可穿戴医疗元件将朝高整合迈进

2014-02-10 08:40:03来源: 互联网
由于可穿戴医疗设备关键元件逐渐朝向高整合功能发展,并具抗电磁干扰的能力,将有助于便携式医疗设备符合各国法规的要求,满足易使用、高安全性、小尺寸和低功耗等必备条件,进而创造逐年出货量翻倍的高增长力。

  从过去单纯的医疗行为到现今强调个人化服务的趋势,医疗系统除提供原有的医疗过程外,现在亦希望能提升患者的生活品质(Quality of Life, QoL),有鉴于此,可穿戴设备与远距个人化生理状态的监测便逐渐受到重视。

  5年内出货量增长五倍 可穿戴设备市场后市看涨

  依据研究机构IMS Research于2012年的报告指出,2011年时约有一千四百万台可穿戴智能设备被贩售到世界各地,而2016年时预估将增长到九千两百五十万台,总销售额超过6亿美元,预计2011年至2016年年复合增长率(CAGR)可达50%以上,如图1所示。在这波市场潮流下,可穿戴医疗设备有机会成为新类型的医疗设备,可供患者在不同环境下使用。

  

  图1 2011~2016年可穿戴智能设备市场产值分析

  在可穿戴智能型设备上,可穿戴技术包括能长时间配戴在人体、先进电路设计、无线传输和独立处理能力,并能显著提高用户体验(User Experience)。依据用途不同,可穿戴智能设备可分成四类,分别为健身与健康管理、卫生保健与医疗、工业和军事应用和信息娱乐系统。

  健身与健康管理技术产品,可用于监测活动和情感;而卫生保健与医疗主要为监测生命特征;工业和军事应用的可穿戴技术,用在军事或工业环境中的即时数据接收和发送;而信息娱乐系统技术,用于接收和传输即时信息,娱乐和提升生活体验的目的。

  健身与健康管理和卫生保健与医疗两类可穿戴智能设备,依Juniper Research于2012年的报告指出,预估此二类产品于2017年时占可穿戴智能设备市占率超过八成,虽然健身与健康管理类设备贩售数量较多,但由于卫生保健与医疗类设备售价较高,因此卫生保健与医疗类设备总销售金额较健身与健康管理类略高。

  在健身与健康管理类方面,主要用途为运动和活动追踪,这类设备通常具有时髦和时尚的外观设计,因此受到广大消费者的青睐。依ABI Research报告指出,预估至2013年有61%的可穿戴技术是应用于运动和活动追踪;而在未来,此类设备将与居家环境或家电控制结合,提供更加方便使用的情境。

  另一方面,在卫生保健与医疗类,可穿戴智能设备目前主要用途为连续性血糖与心率监测,而另外相对较多产品为智能型自动药物输送设备,如与连续性血糖监测结合的自动药物输送设备或自动传输减轻疼痛药物的设备。市场普遍认为有关此类可穿戴智能设备最大的潜在市场增长障碍,为技术的瓶颈和美国食品药品管理局(FDA)的批准。

  然而,即使如此,FDA还是通过如Medtronic的Minimed Paradigm Real-Time Insulin Pump这类的产品,一方面连续监控血糖,一方面提供胰岛素给病患,让这些病患在胰岛素的控制上,更具有便利性。

  综观各大地区市场的趋势,美国仍是目前可穿戴智能设备的最大市场,至2016年此一状况仍不会改变;而欧洲则为第二大市场,特别是在保健和医疗应用领域。日本则依旧为另一主要消费市场,但主要为信息娱乐领域。

各国法规趋严,可穿戴医疗元件朝高整合迈进#e#

  各国法规趋严 可穿戴医疗元件朝高整合迈进

  一般而言,可穿戴医疗设备的关键元件,包含前端传感器与传感控制电路、核心运算单元、无线传输模组,以及人机显示界面。此外,还包括为防止电磁干扰以符合医疗设备高法规门槛的相关元件(图2)。

  

  图2 可穿戴医疗设备必要条件分析

  传感器及传感控制电路负责传感外部信号,以及搜集各类信号的回馈。核心控制器负责信号的处理、量测、分析,以及演算法的导入,最后再做出反应。无线传输模组传输量测的结果到人机界面上,而人机界面现今已朝向智能型设备来发展。

  为符合现今各国法规要求,以及更贴近使用者的可穿戴应用,芯科实验室(Silicon Labs)提出便携式的医疗设备的特征,必须包含容易使用、高稳定性与安全性、简单且安全的连结、低功率消耗、可支援较宽的低电压范围、高量测准确度、小尺寸(Small Form Factor),以及可负担的价格(Affordable Cost)。

  前端传感模组及传感控制电路在精密制造、半导体制程和微机电技术的进步之下,朝轻薄短小的尺寸持续演进,这类的技术包含有加速度计、陀螺仪、温度传感器、微型电极、微型光学元件、小型帮浦与压脉带、微型麦克风和可挠性传感器等,有助于可穿戴设备在医疗器材的触身部位(Applied Part)微小化实现;如美商MC-10所发展的可挠式传感器,可贴附于人体皮肤上进行生理信号的量测。

