電子發燒友網訊：半導體技術推動下一代醫療設備變得更智能、更精確、連通性更好。什么半導體技術正為未來的醫療設備創造條件呢？飛思卡爾半導體公司的 David Niewolny 討論了對醫療設備設計影響最大的半導體技術演進。

　　醫療保健行業正在進行技術革命。全球人口老齡化加上不斷上升的醫療保健成本導致全世界的醫療保健基礎設施都處于緊張狀態。嬰兒潮那一代人現在已經成為高齡人群，這加劇了老年人口的增長。要應對這種急劇的人口結構轉變，健康衛生系統需要做出巨大改變。目前，這些變化包括只能通過先進的硬件和軟件技術才能實現的新治療手段和早期診斷工具，而這些先進的硬件和軟件技術長期以來由于醫療設備行業規避風險而沒有被使用。那么，什么技術正為未來的醫療設備創造條件呢？

　　
圖1：標準的醫療設備架構

　　圖1顯示了一個典型的醫療設備標準硬件架構。下面列出了推動醫療設備設計創新的芯片技術演進。

　　· 模擬信號調節

　　· 低功耗嵌入式控制

　　· 無線連接

　　芯片供應商提供這些戰略領域的重大技術進步，這是醫療設備客戶優化產品的必要條件。

　　醫療設備的重要而獨特的特征之一是能夠分析被有線或無線傳感器捕獲的非常微小的數據信號。運算放大器、高分辨率模數轉換器（ADC）、數模轉換器（DAC）、模擬比較器（ACMP）和電壓參考（VREF）等精密模擬組件不斷演進和發展，為提高下一代醫療設備的精確度創造了條件。

　　運算放大器用于放大和過濾信號，模擬比較器（ACMP）可以被配置為達到峰值時觸發一個中斷。下一階段需要精確定時的傳感器衰減輸出模數轉換器。設備設計人員應該尋找功能豐富、超低功耗、高于 16 位分辨率的模數轉換器（ADC）。提供高達 24 位分辨率的 ADC 可用于要求非常精準的測量。許多較新的 ADC 具有自動比較和靈活的轉換時間設置，是這類分析的理想選擇。最后，數據被發送到CPU（8 位或 32 位），用于分析數學部分。

　　雖然可以用模擬電路開啟或關閉芯片，但模擬功能的片上集成提供許多系統成本優勢。最明顯的優勢是，它減少了對外部 IC 的需求，從而節省了 BOM 和板卡空間。此外，片上模擬還具有低壓檢測和內部帶隙參考電壓，從而進一步降低了整體成本。

　　另一個方面就是降低功耗，半導體設計在這個方面每前進一步，都會對醫療保健行業產生重大影響。低功耗使原本被功耗束縛的設備變得可隨身攜帶，然后又將便攜式解決方案轉為無線傳感器。對于許多醫療設備來說，微控制器或微處理器是核心組件，即使不執行全部應用任務，也執行大多數應用任務。微控制器可能是降低設備功耗的主要貢獻者，因此，要實現電池壽命目標必須利用微控制器的功能。無論是束之高閣還是在待機模式或是正在進行測量，這些功能都會影響電池的使用壽命，從而決定了一個產品對最終客戶的價值。

　　半導體制造商正在采取措施，通過實施一些創新的設計技術來降低醫療設備的運行功率。首先是實施額外的運行模式。每種低功率模式都根據特定的功能級別而量身定制，以獲得最佳性能/功耗比。對于某些設備，運行模式支持 250 nA 的最低功耗，這使醫療應用能以最高的能效連續運行。運行模式還能使許多 MCU 外設以低功率運行模式工作，從而實現最佳的功能和功耗組合。

　　第二個設計技術是使用時鐘門控，可降低運行模式下的功耗。時鐘門控是一種關閉被路由到外設的時鐘信號的方法。雖然對一個外設進行時鐘門控最多僅降低幾十微安的功耗，但如果要盡最大可能達到最低功耗，減少一切不必要的內部跟蹤和時鐘信號都是非常必要的。當禁用所有外設時鐘時，時鐘門控測量可以在運行模式中降低近三分之一的功耗。

　　第三個低功耗設計技術是創建一個獨立的電源域。每個內存位單元和 I/O 驅動程序都有一個泄漏電流。微控制器內存尺寸越大、I/O 數量越多，漏電就越大。這個獨立的電源域僅用于驅動微控制器特性的一個子集，特別是執行計時所需的晶體振蕩器和實時時鐘寄存器。使用 RTC 電源域確保醫療設備可以預設時間和日期，只有極少或根本沒有用戶交互。對于許多設備來說，這是一個關鍵要求，使用該微控制器特性不僅能延長電池壽命，而且還可以豐富用戶體驗。

