便携式医疗电子将科幻场景搬进生活

2008-03-04 09:50:35来源: 半导体应用

 

  随着科技的进步和人们对于医疗保健的意识不断增强,全球医疗电子特别是中国这一巨大市场正爆发出诱人的发展前景,不少领先半导体厂商正积极将其纳入重点关注的领域。市场调研公司Databeans指出,2005年用于医疗电子的半导体市场超过20亿美元,预计未来五年里该市场将以11%的复合年增率增长,2010年将超过35亿美元。

 

医疗电子产品已从医院检验科步入家庭

医疗电子产品已从医院检验科步入家庭

  而传统的医疗手段和诊断设备已不能满足市场需求,医疗逐渐走出医院走向家庭,一些便携式医疗电子产品已经兴起,常常出现于电影、科幻小说里的手持或便携式医疗设备已经开始真真切切地走进我们的生活。虚拟医院和远程医疗等的建立亦不再是构想,健康监护设备使病人在家中就可完成日常检查或监测,而不必专门跑到医院或医疗诊所。

  便携医疗电子设备市场目前已经在以两位数的速度增长,这一趋势今后还将继续。便携式医疗电子设备主要分为诊断设备、给药设备、个人护理产品和影像系统这四大应用部分,包括胆固醇、血液情况、血压检测、葡萄糖计、脉冲血氧量仪、AED、胰岛素注射笔、数字助听器、CT扫描仪以及X射线探测仪等产品。其中,预计家庭诊断市场将占50%左右,在剩下的50%中,影像产品占25%,其它诊断或治疗电子产品占25%。“目前半导体销售额较大的医疗电子产品领域包括血糖计、超声设备和数字温度计。”Databeans公司表示,“这些应用带动了市场对于精密放大器、数据转换器、模拟电源管理和ASIC的需求。”

  手机设计思想融入便携医疗电子

  小型化成为便携医疗电子的首要要求。同时,高集成度以及低功耗也是产品的关键,精度和一致性也是这类产品获得市场的重要因素。为了满足上述要求,半导体供应商开始应用技术上日新月异手机设计思想,通过创建相对统一的标准和外形尺寸,使便携式医疗电子产品的可用性及易用性大大提高。可供借鉴的设计思想包括I/O标准、USB端口的优点、ESD保护的耐久性、使用高集成度的FPGA和ASIC来提高功能性并减少周边元件以及简易的芯片组平台解决方案等。

  飞兆半导体公司技术行销部总监黄广贤十分倡导这一思想,他说:“集成化是未来便携式医疗设备的关键特性,希望手机的突破性进展能够实施在便携式医疗设备中,比如采用带有多个附件插头的核心手持式设备以监控血糖、温度和血压等。”他表示,飞兆带有USB功能的所有产品均适用于便携式医疗设备,包括从USB收发器到USB模拟开关产品,并具有低功耗和超小型封装体积的优势。全新超便携式视频滤波器能够将手持设备的视频内容输出到TV屏幕,可用于重播医疗报告和说明。另外,该公司uSerDes产品系列是适合类似于手机的翻盖显示功能应用的理想选择,LVDS中继器和收发器经常用于差分传感器和高速计时。

  “在未来,便携式医疗设备很可能会借助成功的I/O标准优势,比如USB和可能应用于信息下载的WiFi和/或蓝牙标准。”黄广贤继续表示。

  同样,美信新推出的系列产品MAX1358/1359/1360、MAX1329/1330/1331都是高度集成的数据采集系统,内部包含了信号调理、数据转换、实时时钟、用户接口、电源管理以及系统支持。这些器件与MAXQ2000等微控制器配合使用,可构成完整的解决方案,在主电池电压低至1.8V时仍能保持正常工作。“血糖测量是此类器件的典型应用之一。”该公司负责医疗应用的战略计划及产品定义经理John Di Cristina表示。

