在醫療電子設備產業中，家庭衛生保健是發展最快的領域。受到人類平均壽命延長，慢?病患者越來越多以及保健成本越來越高等原因的推動，越來越多更“智能”、“友好”的醫療設備正在進入家庭消費市場。

　　這些醫療保健產品包括：血糖儀、數字血壓計、血氣分析儀、數字脈搏和心率監視器、數字溫度計、懷孕測試儀、透皮給藥系統、透析系統和氧濃縮器等。其中許多儀器可以用無線方式通過互聯網連接到醫護人員的辦公室，實現對重癥病人的持續在線監視和診斷。

　　由于醫療電子產品使用的技術越來越復雜，為了確保包括醫護人員、病患本人以及最重要的家庭用戶在內的每個人都能安全有效地使用這些產品，對這些產品的設計要求越來越高，并且其中許多要求可能存在沖突。對于設計師來說，所有這一切則意味著要在給定空間的芯片或電路板上實現更多的功能，同時盡可能低地降低功率。

　　“在選擇用于家庭保健電子產品的IC時，設計師面臨的最大的問題是如何合理地平衡各方面問題，如小尺寸、低功率、低成本、高可靠性、長壽命和高安全性等。”Microchip公司醫療電子產品部高級經理Steve Kennelly解釋說，“需要多大的處理能力取決于醫療電子設備的使用者是誰。”

　　許多醫療電子設備的生產量都不是很大，因此很難通過自動化制造工藝取得較低的市場成本。當然一個積極的信號是這些產品中的單個電子器件(傳感器、MCU、顯示器、存儲器等)的價格在不斷下滑。

　　醫療電子設備面臨的另外一個障礙是如何實現遠高于非醫療電子設備所要求的密封性，而全面微型化使得密封性更難實現。

　　了解家用醫療電子設備的要求

　　對醫生等專業人士來說操作醫療電子設備是得心應手的事，因為他們培訓過這些儀器的使用。而對家庭病人來說，操作簡單極其重要。幸運的是，最新的高集成度芯片、復雜的DSP和微控制器、高密度閃存和先進的微機電系統(MEMS)傳感器都有助于實現這個目標。

　　“我們歡迎這些看起來似乎矛盾的要求，因為它們給我們提供了創新的機會。”AMI半導體公司醫療業務部副總裁Todd Schneider表示，該公司的醫療電子設計很多都使用了專用標準產品(ASSP)和專用集成電路(ASIC)，“我們進入醫療電子行業已經20多年了，因此非常理解這些設備所面臨的技術挑戰。”

　　取決于具體的實際應用，每種保健醫療電子產品的性能優先級設置會有所不同。例如，對于便攜式血糖計(經常使用一次性化學試驗帶)等產品來說，低成本是優先等級最高的參數。而便攜式家用透析系統必須將可靠性和長壽命作為設計中最優先考慮的要求，成本則在其次。像起搏器等可植入設備必須具有高可靠性、小體積和長壽命，并且功耗要盡可能小，成本在這種情況下不是主要的考慮因素。

　　尺寸非常重要

　　由于人們對醫療電子產品提出了眾多的性能要求，工程師不得不面對各種設計權衡。這意味著他們在決定使用何種類型的傳感器、模數轉換器、放大和濾波、控制和數據處理、電源、顯示器以及無線收發器電路時需要仔細權衡。

　　尺寸通常是主要的設計約束條件，特別是對醫療植入電子產品來說，最小的組織切入是絕對必須的。這種植入產品一般包含一個傳感器、一些信號處理電路或者一個發射器，所有這些器件需要裝入微型導管或探針內然后插入人體組織。小尺寸也使醫生或醫護人員更容易將植入產品放進人的身體。

　　例如，一些包含了傳感器、攝像機和射頻發射器的智能藥丸可以用來清晰和非侵入式地觀察身體內部器官。DexCon公司的可植入式血糖監視器就采用了AMI半導體公司提供的超低功率ASIC系統級芯片，它通過402-405MHz頻率范圍內的射頻傳輸功能連續監視糖尿病患者病情。

　　一次性血糖儀也將越來越小，目前的典型尺寸與手持式個人數字助理(PDA)一樣大。有些血糖儀甚至只有小型腕表那么大，但內部還是包含了傳感器、微控制器、液晶顯示器(LCD)和電池。這些儀器通常使用光學或電氣化學傳感器測量血糖值。病人只需刺破手指往一次性測試帶上滴一滴血，血糖儀就能讀出血糖值。機器和測試帶的一次性使用也必須得采用低成本設計。

