家用便携式医疗电子设备的差异化设计

随着更小、更便宜的便携式家用护理技术替代大型昂贵的设备，市场上的医疗保健产品数量不断增加，而半导体技术的发展推动了家用医疗保健的普及和成本的降低。

据世界卫生组织(WHO)统计，2006年全球50岁以上的人口数量是6.5亿，并且预计到2025年这个数字将达到12亿。仅在美国，65岁以上的老人在人口中的比例就在不断上升，并且有望在未来持续上升。

医疗保健市场非常大。据美国政府透露，美国在医疗保健领域支出了2.5万亿美元，占整个国家GDP的18%。ABI Research公司预测，到2014年将有5,900万台可佩戴的家用医疗保健设备投入使用，届时可佩戴设备的总数将达到4.2亿台，其中包括体育和健身用设备。

Freedonia Group公司认为目前家用医疗保健设备的市值已远远超过70亿美元，其中涉及的技术包括呼吸治疗、静脉(IV)注射、透析、病人监护、轮椅、辅助步行、医疗设备和安全设备。

今天的医疗设备能给病人提供更低成本和更加安全的监护方式，在某些情况下甚至可以在自己家里处理他们的健康状况，减少了去医院、诊所或医生办公室的需要。医疗保健正变得越来越分散化。

便携式家用医疗保健设备包括血糖仪、血压计、心率监视器、数字体温计、脉搏血氧饱和仪、用于治疗哮喘和其它呼吸疾病的哮喘仪、用于老人和残疾人的跌落与运动检测设备以及用于体重监视和管理的数字秤，还有用于治疗睡眠呼吸暂停的设备。许多家用健身设备也通过升级增加了保健测量和管理功能。

用于医疗设备的半导体技术

在互联网连接的推动下，半导体IC性能和集成度得到了极大提升，进而推动着家用医疗保健设备的创新。有趣的是，这些半导体IC的发展拯救了上千条生命，并使许多人的寿命更长，这进一步提高了对保健医疗的要求，并增加了对更多医疗创新的需求。

设计师可以充分发挥传感器、微控制器单元(MCU)、微处理器、DSP、模拟前端、存储器、电源IC和发送器与接收器的功能。FPGA也能实现许多功能。这些解决方案都能达到很高的功能集成度。

许多IC功能正在推动家用保健医疗趋势，特别是处理器和先进的传感器。例如，DSP具有高运算能力，可用来实现新一代监护产品。

先进的加速度计，比如ADI公司的ADXL345 iMEMS三轴数字加速度计，被广泛用于上百万台游戏机、导航设备、蜂窝电话、汽车应用和其它消费产品。这些加速度计可确保家用数字血压计的精度。它们可以检测并确保测量时手臂相对于病人心脏的正确位置，从而实现较大的测量精度。

脉搏血氧仪是较近加入家用医疗保健监护阵营的设备之一，而血氧饱和度是继血压、心率、呼吸率和体温之后的第5个重要体症。血氧仪可以用来测量血色素携带的氧气含量。血色素是红细胞的重要部分，用来将氧气从肺部输出到人体各处组织。

脉搏血氧仪(图1)可以采用许多传统的IC来设计，安森美公司表示。安森美在三年前收购了高级定制IC领先制造商AMI半导体公司。一些半导体IC制造商可以提供家用保健医疗应用所需的完整信号链功能。

图1：脉搏血氧仪可以采用传统的IC来设计，安森美为脉搏血氧仪方案提供棕色框图中的IC。

“我们开发的AD5933阻抗分析芯片可以用来测量诸如人体脂肪和血液凝固度等参数，输出可以链接到与医生通信的家用保健终端。”ADI公司医疗保健部全球策略营销经理Paul Errico介绍，“这只是我们能够提供的便携式家用医疗保健产品中完整信号链(图2)所需的IC之一。”

家用医疗保健设备市场给设计工程师提出了许多艰巨的挑战，包括低功耗进而更长的电池寿命、鲁棒和强大的数据处理能力、更加友好和简单的用户操作、无线连接以及更低的较终用户成本。半导体IC制造商也越来越多地面临这些挑战。

TI公司的CC430平台(图3)包含了MSP430 MCU、CC1101射频收发器系统级芯片(SoC)和智能外设，整个平台采用9.1x9.1mm的64引脚四方扁平无引线(QFN)封装。CC430采用128位安全加密算法和433、865、915MHz频率通信，后两种频率是用户可选的。TI公司还表示，MSP430是业界功耗较低的MCU，电源电压从2.2V至5.5V，耗电仅330μA(3V和1MHz时)，待机模式时的漏电流仅0.1μA。

图3：TI的CC430平台包含了MSP430 MCU、CC1101射频收发器、SoC和智能外设。

基于CC430的较新开发成果是TI公司的eZ430-Chronos运动手表(图4)，这种手表支持运动以外的许多应用。“我们已经交付了11万个eZ430开发套件。”MSP430营销经理Adrian Valenzuela表示，“通过这些开发平台，我们正在尝试支持更多应用，像医疗(比如心率、脉搏、血糖值和体温监视)、家用自动化、业余爱好等。

