家用医疗电子设备设计指南

2008-07-10 15:23:37来源: 电子系统设计 关键字:信号  滤波  功率  存储  闪存  运算  封装
  美国食品与药物管理局(FDA)指出:在医疗设备产业中,家庭卫生保健是发展最快的领域。受到人类平均寿命延长,慢性病患者越来越多以及保健成本越来越高等原因的推动,越来越多更“智能”、“友好”的医疗设备正在进入家庭消费市场。

  这些医疗保健产品包括:血糖仪、数字血压计、血气分析仪、数字脉搏和心率监视器、数字温度计、怀孕测试仪、透皮给药系统、透析系统和氧浓缩器等。其中许多仪器可以用无线方式通过互联网连接到医护人员的办公室,实现对重症病人的持续在线监视和诊断。

  由于医疗电子产品使用的技术越来越复杂,为了确保包括医护人员、病患本人以及最重要的家庭用户在内的每个人都能安全有效地使用这些产品,对这些产品的设计要求越来越高,并且其中许多要求可能存在冲突。对于设计师来说,所有这一切则意味着要在给定空间的芯片或电路板上实现更多的功能,同时尽可能低地降低功率

  “在选择用于家庭保健电子产品的IC时,设计师面临的最大的问题是如何合理地平衡各方面问题,如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、长寿命和高安全性等。”Microchip公司医疗电子产品部高级经理Steve Kennelly解释说,“需要多大的处理能力取决于医疗电子设备的使用者是谁。”

  许多医疗电子设备的生产量都不是很大,因此很难通过自动化制造工艺取得较低的市场成本。当然一个积极的信号是这些产品中的单个电子器件(传感器、MCU、显示器、存储器等)的价格在不断下滑。

  医疗电子设备面临的另外一个障碍是如何实现远高于非医疗电子设备所要求的密封性,而全面微型化使得密封性更难实现。

  了解家用医疗电子设备的要求

  对医生等专业人士来说操作医疗电子设备是得心应手的事,因为他们培训过这些仪器的使用。而对家庭病人来说,操作简单极其重要。幸运的是,最新的高集成度芯片、复杂的DSP和微控制器、高密度闪存和先进的微机电系统(MEMS)传感器都有助于实现这个目标。

  “我们欢迎这些看起来似乎矛盾的要求,因为它们给我们提供了创新的机会。”AMI半导体公司医疗业务部副总裁Todd Schneider表示,该公司的医疗电子设计很多都使用了专用标准产品(ASSP)和专用集成电路(ASIC),“我们进入医疗电子行业已经20多年了,因此非常理解这些设备所面临的技术挑战。”

  取决于具体的实际应用,每种保健医疗电子产品的性能优先级设置会有所不同。例如,对于便携式血糖计(经常使用一次性化学试验带)等产品来说,低成本是优先等级最高的参数。而便携式家用透析系统必须将可靠性和长寿命作为设计中最优先考虑的要求,成本则在其次。像起搏器等可植入设备必须具有高可靠性、小体积和长寿命,并且功耗要尽可能小,成本在这种情况下不是主要的考虑因素。

  尺寸非常重要

  由于人们对医疗电子产品提出了众多的性能要求,工程师不得不面对各种设计权衡。这意味着他们在决定使用何种类型的传感器、模数转换器、放大和滤波、控制和数据处理、电源、显示器以及无线收发器电路时需要仔细权衡。

  尺寸通常是主要的设计约束条件,特别是对医疗植入电子产品来说,最小的组织切入是绝对必须的。这种植入产品一般包含一个传感器、一些信号处理电路或者一个发射器,所有这些器件需要装入微型导管或探针内然后插入人体组织。小尺寸也使医生或医护人员更容易将植入产品放进人的身体。

  例如,一些包含了传感器、摄像机和射频发射器的智能药丸可以用来清晰和非侵入式地观察身体内部器官。DexCon公司的可植入式血糖监视器就采用了AMI半导体公司提供的超低功率ASIC系统级芯片,它通过402-405MHz频率范围内的射频传输功能连续监视糖尿病患者病情。

  一次性血糖仪也将越来越小,目前的典型尺寸与手持式个人数字助理(PDA)一样大。有些血糖仪甚至只有小型腕表那么大,但内部还是包含了传感器、微控制器、液晶显示器(LCD)和电池。这些仪器通常使用光学或电气化学传感器测量血糖值。病人只需刺破手指往一次性测试带上滴一滴血,血糖仪就能读出血糖值。机器和测试带的一次性使用也必须得采用低成本设计。

  无线心电图(ECG)Holter监视仪是一个很好的微型化例子。使用ADI公司现有IC设计的这个监视器非常小,可以安装在ECG电极的背部。由于具有较低的噪声和大幅降低的干扰信号,这种监视仪可以比传统设计提供更精确的信号。

  降低功耗

  更低功耗是医疗产品梦寐以求的目标,特别是电池供电和便携式家用设备。简单来说,功率降低意味着更长的电池寿命。它还能让设计师灵活地使用更小的电池,充分发挥具有功率管理性能的最新MCU芯片的优势。