　　無線心電圖(ECG)Holter監視儀是一個很好的微型化例子。使用ADI公司現有IC設計的這個監視器非常小，可以安裝在ECG電極的背部。由于具有較低的噪聲和大幅降低的干擾信號，這種監視儀可以比傳統設計提供更精確的信號。

　　降低功耗

　　更低功耗是醫療產品夢寐以求的目標，特別是電池供電和便攜式家用設備。簡單來說，功率降低意味著更長的電池壽命。它還能讓設計師靈活地使用更小的電池，充分發揮具有功率管理性能的最新MCU芯片的優勢。

　　不過，低功耗并不總是與更小的電池尺寸聯系在一起。當運算能力要求很大時，就像耳蝸可植入聽力設備那樣，電池可能比電路的體積還要大。耳蝸可植入設備必須工作在動態模式，靜態的‘睡眠’模式很難使用。這些植入產品的供電一般來自配戴在耳朵外部的感應式電源，這些產品必須使用快速時鐘速率并以寬動態范圍連續工作，因此要消耗大量的功率。

　　影響功耗的另外一個問題是IC的制造工藝。采用0.13μm工藝制造的IC具有比采用更寬線徑制造的前代IC更大的漏電流和靜態功耗。“我們在制造過程中通過優化IC晶圓的化學成份來降低功耗。”AMI半導體公司的Todd Schneider表示。

　　降低IC的工作電壓以及仔細管理電容效應對減少漏電流大有幫助。這正是醫療電子系統制造商采用(三維封裝中)芯片堆疊方式取代在有限大小的平面上擠壓每個器件占板面積的原因。

　　幸運的是，有些特定的技術有助于管理功耗。例如，降低時鐘速率和縮短動態模式下的工作時間都可以用來降低功耗。“關鍵是快速上電。”Schneider指出。喚醒芯片使其快速進入動態模式、并盡可能長地讓它處于睡眠模式可以確保較低的功耗。

　　深入理解具體應用對IC功能的需求有很高的價值，它可以幫助設計師用門電路以硬件方式實現所有必要的功能。雖然這種方法不是非常靈活，但它確實可以明顯減少芯片上任何不需要的功能，從而有效降低功耗。

　　TI公司最近推出了一款帶有完整信號鏈的超低功率MCU，可用于各種便攜式醫療診斷設備，如個人血壓監視器、肺活量計、脈搏血氧計和心率監視儀等(圖1)。這款型號為MSP430FG4270的16位精簡指令集處理器(RISC)SoC集成了全面的功能鏈，可以幫助設計師開發出低成本的便攜式醫療設備。

　　圖1：TI開發的這款高集成度MSP430FG4270 16位RISC MCU中集成了低功率、低成本便攜式醫療產品(如血糖儀)所需的主要功能模塊。

　　共有5種低功率模式可用來延長電池壽命。在待機模式，耗電只有1.1μA，工作電壓為1.8到3.6V。在1MHz和2.2V時該器件耗電特別低，只有約250μA。在1萬片訂量時的單價為3.78美元，是業界同類芯片中最低的，據TI公司透露。

　　NEC微電子公司也推出了廉價的8位MCU，如78k0/Lx3系列，其中許多功能是專門為便攜式保健電子應用設計的。這個全閃存器件集成了片上LCD控制器/驅動器，消耗很少的功率，在待機模式下只消耗2.3μA的電流。

　　業界在為超低功率的聽力應用(如助聽器)開發非常高質量的聲音方面也有顯著進步。AMI半導體公司的Ezairo 5910 ASSP集成了一個被稱為聽力增強器的柔性濾波引擎，能以極低的功率提供非常高質量的聲音。這個聽力增強器耗電小于1mA，可以提供高質量聲音所需的完全24位處理和長電池壽命。

　　DSP進入家用醫療電子產品

　　DSP在醫療電子產品中的應用也越來越廣泛，它有助于處理復雜的運算和降低功耗。它們在便攜式醫用超聲波成像設備中有很大的作用，可以用來實現比以前的二維產品更精確和更清晰的三維成像質量。

　　在ATM半導體公司設計的一款獲得大獎的亞波段電子聽診器的核心部分中就裝備有一款超低功率的DSP，該設備應用了采用過采樣濾波組的信號處理技術。這款DSP提供21dB的放大性能，與衰減聲音信號的傳統聽診器相比性能有了極大的提高。該器件工作在1.8V電壓，只消耗4.1mW功率。整個電子聽診器的功耗為47mW，其中大部分功耗(43mW)是LCD讀取設備消耗的。