家用医疗电子设备的差异化设计

1、.：.；家用医疗电子设备的差别化设计2021.05.26全球人口的老龄化和医疗本钱的飚升推进了对家用医疗保健处理方案的宏大市场需求。随着更小、更廉价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添加，而半导体技术的开展推进了家用医疗保健的普及和本钱的降低。 这个数字非常惊人。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，并且估计到2025年这个数字将到达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，并且有望在未来继续上升。 医疗保健市场非常大。据美国政府泄漏，美国在医疗保健领域支出了2.5万亿美圆，占整个国家GDP的18%。A

2、BI Research公司预测，到2021年将有5,900万台可佩戴的家用医疗保健设备投入运用，届时可佩戴设备的总数将到达4.2亿台，其中包括体育和健身用设备。 Freedonia Group公司以为目前家用医疗保健设备的市值已远远超越70亿美圆，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、医疗设备和平安设备。 今天的医疗设备能给病人提供更低本钱和更加平安的监护方式，在某些情况下甚至可以在本人家里处置他们的安康情况，减少了去医院、诊所或医生办公室的需求。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 HYPERLINK ed-china/SEARCH

3、/ART/%D1%AA%CC%C7%D2%C7.HTM 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经过晋级添加了保健丈量和管理功能。 用于医疗设备的半导体技术 在互联网衔接的推进下，半导体IC性能和集成度得到了极大提升，进而推进着家用医疗保健设备的创新。有趣的是，这些半导体IC的开展挽救了上千条生命，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，并添加了对更多医疗创新的需求。 设计师可以充分发扬传感器、微控制器单元( H

4、YPERLINK ed-china/SEARCH/ART/MCU.HTM MCU)、微处置器、 HYPERLINK ed-china/STATICS/SITE/KW-DSP.HTM o DSP技术运用最新参考设计、运用笔记、设计指南、业界动态 DSP、模拟前端、存储器、电源IC和发送器与接纳器的功能。FPGA也能实现许多功能。这些处理方案都能到达很高的功能集成度。 许多IC功能正在推进家用保健医疗趋势，特别是处置器和先进的传感器。例如，DSP具有高运算才干，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

5、、蜂窝、汽车运用和其它消费产品。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丈量时手臂相对于病人心脏的正确位置，从而实现最大的丈量精度。 HYPERLINK ed-china/SEARCH/ART/%C2%F6%B2%AB%D1%AA%D1%F5%D2%C7.HTM 脉搏血氧仪是最近参与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。血氧仪可以用来丈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。安森美在三年前收买了高级定制IC领先

6、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运用所需的完好信号链功能。 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丈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讯的家用保健终端。ADI公司医疗保健部全球战略营销经理Paul Errico引见，“这只是我们可以提供的便携式家用医疗保健产品中完好信号链(图2)所需的IC之一。 图2：便携式家用医疗保健产品中信号链的主要功能块。 “我们正在开发可以满足当前和未来家用医疗保健运用需求的处理方案，这不仅包括信号链中的数据丈量部分，还包

7、括家用病人及其医疗效力提供者之间的衔接部分。TI公司医疗营销总监Steve Dean表示。设计挑战 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置才干、更加友好和简单的用户操作、无线衔接以及更低的最终用户本钱。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位平安加密算法和433、865、915MHz频率通讯，后两种频率是用户可选的。TI公

8、司还表示，MSP430是业界功耗最低的MCU，电源电压从2.2V至5.5V，耗电仅330A(3V和1MHz时)，待机方式时的漏电流仅0.1A。 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的最新开发成果是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运用。“我们曾经交付了11万个eZ430开发套件。MSP430营销经理Adrian Valenzuela表示，“经过这些开发平台，我们正在尝试支持更多运用，像医疗(比如心率、脉搏、血糖值和体温监视)、家用自动化、业余喜好等。 图4:基于CC430的

9、eZ430-Chronos运动手表支持运动以外的许多运用。 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方式仅耗费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：家用血糖仪电路需求超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。 一些公司运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78

10、kOR CPU内核，任务电压从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。在待机方式下，该MCU的耗费电流仅1.2A。 “我们从20世纪90年代初就开场从事血糖仪业务，因此非常了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级低功耗待机方式目的杀伤力过大。现实上，待机方式下约1A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运用32位MCU来提供更高的精度。现实上，NEC提供32位全闪存 V850ES(图6

11、)，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最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。全球超越3亿人患有哮喘。 KarmelSonix公司针对哮喘病人推出了哮喘仪。这种个人哮喘评价设备采用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

