半导体技术的进步推动下一代医疗设备的发展

2013-10-08 13:20:05来源: 互联网

半导体技术推动下一代医疗设备变得更智能、更精确、连通性更好。什么半导体技术正为未来的医疗设备创造条件呢?飞思卡尔半导体公司的 David Niewolny 讨论了对医疗设备设计影响最大的半导体技术演进。

  医疗保健行业正在进行技术革命。全球人口老龄化加上不断上升的医疗保健成本导致全世界的医疗保健基础设施都处于紧张状态。婴儿潮那一代人现在已经成为高龄人群,这加剧了老年人口的增长。要应对这种急剧的人口结构转变,健康卫生系统需要做出巨大改变。目前,这些变化包括只能通过先进的硬件和软件技术才能实现的新治疗手段和早期诊断工具,而这些先进的硬件和软件技术长期以来由于医疗设备行业规避风险而没有被使用。那么,什么技术正为未来的医疗设备创造条件呢?

 图1:标准的医疗设备架构 
图1:标准的医疗设备架构

  图1显示了一个典型的医疗设备标准硬件架构。下面列出了推动医疗设备设计创新的芯片技术演进。

  · 模拟信号调节

  · 低功耗嵌入式控制

  · 无线连接

  芯片供应商提供这些战略领域的重大技术进步,这是医疗设备客户优化产品的必要条件。

  医疗设备的重要而独特的特征之一是能够分析被有线或无线传感器捕获的非常微小的数据信号。运算放大器、高分辨率模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、模拟比较器(ACMP)和电压参考(VREF)等精密模拟组件不断演进和发展,为提高下一代医疗设备的精确度创造了条件。

  运算放大器用于放大和过滤信号,模拟比较器(ACMP)可以被配置为达到峰值时触发一个中断。下一阶段需要精确定时的传感器衰减输出模数转换器。设备设计人员应该寻找功能丰富、超低功耗、高于 16 位分辨率的模数转换器(ADC)。提供高达 24 位分辨率的 ADC 可用于要求非常精准的测量。许多较新的 ADC 具有自动比较和灵活的转换时间设置,是这类分析的理想选择。最后,数据被发送到CPU(8 位或 32 位),用于分析数学部分。

  虽然可以用模拟电路开启或关闭芯片,但模拟功能的片上集成提供许多系统成本优势。最明显的优势是,它减少了对外部 IC 的需求,从而节省了 BOM 和板卡空间。此外,片上模拟还具有低压检测和内部带隙参考电压,从而进一步降低了整体成本。

  另一个方面就是降低功耗,半导体设计在这个方面每前进一步,都会对医疗保健行业产生重大影响。低功耗使原本被功耗束缚的设备变得可随身携带,然后又将便携式解决方案转为无线传感器。对于许多医疗设备来说,微控制器或微处理器是核心组件,即使不执行全部应用任务,也执行大多数应用任务。微控制器可能是降低设备功耗的主要贡献者,因此,要实现电池寿命目标必须利用微控制器的功能。无论是束之高阁还是在待机模式或是正在进行测量,这些功能都会影响电池的使用寿命,从而决定了一个产品对最终客户的价值。

  半导体制造商正在采取措施,通过实施一些创新的设计技术来降低医疗设备的运行功率。首先是实施额外的运行模式。每种低功率模式都根据特定的功能级别而量身定制,以获得最佳性能/功耗比。对于某些设备,运行模式支持 250 nA 的最低功耗,这使医疗应用能以最高的能效连续运行。运行模式还能使许多 MCU 外设以低功率运行模式工作,从而实现最佳的功能和功耗组合。

第二个设计技术是使用时钟门控,可降低运行模式下的功耗。时钟门控是一种关闭被路由到外设的时钟信号的方法。虽然对一个外设进行时钟门控最多仅降低几十微安的功耗,但如果要尽最大可能达到最低功耗,减少一切不必要的内部跟踪和时钟信号都是非常必要的。当禁用所有外设时钟时,时钟门控测量可以在运行模式中降低近三分之一的功耗。

  第三个低功耗设计技术是创建一个独立的电源域。每个内存位单元和 I/O 驱动程序都有一个泄漏电流。微控制器内存尺寸越大、I/O 数量越多,漏电就越大。这个独立的电源域仅用于驱动微控制器特性的一个子集,特别是执行计时所需的晶体振荡器和实时时钟寄存器。使用 RTC 电源域确保医疗设备可以预设时间和日期,只有极少或根本没有用户交互。对于许多设备来说,这是一个关键要求,使用该微控制器特性不仅能延长电池寿命,而且还可以丰富用户体验。