　　上述所有低功耗設計技術都已應用在飛思卡爾 Kinetis 微控制器和微處理器產品線中。將上一節描述的特性整合在一起，可以優化醫療設計，實現更節能的運行。

　　盡管無線技術已滲透到日常生活的許多方面，但大部分醫療設備仍然是有線的。一個典型的設備擁有一個數據收集傳感器，該傳感器通過線路連接到醫療設備，而該設備可通過 USB 等有線連接，連接到 PC。這些有線解決方案給患者造成許多問題，最重要的是易用性問題。請看下面患者讀取心電圖（ECG）的示例。圖 2 顯示了一個夾著有線傳感器的患者，這是典型的 16 導聯心電圖。圖 3 顯示了下一代創可貼?大小的心電圖數據采集設備。對比兩幅圖，可看出哪種設備更易于使用、最適合患者在家中使用。

　　
圖2：心電圖數據采集設備（目前的）

　　
圖3：心電圖數據采集設備（未來的）

　　在選擇無線協議時，醫療設備設計人員有多種選項。下面的表 1 中列出了醫療保健設備中常用的無線協議。

　　正如您看到的，有各種各樣的低功耗技術可用于無線醫療設備中，每種技術都有其獨特的效用。ANT/ANT+是一個以2.4GHz運行的專有協議，目前主要用于健康和健身產品中，而非臨床醫療設備中。ANT產品的總量正快速增長，但只有極少數產品采用了這種技術，這可能是因為突發傳輸速率僅為 20kbps。

　　與ANT類似，Zigbee 也以 2.4GHz 運行，并已經在一些醫療設備中采用，這主要是由于其特定的醫療保健配置。一個關鍵的區別是，ZigBee 基于一個開放的標準協議（IEEE 802.15.4），而 ANT 采用專有協議。Zigbee 在臨床環境中獲得了成功，因為醫院的 IT 專業人士能夠利用其網狀網絡功能的優勢。

　　藍牙智能（BLE）是一種專門為短程、低能源應用創建的無線技術，這些應用只需要短暫的數據突發（即非數據流）。低延遲和各種睡眠模式使 BLE 以低功耗特性見長。憑借這些特性，加上藍牙 4.0，包括藍牙智能（BLE），已成為手機、平板電腦和 PC 等智能移動設備的標準，BLE 很有可能在市場上普及。

　　已為市場快速普及準備就緒的一種新的無線協議是 Medical Body Area Network（醫療機構區域網絡）或 MBAN 協議。開發 MBAN 頻譜的目的是針對低功耗和短程醫療應用，為了將患者從床邊監護及治療設備的束縛中解脫出來，應對“最后一米”的挑戰，MBAN 頻譜而得以發展。它使用 IEEE 802.15.6 標準運行，可能使用與 Zigbee 或藍牙智能相同的無線電硬件。專注于健康和醫療應用的芯片供應商已經開始創建解決方案，其中的一些解決方案將于 2012 年推出。

　　醫療市場中的無線應用正處于突破關口。想象一下某個系統使用嵌入在衣服中的傳感器來監測您的心率，然后將數據發送到遠程監控網關，并提醒您的醫生，所有這一切都是采用無線完成，沒有任何干預。遠景已經勾畫，標準正在制定，醫療市場的一場技術革命正在進行中。

　　要考慮最后一點的是，不像許多其他電子產品，醫療設備在上市前面臨沉重的監管負擔。即使在最好的環境下，開發醫療設備也投資巨大（1000 萬美元至 2000 萬美元），而且上市的時間很長。這就需要產品有 10-15 年的壽命。芯片供應商已經注意到這個問題，而且一些供應商已推出計劃，保證產品壽命為 10 年、15 年甚至 20 年。

　　未來 5 年將是令醫療設備領域興奮的 5 年。模擬、低功耗以及無線技術的新發展將有助于重塑醫療系統，就像它們今天所起的作用一樣。在這個新世界里，一切都將通過無線連接，非常精準，并且可以使用許多年。很快，設備 – 而不是醫生 - 將幫助我們對健康問題做出明智的決策。這將有助于降低醫療成本、提高病人護理水平。對于下一代醫療設備的開發人員和用戶來說，前途是光明的。飛思卡爾長期以來一直在為管制嚴格的汽車市場提供嵌入式解決方案，與飛思卡爾這樣的合作伙伴攜手合作，能夠讓醫療設備設計人員安心。飛思卡爾努力研發，不僅提供高度集成、超低功耗并提供靈活的連接選項的微控制器產品組合，而且還提供各種各樣的傳感器、模擬和無線解決方案，以滿足醫療設備設計人員的需求。

　　作者：飛思卡爾公司醫療產品市場營銷經理 David Niewolny