yī)療電子設備的差別化設計2021.05.26全球人口的老齡化和醫(yī)療本錢的飚升推進了對家用醫(yī)療保健處理方案的宏大市場需求。隨著更小、更廉價的便攜式家用護理技術替代大型昂貴的設備，市場上的醫(yī)療保健產品數(shù)量不斷添加，而半導體技術的開展推進了家用醫(yī)療保健的普及和本錢的降低。 這個數(shù)字非常驚人。據世界衛(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，并且估計到2025年這個數(shù)字將到達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，并且有望在未來繼續(xù)上升。 醫(yī)療保健市場非常大。據美國政府泄漏，美國在醫(yī)療保健領域支出了2.5萬億美圓，占整個國家GDP的18%。A

2、BI Research公司預測，到2021年將有5,900萬臺可佩戴的家用醫(yī)療保健設備投入運用，屆時可佩戴設備的總數(shù)將到達4.2億臺，其中包括體育和健身用設備。 Freedonia Group公司以為目前家用醫(yī)療保健設備的市值已遠遠超越70億美圓，其中涉及的技術包括呼吸治療、靜脈(IV)注射、透析、病人監(jiān)護、輪椅、輔助步行、醫(yī)療設備和平安設備。 今天的醫(yī)療設備能給病人提供更低本錢和更加平安的監(jiān)護方式，在某些情況下甚至可以在本人家里處置他們的安康情況，減少了去醫(yī)院、診所或醫(yī)生辦公室的需求。醫(yī)療保健正變得越來越分散化。 便攜式家用醫(yī)療保健設備包括 HYPERLINK ed-china/SEARCH

3、/ART/%D1%AA%CC%C7%D2%C7.HTM 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備。許多家用健身設備也經過晉級添加了保健丈量和管理功能。 用于醫(yī)療設備的半導體技術 在互聯(lián)網銜接的推進下，半導體IC性能和集成度得到了極大提升，進而推進著家用醫(yī)療保健設備的創(chuàng)新。有趣的是，這些半導體IC的開展挽救了上千條生命，并使許多人的壽命更長，這進一步提高了對保健醫(yī)療的要求，并添加了對更多醫(yī)療創(chuàng)新的需求。 設計師可以充分發(fā)揚傳感器、微控制器單元( H

4、YPERLINK ed-china/SEARCH/ART/MCU.HTM MCU)、微處置器、 HYPERLINK ed-china/STATICS/SITE/KW-DSP.HTM o DSP技術運用最新參考設計、運用筆記、設計指南、業(yè)界動態(tài) DSP、模擬前端、存儲器、電源IC和發(fā)送器與接納器的功能。FPGA也能實現(xiàn)許多功能。這些處理方案都能到達很高的功能集成度。 許多IC功能正在推進家用保健醫(yī)療趨勢，特別是處置器和先進的傳感器。例如，DSP具有高運算才干，可用來實現(xiàn)新一代監(jiān)護產品。 先進的加速度計，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、導航設備

5、、蜂窩、汽車運用和其它消費產品。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丈量時手臂相對于病人心臟的正確位置，從而實現(xiàn)最大的丈量精度。 HYPERLINK ed-china/SEARCH/ART/%C2%F6%B2%AB%D1%AA%D1%F5%D2%C7.HTM 脈搏血氧儀是最近參與家用醫(yī)療保健監(jiān)護陣營的設備之一，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。血氧儀可以用來丈量血色素攜帶的氧氣含量。血色素是紅細胞的重要部分，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來設計，安森美公司表示。安森美在三年前收買了高級定制IC領先

6、制造商AMI半導體公司。一些半導體IC制造商可以提供家用保健醫(yī)療運用所需的完好信號鏈功能。 圖1：脈搏血氧儀可以采用傳統(tǒng)的IC來設計，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丈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)生通訊的家用保健終端。ADI公司醫(yī)療保健部全球戰(zhàn)略營銷經理Paul Errico引見，“這只是我們可以提供的便攜式家用醫(yī)療保健產品中完好信號鏈(圖2)所需的IC之一。 圖2：便攜式家用醫(yī)療保健產品中信號鏈的主要功能塊。 “我們正在開發(fā)可以滿足當前和未來家用醫(yī)療保健運用需求的處理方案，這不僅包括信號鏈中的數(shù)據丈量部分，還包

7、括家用病人及其醫(yī)療效力提供者之間的銜接部分。TI公司醫(yī)療營銷總監(jiān)Steve Dean表示。設計挑戰(zhàn) 家用醫(yī)療保健設備市場給設計工程師提出了許多艱巨的挑戰(zhàn)，包括低功耗進而更長的電池壽命、魯棒和強大的數(shù)據處置才干、更加友好和簡單的用戶操作、無線銜接以及更低的最終用戶本錢。半導體IC制造商也越來越多地面臨這些挑戰(zhàn)。 TI公司的CC430平臺(圖3)包含了MSP430 MCU、CC1101射頻收發(fā)器系統(tǒng)級芯片(SoC)和智能外設，整個平臺采用9.1x9.1mm的64引腳四方扁平無引線(QFN)封裝。CC430采用128位平安加密算法和433、865、915MHz頻率通訊，后兩種頻率是用戶可選的。TI公