图4:基于CC430的eZ430-Chronos运动手表支持运动以外的许多应用。

Microchip科技公司在其PIC微控制器中采用了nanoWatt XLP超低功耗技术(图5)，这种控制器可用于血糖仪等家用医疗保健设备。Microchip公司的PIC16、18和24F微控制器在电源关断模式仅消耗100nA电流，并集成了800nA的看门狗定时器、实时时钟和日历电路。

图5：家用血糖仪电路需要超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。

一些公司使用专门针对低功耗优化了的闪存微控制器单元实现手持式家用医疗保健设备，如血糖监视仪。NEC电子公司的16位全闪存MCU基于公司的78kOR CPU内核，工作电压从3.3V至5V。这种MCU集成了LCD驱动器、12位模数和数模转换器(ADC和DAC)、运放和电压基准。在待机模式下，该MCU的消耗电流仅1.2μA。

“我们从20世纪90年代初就开始从事血糖仪业务，因此非常理解这种医疗设备的低功耗要求。”NEC公司首席技术营销工程师Michael Clodfelter表示，“一些MCU制造商宣传的nA级低功耗待机模式指标杀伤力过大。事实上，待机模式下约1μA就能保证血糖仪有足够长的电池寿命。

Clodfelter还发现一个趋势，即在便携式医疗家用设备中使用32位MCU来提供更高的精度。事实上，NEC提供32位全闪存 V850ES(图6)，在用于血糖仪时功耗仅90mW/Dhrystone。当时钟频率在5MHz至20MHz时，这种微控制器的管线式架构执行速度高达43个Dhhrystone MIPS(1.1)。

图6：NEC提供32位全闪存 V850ES

呼吸监视

用于呼吸监视的便携式测试仪是较近进入家用的医疗保健产品之一。一些较著名的呼吸疾病包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘和睡眠呼吸暂停。全球超过3亿人患有哮喘。

KarmelSonix公司针对哮喘病人推出了哮喘仪。这种个人哮喘评估设备采用ADI公司的400MHz BF524 Blackfin DSP，是一种手持设备，放置在病人的喉咙口。先由压电传感器从病人的呼吸中捕获空气流动的不规则数据，并馈送到DSP。然后由处理器判断病人的呼吸速率，这个速率定义为喘息占用的呼吸周期持续时间。KarmelSonix公司表示，喘息速率是哮喘病人的一种动态和重要的哮喘发作测量参数。

KarmelSonix公司获得专利的软件算法应用了严格的标准来判断喘息的出现。该公司透露，这些标准是由计算机处理的呼吸声音分析(CORSA)提供的指南而确定的。

“哮喘仪还可以给家用以外的场合带来方便。这种便携式设备可以放在个人的背包里，哮喘仪的输出数据可以通过笔记本电脑上的USB端口从任何地方下载到医生或医疗提供商那里。”ADI公司策略营销经理Tony Zarola表示，“我们有望在EKG无线监视设备中通过USB端口使用Blackfin DSP。”

为了推进便携式家用医疗保健设备的开发，TI公司提供基于TMS320VC5505 DSP的开发套件。据TI公司称，这些套件可以将产品上市时间加快至8个月。每个套件包含硬件和软件设计工具，包括原理图、样例代码、医疗特殊算法和其它间接性支持。

皇家菲利浦电子(Royal Philips Electronics)公司为家用医疗保健领域提供智能的睡眠呼吸暂停治疗系统。这种Reprionics睡眠治疗系统大约时钟收音机大小(7x5.5x4英寸)，可以为中度至重度睡眠呼吸暂停症病人提供治疗方案。这个系统利用菲利浦开发的正向气道压力原理设计，通过一个面罩提供柔和的压缩空气流，以保持病人的气道畅通。

“这是目前为止我们提供的睡眠呼吸暂停治疗方面较复杂的产品，它的面世正当病人配合问题较突出的时候。”菲利浦公司家用医疗保健解决方案首席执行官Donald Spence表示。

菲利浦公司还提供Trilogy 100便携式家用生命支撑通风设备，可供成人和儿童使用。这种设计可以帮助护士和临床医生在家中和条件好的护理中心照看病人。

此外，菲利浦公司还在推广家用医疗保健平台显示器终端，这种设备可以方便地通过病人家里的电视机或互联网实现远程病人管理。这正是公司的Motiva交互平台提供的功能。除了监视重要的体症外，这种设备还能提供教育信息和动机消息，并能用于与健康有关的测量。

Intel公司较近宣布正在测试Health Guide，一种用于医疗信息监视和通信的PC机。这种PC机可以监视患有慢性病的老年病人的重要体症，并通过网络向远程的医疗提供者提供详情。

Intel和GE都是康体佳健康联盟(Continua Health Alliance)的重量级成员，较近两家公司联合起来攻克针对家用和辅助生命装置的医疗保健课题。康体佳健康联盟成立于2006年，旨在解决导致医疗保健成本急速上升的生活方式、健康和人口发展趋势问题。

康体佳健康联盟由领先的医疗保健提供商、保险公司、医院、制药公司、半导体IC公司以及运动用品和医疗设备制造商组成。该组织致力于无线和有线通信协议的标

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