  不过,低功耗并不总是与更小的电池尺寸联系在一起。当运算能力要求很大时,就像耳蜗可植入听力设备那样,电池可能比电路的体积还要大。耳蜗可植入设备必须工作在动态模式,静态的‘睡眠’模式很难使用。这些植入产品的供电一般来自配戴在耳朵外部的感应式电源,这些产品必须使用快速时钟速率并以宽动态范围连续工作,因此要消耗大量的功率。

  影响功耗的另外一个问题是IC的制造工艺。采用0.13μm工艺制造的IC具有比采用更宽线径制造的前代IC更大的漏电流和静态功耗。“我们在制造过程中通过优化IC晶圆的化学成份来降低功耗。”AMI半导体公司的Todd Schneider表示。

  降低IC的工作电压以及仔细管理电容效应对减少漏电流大有帮助。这正是医疗电子系统制造商采用(三维封装中)芯片堆叠方式取代在有限大小的平面上挤压每个器件占板面积的原因。

  幸运的是,有些特定的技术有助于管理功耗。例如,降低时钟速率和缩短动态模式下的工作时间都可以用来降低功耗。“关键是快速上电。”Schneider指出。唤醒芯片使其快速进入动态模式、并尽可能长地让它处于睡眠模式可以确保较低的功耗。

  深入理解具体应用对IC功能的需求有很高的价值,它可以帮助设计师用门电路以硬件方式实现所有必要的功能。虽然这种方法不是非常灵活,但它确实可以明显减少芯片上任何不需要的功能,从而有效降低功耗。

  Microchip科技公司的dsPIC33F系列微控制器提供三种工作模式供设计师选择,每种模式有多种选项:空闲、睡眠和浅睡。因此设计师能够更灵活地调整功耗来适应具体的应用(图1)。

  TI公司最近推出了一款带有完整信号链的超低功率MCU,可用于各种便携式医疗诊断设备,如个人血压监视器、肺活量计、脉搏血氧计和心率监视仪等(图2)。这款型号为MSP430FG4270的16位精简指令集处理器(RISC)SoC集成了全面的功能链,可以帮助设计师开发出低成本的便携式医疗设备。

图2:TI开发的这款高集成度MSP430FG4270 16位RISC MCU中集成了低功率、低成本便携式医疗产品(如血糖仪)所需的主要功能模块。

  共有5种低功率模式可用来延长电池寿命。在待机模式,耗电只有1.1μA,工作电压为1.8到3.6V。在1MHz和2.2V时该器件耗电特别低,只有约250μA。在1万片订量时的单价为3.78美元,是业界同类芯片中最低的,据TI公司透露。

  NEC微电子公司也推出了廉价的8位MCU,如78k0/Lx3系列,其中许多功能是专门为便携式保健电子应用设计的。这个全闪存器件集成了片上LCD控制器/驱动器,消耗很少的功率,在待机模式下只消耗2.3μA的电流。

  业界在为超低功率的听力应用(如助听器)开发非常高质量的声音方面也有显著进步。AMI半导体公司的Ezairo 5910 ASSP集成了一个被称为听力增强器的柔性滤波引擎,能以极低的功率提供非常高质量的声音。这个听力增强器耗电小于1mA,可以提供高质量声音所需的完全24位处理和长电池寿命。

  DSP进入家用医疗电子产品

  DSP在医疗电子产品中的应用也越来越广泛,它有助于处理复杂的运算和降低功耗。它们在便携式医用超声波成像设备中有很大的作用,可以用来实现比以前的二维产品更精确和更清晰的三维成像质量。

  在ATM半导体公司设计的一款获得大奖的亚波段电子听诊器的核心部分中就装备有一款超低功率的DSP,该设备应用了采用过采样滤波组的信号处理技术。这款DSP提供21dB的放大性能,与衰减声音信号的传统听诊器相比性能有了极大的提高。该器件工作在1.8V电压,只消耗4.1mW功率。整个电子听诊器的功耗为47mW,其中大部分功耗(43mW)是LCD读取设备消耗的。

  Cochlear有限公司是一家耳蜗植入产品制造商,最近与AMI半导体公司一起为植入产品合作设计和制造了下一代基于DSP的SoC。这个基于DSP的设计在更小的封装内提供更强的运算能力。它们同样能提供较低功率(更长电池寿命)和较高质量的声音,这是利用传统的非DSP方法很难实现的。

  不管是DSP、MCU、显示器、传感器还是其它功能,为医疗应用选择IC必须进行仔细权衡。比如紧凑型闪存(CF存储器),它广泛存在于诸如上面提到的Holter监视仪之类的医疗设备当中用于记录心脏ECG数据。这类存储器在消费类电子设备中非常普及。但White Electronic Designs公司的策略开发总监Mark Downey指出,并不是所有的CF存储器都是一样的。

  “我们是第一家专门为了满足医疗设备的严格要求和先进性能而设计这种CF存储卡的公司。”Downey表示。他同时指出,为消费类应用设计的低成本CF存储器不能满足医疗设备所要求的性能、损耗均衡、纠错和数据保护标准。

关键字:信号  滤波  功率  存储  闪存  运算  封装

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0710/article_92.html
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