8、司還表示，MSP430是業(yè)界功耗最低的MCU，電源電壓從2.2V至5.5V，耗電僅330A(3V和1MHz時)，待機方式時的漏電流僅0.1A。 圖3：TI的CC430平臺包含了MSP430 MCU、CC1101射頻收發(fā)器、SoC和智能外設。 基于CC430的最新開發(fā)成果是TI公司的eZ430-Chronos運動手表(圖4)，這種手表支持運動以外的許多運用。“我們曾經交付了11萬個eZ430開發(fā)套件。MSP430營銷經理Adrian Valenzuela表示，“經過這些開發(fā)平臺，我們正在嘗試支持更多運用，像醫(yī)療(比如心率、脈搏、血糖值和體溫監(jiān)視)、家用自動化、業(yè)余喜好等。 圖4:基于CC430的

9、eZ430-Chronos運動手表支持運動以外的許多運用。 Microchip科技公司在其PIC微控制器中采用了nanoWatt XLP超低功耗技術(圖5)，這種控制器可用于血糖儀等家用醫(yī)療保健設備。Microchip公司的PIC16、18和24F微控制器在電源關斷方式僅耗費100nA電流，并集成了800nA的看門狗定時器、實時時鐘和日歷電路。 圖5：家用血糖儀電路需求超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。 一些公司運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78

10、kOR CPU內核，任務電壓從3.3V至5V。這種MCU集成了LCD驅動器、12位模數(shù)和數(shù)模轉換器(ADC和DAC)、運放和電壓基準。在待機方式下，該MCU的耗費電流僅1.2A。 “我們從20世紀90年代初就開場從事血糖儀業(yè)務，因此非常了解這種醫(yī)療設備的低功耗要求。NEC公司首席技術營銷工程師Michael Clodfelter表示，“一些MCU制造商宣傳的nA級低功耗待機方式目的殺傷力過大。現(xiàn)實上，待機方式下約1A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)療家用設備中運用32位MCU來提供更高的精度?，F(xiàn)實上，NEC提供32位全閃存 V850ES(圖6

11、)，在用于血糖儀時功耗僅90mW/Dhrystone。當時鐘頻率在5MHz至20MHz時，這種微控制器的管線式架構執(zhí)行速度高達43個Dhhrystone MIPS(1.1)。 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入家用的醫(yī)療保健產品之一。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。全球超越3億人患有哮喘。 KarmelSonix公司針對哮喘病人推出了哮喘儀。這種個人哮喘評價設備采用ADI公司的400MHz BF524 Blackfin DSP，是一種手持設備，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

12、流動的不規(guī)那么數(shù)據，并饋送到DSP。然后由處置器判別病人的呼吸速率，這個速率定義為喘息占用的呼吸周期繼續(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)作丈量參數(shù)。 KarmelSonix公司獲得專利的軟件算法運用了嚴厲的規(guī)范來判別喘息的出現(xiàn)。該公司泄漏，這些規(guī)范是由計算機處置的呼吸聲音分析(CORSA)提供的指南而確定的。 “哮喘儀還可以給家用以外的場所帶來方便。這種便攜式設備可以放在個人的背包里，哮喘儀的輸出數(shù)據可以經過筆記本電腦上的USB端口從任何地方下載到醫(yī)生或醫(yī)療提供商那里。ADI公司戰(zhàn)略營銷經理Tony Zarola表示，“我們有望在EKG無線監(jiān)視設

13、備中經過USB端口運用Blackfin DSP。 為了推進便攜式家用醫(yī)療保健設備的開發(fā)，TI公司提供基于TMS320VC5505 DSP的開發(fā)套件。據TI公司稱，這些套件可以將產品上市時間加快至8個月。每個套件包含硬件和軟件設計工具，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計，經過一個面罩提供柔

14、和的緊縮空氣流，以堅持病人的氣道暢通。 “這是目前為止我們提供的睡眠呼吸暫停治療方面最復雜的產品，它的面世正當病人配合問題最突出的時候。菲利浦公司家用醫(yī)療保健處理方案首席執(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設備，可供成人和兒童運用。這種設計可以協(xié)助 護士和臨床醫(yī)生在家中和條件好的護理中心照看病人。 此外，菲利浦公司還在推行家用醫(yī)療保健平臺顯示器終端，這種設備可以方便地經過病人家里的電視機或互聯(lián)網實現(xiàn)遠程病人管理。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，這種設備還能提供教育信息和動機音訊，并能用于與安康有關