  上述所有低功耗设计技术都已应用在飞思卡尔 Kinetis 微控制器和微处理器产品线中。将上一节描述的特性整合在一起,可以优化医疗设计,实现更节能的运行。

  尽管无线技术已渗透到日常生活的许多方面,但大部分医疗设备仍然是有线的。一个典型的设备拥有一个数据收集传感器,该传感器通过线路连接到医疗设备,而该设备可通过 USB 等有线连接,连接到 PC。这些有线解决方案给患者造成许多问题,最重要的是易用性问题。请看下面患者读取心电图(ECG)的示例。图 2 显示了一个夹着有线传感器的患者,这是典型的 16 导联心电图。图 3 显示了下一代创可贴®大小的心电图数据采集设备。对比两幅图,可看出哪种设备更易于使用、最适合患者在家中使用。

  图2:心电图数据采集设备(目前的)
图2:心电图数据采集设备(目前的)

  图3:心电图数据采集设备(未来的)
图3:心电图数据采集设备(未来的)

  在选择无线协议时,医疗设备设计人员有多种选项。下面的表 1 中列出了医疗保健设备中常用的无线协议。

  正如您看到的,有各种各样的低功耗技术可用于无线医疗设备中,每种技术都有其独特的效用。ANT/ANT+是一个以2.4GHz运行的专有协议,目前主要用于健康和健身产品中,而非临床医疗设备中。ANT产品的总量正快速增长,但只有极少数产品采用了这种技术,这可能是因为突发传输速率仅为 20kbps。

  与ANT类似,Zigbee 也以 2.4GHz 运行,并已经在一些医疗设备中采用,这主要是由于其特定的医疗保健配置。一个关键的区别是,ZigBee 基于一个开放的标准协议(IEEE 802.15.4),而 ANT 采用专有协议。Zigbee 在临床环境中获得了成功,因为医院的 IT 专业人士能够利用其网状网络功能的优势。

  蓝牙智能(BLE)是一种专门为短程、低能源应用创建的无线技术,这些应用只需要短暂的数据突发(即非数据流)。低延迟和各种睡眠模式使 BLE 以低功耗特性见长。凭借这些特性,加上蓝牙 4.0,包括蓝牙智能(BLE),已成为手机、平板电脑和 PC 等智能移动设备的标准,BLE 很有可能在市场上普及。

  已为市场快速普及准备就绪的一种新的无线协议是 Medical Body Area Network(医疗机构区域网络)或 MBAN 协议。开发 MBAN 频谱的目的是针对低功耗和短程医疗应用,为了将患者从床边监护及治疗设备的束缚中解脱出来,应对“最后一米”的挑战,MBAN 频谱而得以发展。它使用 IEEE 802.15.6 标准运行,可能使用与 Zigbee 或蓝牙智能相同的无线电硬件。专注于健康和医疗应用的芯片供应商已经开始创建解决方案,其中的一些解决方案将于 2012 年推出。

  医疗市场中的无线应用正处于突破关口。想象一下某个系统使用嵌入在衣服中的传感器来监测您的心率,然后将数据发送到远程监控网关,并提醒您的医生,所有这一切都是采用无线完成,没有任何干预。远景已经勾画,标准正在制定,医疗市场的一场技术革命正在进行中。

  要考虑最后一点的是,不像许多其他电子产品,医疗设备在上市前面临沉重的监管负担。即使在最好的环境下,开发医疗设备也投资巨大(1000 万美元至 2000 万美元),而且上市的时间很长。这就需要产品有 10-15 年的寿命。芯片供应商已经注意到这个问题,而且一些供应商已推出计划,保证产品寿命为 10 年、15 年甚至 20 年。

  未来 5 年将是令医疗设备领域兴奋的 5 年。模拟、低功耗以及无线技术的新发展将有助于重塑医疗系统,就像它们今天所起的作用一样。在这个新世界里,一切都将通过无线连接,非常精准,并且可以使用许多年。很快,设备 – 而不是医生 - 将帮助我们对健康问题做出明智的决策。这将有助于降低医疗成本、提高病人护理水平。对于下一代医疗设备的开发人员和用户来说,前途是光明的。飞思卡尔长期以来一直在为管制严格的汽车市场提供嵌入式解决方案,与飞思卡尔这样的合作伙伴携手合作,能够让医疗设备设计人员安心。飞思卡尔努力研发,不仅提供高度集成、超低功耗并提供灵活的连接选项的微控制器产品组合,而且还提供各种各样的传感器、模拟和无线解决方案,以满足医疗设备设计人员的需求。

关键字:半导体技术  医疗设备

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1008/article_19799.html
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