12、流动的不规那么数据，并馈送到DSP。然后由处置器判别病人的呼吸速率，这个速率定义为喘息占用的呼吸周期继续时间。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丈量参数。 KarmelSonix公司获得专利的软件算法运用了严厉的规范来判别喘息的出现。该公司泄漏，这些规范是由计算机处置的呼吸声音分析(CORSA)提供的指南而确定的。 “哮喘仪还可以给家用以外的场所带来方便。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经过笔记本电脑上的USB端口从任何地方下载到医生或医疗提供商那里。ADI公司战略营销经理Tony Zarola表示，“我们有望在EKG无线监视设

13、备中经过USB端口运用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，经过一个面罩提供柔

14、和的紧缩空气流，以坚持病人的气道畅通。 “这是目前为止我们提供的睡眠呼吸暂停治疗方面最复杂的产品，它的面世正当病人配合问题最突出的时候。菲利浦公司家用医疗保健处理方案首席执行官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，可供成人和儿童运用。这种设计可以协助 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，菲利浦公司还在推行家用医疗保健平台显示器终端，这种设备可以方便地经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音讯，并能用于与安康有关

15、的丈量。 Intel公司最近宣布正在测试Health Guide，一种用于医疗信息监视和通讯的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，并经过网络向远程的医疗提供者提供概略。 Intel和GE都是康体佳安康联盟(Continua Health Alliance)的分量级成员，最近两家公司结合起来攻克针对家用和辅助生命安装的医疗保健课题。康体佳安康联盟成立于2006年，旨在处理导致医疗保健本钱急速上升的生活方式、安康和人口开展趋势问题。 康体佳安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。该组织努力于无线和有线通讯协议的

16、规范化，并协助 许多IC和医疗设备提供商积极参与便携式家用医疗保健监护设备市场。互操作性 互操作性是家用医疗保健设备的重要目的。医疗设备和IC机构认识到，要想昌盛家用医疗保健设备市场，这些设备必需具有较高本钱效益和平安性，并能相互间或与其它病人信息资源实现快速通讯。 “交互性是一个重要的课题，可以促进便携式家用医疗保健市场的进一步开展。TI公司MCU医疗处理方案业务开展经理Rajesh Verma表示，“作为这方面任务的一部分，我们正积极协助康体佳安康联盟完成一切可任务通讯协议的规范化。 康体佳安康联盟最近选择了2.4GHz HYPERLINK ed-china/ART_8800028808_

17、400001_500003_OT_78951d78.HTM o 集成蓝牙、低功耗蓝牙、eGPS和FM四种无线电功能的BlueCore7单芯片方案 低功耗蓝牙和Zigbee医疗保健协议作为其互操作性设计指南的第二版本。由于低功耗蓝牙在手机中的流行，低功耗蓝牙能够成为家用医疗保健设备的规范配置。另一方面，TI的Steve Dean指出， HYPERLINK ed-china/SEARCH/ART/ZigBee.HTM ZigBee能够在用于病人和资产跟踪的某些临床安装中占主导位置。 还有一些私有协议，如Dynastream Innovations公司分公司ANT Wireless的ANT。ANT是

18、一种超低功耗无线2.4GHz协议，主要用于医疗保健和健身监护运用。ANT Wireless公司表示，采用ANT协议的节点可以用钮扣电池继续任务几年时间，相比之下其它电池可继续数月。ANT是专门针对可靠灵敏的数据通讯设计的，可有效抵抗串扰。 对设计师工程师和医疗设计OEM商来说，无干扰的医疗监护是一个重要课题。医疗监护器和收发器设计必需发射低能量程度的信号，不能干扰周边的其它信号。无线和有线传输必需满足美国国家食品药品监视管理局(FDA)严厉的平安和可靠性要求。另外，发送的数据必需满足病人和医疗提供商提出的严厉隐私要求。 Nordic半导体公司在其nRF24AP2 8通道无线收发器中运用的就是A

19、NT协议。最近该公司开场提供nRF8001 BLE芯片(图7)样品。 1006-CS-59574_fig_07.gif ABI Research公司估计，到2021年交付的低功耗蓝牙芯片组将超越25亿个，而这个市场的年复合增长率(CAGR)将达78%。这种芯片组的开展将反映低功耗蓝牙的两种不同实现，即双模和单模，其中首先实现的将是单模芯片。 飞思卡尔半导体公司采用的是ZigBee医疗保健协议。飞思卡尔公司拥有近60%的市场份额，是基于ZigBee的收发器芯片的领先供应商，这种芯片完全符合IEEE 802.14.5规范。飞思卡尔公司也是传感器、嵌入式处置器和电源管理器件的领先供应商，这些器件已被广泛用于家用医疗保健设备，包括脉搏血氧仪、血糖仪、胰岛素泵、注射泵、血压监视仪和个人监护产品，如行动监护仪、步行传感器及可佩戴的恐慌告警器。 人体可穿戴网络 像康体佳