15、的丈量。 Intel公司最近宣布正在測試Health Guide，一種用于醫(yī)療信息監(jiān)視和通訊的PC機。這種PC機可以監(jiān)視患有慢性病的老年病人的重要體癥，并經過網絡向遠程的醫(yī)療提供者提供概略。 Intel和GE都是康體佳安康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)的分量級成員，最近兩家公司結合起來攻克針對家用和輔助生命安裝的醫(yī)療保健課題?？刁w佳安康聯(lián)盟成立于2006年，旨在處理導致醫(yī)療保健本錢急速上升的生活方式、安康和人口開展趨勢問題。 康體佳安康聯(lián)盟由領先的醫(yī)療保健提供商、保險公司、醫(yī)院、制藥公司、半導體IC公司以及運動用品和醫(yī)療設備制造商組成。該組織努力于無線和有線通訊協(xié)議的

16、規(guī)范化，并協(xié)助 許多IC和醫(yī)療設備提供商積極參與便攜式家用醫(yī)療保健監(jiān)護設備市場?；ゲ僮餍?互操作性是家用醫(yī)療保健設備的重要目的。醫(yī)療設備和IC機構認識到，要想昌盛家用醫(yī)療保健設備市場，這些設備必需具有較高本錢效益和平安性，并能相互間或與其它病人信息資源實現(xiàn)快速通訊。 “交互性是一個重要的課題，可以促進便攜式家用醫(yī)療保健市場的進一步開展。TI公司MCU醫(yī)療處理方案業(yè)務開展經理Rajesh Verma表示，“作為這方面任務的一部分，我們正積極協(xié)助康體佳安康聯(lián)盟完成一切可任務通訊協(xié)議的規(guī)范化。 康體佳安康聯(lián)盟最近選擇了2.4GHz HYPERLINK ed-china/ART_8800028808_

17、400001_500003_OT_78951d78.HTM o 集成藍牙、低功耗藍牙、eGPS和FM四種無線電功能的BlueCore7單芯片方案 低功耗藍牙和Zigbee醫(yī)療保健協(xié)議作為其互操作性設計指南的第二版本。由于低功耗藍牙在手機中的流行，低功耗藍牙能夠成為家用醫(yī)療保健設備的規(guī)范配置。另一方面，TI的Steve Dean指出， HYPERLINK ed-china/SEARCH/ART/ZigBee.HTM ZigBee能夠在用于病人和資產跟蹤的某些臨床安裝中占主導位置。 還有一些私有協(xié)議，如Dynastream Innovations公司分公司ANT Wireless的ANT。ANT是

18、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)護運用。ANT Wireless公司表示，采用ANT協(xié)議的節(jié)點可以用鈕扣電池繼續(xù)任務幾年時間，相比之下其它電池可繼續(xù)數(shù)月。ANT是專門針對可靠靈敏的數(shù)據通訊設計的，可有效抵抗串擾。 對設計師工程師和醫(yī)療設計OEM商來說，無干擾的醫(yī)療監(jiān)護是一個重要課題。醫(yī)療監(jiān)護器和收發(fā)器設計必需發(fā)射低能量程度的信號，不能干擾周邊的其它信號。無線和有線傳輸必需滿足美國國家食品藥品監(jiān)視管理局(FDA)嚴厲的平安和可靠性要求。另外，發(fā)送的數(shù)據必需滿足病人和醫(yī)療提供商提出的嚴厲隱私要求。 Nordic半導體公司在其nRF24AP2 8通道無線收發(fā)器中運用的就是A

19、NT協(xié)議。最近該公司開場提供nRF8001 BLE芯片(圖7)樣品。 1006-CS-59574_fig_07.gif ABI Research公司估計，到2021年交付的低功耗藍牙芯片組將超越25億個，而這個市場的年復合增長率(CAGR)將達78%。這種芯片組的開展將反映低功耗藍牙的兩種不同實現(xiàn)，即雙模和單模，其中首先實現(xiàn)的將是單模芯片。 飛思卡爾半導體公司采用的是ZigBee醫(yī)療保健協(xié)議。飛思卡爾公司擁有近60%的市場份額，是基于ZigBee的收發(fā)器芯片的領先供應商，這種芯片完全符合IEEE 802.14.5規(guī)范。飛思卡爾公司也是傳感器、嵌入式處置器和電源管理器件的領先供應商，這些器件已被廣泛用于家用醫(yī)療保健設備，包括脈搏血氧儀、血糖儀、胰島素泵、注射泵、血壓監(jiān)視儀和個人監(jiān)護產品，如行動監(jiān)護儀、步行傳感器及可佩戴的恐慌告警器。 人體可穿戴網絡 像康體佳