  为了满足医疗应用对高精度器件的需求,TI也推出了一系列的模拟产品,包括数据转换器、接口集成电路、运算放大器和电源等。其中,ADS8372是业界最高线性度的16位逐次逼近ADC。该器件能够在-40℃至+85℃的整个工业温度范围内提供多种卓越特性,如16位无丢失码性能、600kSPS 数据速率,小于0.75LSB(最大值)的积分非线性(INL)和小于0.5LSB(最大值)的差分非线性度(DNL)。该器件适用于各种先进的实时应用,如医疗影像、高精度数据采集系统等。

  而OPA365是一款高精度运算放大器,该器件采用创新的零交越、单输入架构,从而实现无跳变轨至轨性能。OPA365具有超低失真(仅为0.0006%THD+N)、极低噪声(4.5nV/rtHz)、50MHz增益带宽,因而适用于多种的单电源应用,包括数据采集、测试测量及便携式医疗系统等。

  随着医疗设备继续向小型化方向发展,低功耗也变得越来越重要。老牌ASIC供应商奥地利微电子(Austria Microsystems)强调其在超低功耗和低电压设计的专业技术以及低成本方面的优势。该公司全球高级销售副总裁Carlo Rebughini声称:“我们的战略重点在于向便携医疗保健和医疗影像市场提供定制低功率IC解决方案。同时,由于拥有15年以上为医疗设备设计与制造混合信号ASIC的专门经验,我们获得了世界级的质量标准认证,并能够提供大批量生产和可靠的长期供应。”

  Rebughini:预计对病人健康状况的远程监控将显著增长。

  举例来说,该公司面向心率监视仪产品推出5.6kHz接收器ASIC,带有低噪声输入放大器(60nV/sqrt-Hz)和6位Flash ADC,32kS/s @ 15RA电流,内置32kHz晶体振荡器,工作电流为0.5μA。同时,对于葡萄糖计产品提供精确的血糖监控ASIC的解决方案,由于集成了传感器前端和电源管理部分,外部元件数量大幅减少,待机电流为0.8μA,0-40℃温度范围内的温度漂移为±25ppm/K。此外,该公司还推出吸入器剂量计数器ASIC,采取超低功耗设计,待机消耗电流为0.33μA,工作电流消耗为1.0RA。

  他同时指出,植入式医疗器件对于器件/芯片供应商也提出了几个关键需求。第一,要使医疗设备/器件体积不断变小,并且介入程度越少越好。在助听器设计中,这一点体现得特别明显,无论是耳道内还是挂耳式助听器都几乎小得看不到。这对于植入式医疗器件也同样适用。第二,保持电池工作时间是关键,并且随着集成的功能越来越强,这种挑战性也越来越大。例如,起搏器中集成的无线功能模块不能消耗太大的电池功率。据估计,典型起搏器的电池寿命平均为10年,卓联MICS芯片消耗的功率对电池工作时间的影响小于1%(或约一个月)。

  “超低功耗设计对此非常关键。”Putnam强调说,“与此同时,医疗植入式通信服务(MICS)402~405MHz频段也在全球范围内被广泛接受。这些都为高级远程医疗应用打开了大门,可以将患者健康监测服务扩展到传统诊所以外。这两点对于设计新设备和治疗方法非常关键。”

  而对于未来便携式医疗电子的技术发展,Putnam坦承:“做出预测是非常困难的。仅仅数年前,穿过体内的药丸式相机在通过体内时将图像传给医生还完全是科幻小说的主题。今天,这一技术已经成为现实并投入了实际应用。如果一定要预测的话,我相信用于家庭监护的带无线功能的植入式医疗器件将会变得非常普遍,而且这些技术也将变得更加智能化。”

  例如,植入起搏器的患者将通过家庭中的基站连接到常规通信网络(如电话或因特网),并定期将起搏器性能和患者健康数据传输到医护中心。尽管目前已经有类似的网络,但未来家庭中的基站可能会变成某种更为便携的设备,可以由患者方便地携带,甚至穿在身上。

  今天,一些医疗设备设计人员已经在考虑将紧急反应系统集成到植入式起搏器中的可能性。如果起搏器检测到患者存在健康问题,将通过无线连接发送紧急救助信号,救护车可快速赶到。通过在起搏器中集成GPS或其它类型的定位服务,紧急救助人员可以确定患者的准确位置,并在到达前了解患者的实际状况。

