1、.：.；家用醫療電子設備的差別化設計2021.05.26全球人口的老齡化和醫療本錢的飚升推進了對家用醫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，市場上的醫療保健產品數量不斷添加，而半導體技術的開展推進了家用醫療保健的普及和本錢的降低。 這個數字非常驚人。據世界衛生組織(WHO)統計，2006年全球50歲以上的人口數量是6.5億，并且估計到2025年這個數字將到達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上升。 醫療保健市場非常大。據美國政府泄漏，美國在醫療保健領域支出了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療保健設備投入運用，屆時可佩戴設備的總數將到達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、病人監護、輪椅、輔助步行、醫療設備和平安設備。 今天的醫療設備能給病人提供更低本錢和更加平安的監護方式，在某些情況下甚至可以在本人家里處置他們的安康情況，減少了去醫院、診所或醫生辦公室的需求。醫療保健正變得越來越分散化。 便攜式家用醫療保健設備包括 HYPERLINK ed-china/SEARCH

3、/ART/%D1%AA%CC%C7%D2%C7.HTM 血糖儀、血壓計、心率監視器、數字體溫計、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視和管理的數字秤，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。 用于醫療設備的半導體技術 在互聯網銜接的推進下，半導體IC性能和集成度得到了極大提升，進而推進著家用醫療保健設備的創新。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療的要求，并添加了對更多醫療創新的需求。 設計師可以充分發揚傳感器、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、業界動態 DSP、模擬前端、存儲器、電源IC和發送器與接納器的功能。FPGA也能實現許多功能。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，可用來實現新一代監護產品。 先進的加速度計，比如ADI公司的ADXL345 iMEMS三軸數字加速度計，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療保健監護陣營的設備之一，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，輸出可以鏈接到與醫生通訊的家用保健終端。ADI公司醫療保健部全球戰略營銷經理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：便攜式家用醫療保健產品中信號鏈的主要功能塊。 “我們正在開發可以滿足當前和未來家用醫療保健運用需求的處理方案，這不僅包括信號鏈中的數據丈量部分，還包

7、括家用病人及其醫療效力提供者之間的銜接部分。TI公司醫療營銷總監Steve Dean表示。設計挑戰 家用醫療保健設備市場給設計工程師提出了許多艱巨的挑戰，包括低功耗進而更長的電池壽命、魯棒和強大的數據處置才干、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。 TI公司的CC430平臺(圖3)包含了MSP430 MCU、CC1101射頻收發器系統級芯片(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射頻收發器、SoC和智能外設。 基于CC430的最新開發成果是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開發套件。MSP430營銷經理Adrian Valenzuela表示，“經過這些開發平臺，我們正在嘗試支持更多運用，像醫療(比如心率、脈搏、血糖值和體溫監視)、家用自動化、業余喜好等。 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化了的閃存微控制器單元實現手持式家用醫療保健設備，如血糖監視儀。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位模數和數模轉換器(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務，因此非常了解這種醫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還發現一個趨勢，即在便攜式醫療家用設備中運用32位MCU來提供更高的精度。現實上，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 呼吸監視 用于呼吸監視的便攜式測試儀是最近進入家用的醫療保健產品之一。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、流動的不規那么數據，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時間。KarmelSonix公司表示，喘息速率是哮喘病人的一種動態和重要的哮喘發作丈量參數。 KarmelSonix公司獲得專利的軟件算法運用了嚴厲的規范來判別喘息的出現。該公司泄漏，這些規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，哮喘儀的輸出數據可以經過筆記本電腦上的USB端口從任何地方下載到醫生或醫療提供商那里。ADI公司戰略營銷經理Tony Zarola表示，“我們有望在EKG無線監視設

13、備中經過USB端口運用Blackfin DSP。 為了推進便攜式家用醫療保健設備的開發，TI公司提供基于TMS320VC5505 DSP的開發套件。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)公司為家用醫療保健領域提供智能的睡眠呼吸暫停治療系統。這種Reprionics睡眠治療系統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。這個系統利用菲利浦開發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。菲利浦公司家用醫療保健處理方案首席執行官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。這種設計可以協助 護士和臨床醫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網實現遠程病人管理。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，一種用于醫療信息監視和通訊的PC機。這種PC機可以監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療提供者提供概略。 Intel和GE都是康體佳安康聯盟(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療保健課題。康體佳安康聯盟成立于2006年，旨在處理導致醫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。 康體佳安康聯盟由領先的醫療保健提供商、保險公司、醫院、制藥公司、半導體IC公司以及運動用品和醫療設備制造商組成。該組織努力于無線和有線通訊協議的

16、規范化，并協助 許多IC和醫療設備提供商積極參與便攜式家用醫療保健監護設備市場。互操作性 互操作性是家用醫療保健設備的重要目的。醫療設備和IC機構認識到，要想昌盛家用醫療保健設備市場，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療保健市場的進一步開展。TI公司MCU醫療處理方案業務開展經理Rajesh Verma表示，“作為這方面任務的一部分，我們正積極協助康體佳安康聯盟完成一切可任務通訊協議的規范化。 康體佳安康聯盟最近選擇了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醫療保健協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療保健設備的規范配置。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協議，主要用于醫療保健和健身監護運用。ANT Wireless公司表示，采用ANT協議的節點可以用鈕扣電池繼續任務幾年時間，相比之下其它電池可繼續數月。ANT是專門針對可靠靈敏的數據通訊設計的，可有效抵抗串擾。 對設計師工程師和醫療設計OEM商來說，無干擾的醫療監護是一個重要課題。醫療監護器和收發器設計必需發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視管理局(FDA)嚴厲的平安和可靠性要求。另外，發送的數據必需滿足病人和醫療提供商提出的嚴厲隱私要求。 Nordic半導體公司在其nRF24AP2 8通道無線收發器中運用的就是A

19、NT協議。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，即雙模和單模，其中首先實現的將是單模芯片。 飛思卡爾半導體公司采用的是ZigBee醫療保健協議。飛思卡爾公司擁有近60%的市場份額，是基于ZigBee的收發器芯片的領先供應商，這種芯片完全符合IEEE 802.14.5規范。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、血壓監視儀和個人監護產品，如行動監護儀、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