  在这个部分,也有相当多的半导体公司整合前端传感器与撷取电路,如亚德诺(ADI)的ADXL327这类产品,除三轴加速度计的功能,并具有低耗能及高整合度的优势。

  在传感控制电路上,根据应用可能包含前级放大器、高解析度类比数字转换器(ADC)、可调整的滤波器、数字类比转换器和驱动电路与回馈机制等(图3),传统医疗设备往往是以多颗不同功能的电子元件组成特定应用的传感控制电路,但现今有不少业者投入专用于某一类型的医疗应用的IC开发。

  

  图3 可穿戴医疗设备电路架构

  以德州仪器(TI)为例,该公司于2012年底提出的类比前端(AFE)4400/4490系列,即整合放大器(Transimpedance Amplifier, TIA)、高解析度类比数字转换器、多工器、序列周边界面(Serial Peripheral Interface, SPI)、时序控制(Timing Control)、数字类比转换器、发光二极体(LED)驱动电路及传感器状态诊断电路等,整合成一颗前端IC,结合前端的传感器与后端的核心控制器后,即可用于生理光电信号的量测,大幅减少独立元件的使用。这类型的IC还包括德州仪器的ADS 1293、AFE 4300,以及亚德诺的AD8232等。

  另一种全新型式的前端电路为可控制的类比电路元件,由于许多医用传感器有着随时间老化而改变特性的问题,瑞萨电子(Renesas Electronics)于2012年发表一种可由使用者调整的前端传感电路IC--智能类比IC(Smart Analog IC)RAA730500,不同于一般的前端电路固定的电路架构,智能类比IC可藉由外部控制来调整内建的多工器以改变运算放大器的内部线路连结、调整放大倍率、内建数字类比转换器改变偏压或量测准位等。

  此外,由于医疗法规的要求,电性安全与电磁相容(EMC)性的标准,远较一般消费性电子来得高,因此如电磁波干扰防制等重要元件,也必须在前端传感控制电路设计中加以考量,目前如德州仪器等公司也有提供相关的元件用以改善EMC的干扰问题。

  在核心控制器上,这10年来在半导体业者的全力投入下,核心控制器不论在速度、省电和封装尺寸都有大幅的改进。在可穿戴医疗设备的核心控制器的选用上,则以高效能周边界面,以及功率消耗为其重要考量。

  高效能界面主导可应用的范围,而功率消耗低则可减少电池的尺寸。根据市场调查与分析机构Frost & Sullivan于2010年发表的报告显示,个人化的医疗设备是微控制器(MCU)未来五大应用版图之一;也因此,大量的半导体业者竞相投入医疗应用的微控制器开发,如德州仪器、亚德诺、飞思卡尔(Freescale)、意法半导体(ST)、瑞萨电子、恩智浦(NXP)、爱特梅尔(Atmel)和芯科实验室等,这些微控制器通常都具备低耗能及高整合周边界面的特性,非常适合用于可穿戴器材的开发。

  更重要的是,这些厂商也往往提供详尽的设计参考文件,包含电路方块图及建议相关使用元件等。如飞思卡尔提供血压、心率、血氧、活动、助听器及居家健康网路等技术文件。

  以血压计为例,飞思卡尔先提供该医疗设备的系统架构、生理信号量测上的原理,以及以该公司控制器为核心的电路方块图,再说明该控制器有哪些重要的功能及周边界面,并对血压计的设计提供一套完整的说明。

  在核心控制器里,另一个规格日益提升的元件,系为快闪可程式记忆体的容量。事实上,随着数字化资料量的上升,记忆体容量也有逐渐增加的趋势,以供使用者能应用到有更高资料量的医疗应用上。

  在穿戴型医疗设备与智能型设备的连结上,第四代蓝牙(Bluetooth 4.0)是目前较新的一项近距离无线传输技术。藉由第四代蓝牙技术的格式,符合ISO传输规范的低耗能传输模式也逐渐普及,特别是在第四代蓝牙标准中有专属于生理信号中血压、血糖、体温和心跳的协定(Profile)。

  可穿戴生理活动监测器开发商Misfit Wearables创办人之一Sonny Vu,在接受AllThingsD访谈时表示,虽然没有伟大的软体就没有完美的使用者经验,但若不先把这些产品穿上身,就不会有开始、不会有资料;因此 Sonny Vu认为,一切皆始于穿戴性。

  结合智能型行动设备 可穿戴医疗应用便利性更高

过去不少类似产品以不同的形式用于个人健康管理、作息习惯或活动量的评估,如Nike+ FuelBand、Jawbone Up等,皆须面临几个共同的问

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关键字:可穿戴  医疗元件

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2014/0210/article_23983.html
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