  值得一提的是,奥地利微电子为CT扫描仪和X射线探测仪这类医疗影像产品提供了高性能的ASIC解决方案。为前者推出的CT光学接口ASIC每个通道的功耗是8mW,也采用超低温度漂移(典型漂移为4ppm/K)设计,以及特殊pad结构,从而可以探测小于200fA@50℃(ESD得到验证)的光电二极管电流。为后者推出电荷敏感的读出放大器,能够同时(并行)读出与面板线的120个像素对应的电荷以及120个模拟存储电压的复杂多路利用,是高线性度、超低噪声产品的典范。

  为满足便携医疗电子类似于手机或消费电子一样对于超低功耗的需求,卓联(Zarlink)公司在去年就推出了ZL70100超低功耗无线收发器芯片。该器件完全满足FCC和ETSI制定的MICS标准。该公司超低功耗通信部市场营销总监Peter Putnam称:“至今仍然没有其它同类商业化芯片能够达到ZL70100收发器所提供的高数据速率、超低功耗性能以及高集成度水平。”

Putnam       Putnam:未来医疗设备将会进一步集成无线通信功能。

  他解释说,卓联公司的超低功耗射频技术能够支持两米范围内高速500kb/s数据传输。与此相比,先前的植入式通信系统需要依赖体内设备线圈和基站间的磁场耦合,工作距离仅有10厘米范围,数据传输速率仅几十kb/s。“不久,我们还将推出性能更高的第二代器件。该技术的应用范围包括植入式起搏器、除颤器、神经刺激器、血糖传感器和埋植式药泵。”他继续说。

  飞思卡尔则将便携式医疗电子产品面临的需求归纳为:需要符合食品及药物管理局监管要求;更简单的用户界面;重量轻、功耗低;以及长寿命周期。该公司的解决方案是提供具备传感、控制和通讯能力的简单平台,通讯部分可以包括RF收发器以改善便携性和简化操作,以满足医疗设备的要求。其简单芯片组能够以合理的成本处理来自传感器的信息,需要的微控制器可以是目前市场上具有ADC的任何数量8位通用微控制器,然后把信息发送到低功耗收发器,而所需内存是由无线收发器网络标准决定的。另外,微控制器和收发器可以组合成一个单一的封装,以形成更紧凑和更有效率的解决方案。

  此外,传感器是用于监测病人状况的接触点。飞思卡尔还拥有基于半导体的多种压力和加速度传感器,为医疗保健病人提供关键的诊断、保健和监控。其中微型压力传感器封装适合于子模块元件或者一次性产品,可以使系统设计具有很大的灵活性。典型应用包括无创和有创血压监测、医院和重症病房、病人监测系统、肺活量计和呼吸治疗设备、理疗设备、透析系统和给药等。

  无线通信技术将引领下一代应用浪潮

  未来,人们对于新型的介入少而且对患者更加友好的监测和治疗方式的需求将更为迫切,从而提高患者生活质量,远程医疗将日益普及。例如,带有无线功能的起搏器能够同时将患者和设备信息数据传回医生的办公室。同样的无线技术还可用于体外以及体内传感器和植入式医疗器件,构成一个体域网(BAN),并且可以通过刺激肌肉和神经让中风患者重新获得一定的运动能力。

  供应商们一致认为,实现这些理想模式的途径是无线通信技术。飞兆的黄广贤表示:“无线技术将为医疗设备的发展开拓新天地,以实现患者和医生之间不间断的重要数据通信交流,如温度、心跳等。不论患者是在家中还是医院,医生只需查看网站,即可了解患者的状况。”

  卓联的Putnam也持同样看法:“未来医疗设备将会进一步集成无线通信功能,既可作为监测工具,还可支持新的治疗形式。现在,植入大脑中的医疗器件/芯片已经用于治疗某些病症,如帕金森氏症。目前正在研究采用同样的技术来治疗其它疾病,如忧郁、肥胖甚至成瘾性疾病。”

关键字:模拟  电源  管理  放大器  手机  设计  便携

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/consumer/200803/article_21054.html
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