转载：www.wirelessdesigntaiwan.com   作者：Jonathan Bearfield, Texas Instruments

目前的政府与医疗机构正努力完善其医疗体系，以提升病患服务质量。为了让病人有更多时间在家中养病，不必到医院或医生办公室来，医疗产业充分发挥了可携、远距离连接的医疗监控系统的优势。 这些设备包括从血糖仪到可携式心电图(ECG)系统。

可携式医疗电子设备所面临的挑战，在于对远距离连接可移植性的要求越来越高，同时还要保持所采集数据的质量与响应性。“可携式”一词表示设备装有轮子，可在门中透过。 但如今，这个定义有所改变。如今许多医疗设备为完全可移动的，甚至是可以是 可穿戴的，这当然会带来设计方面的挑战，不只是设备体积上的，而且也包括内部电子组件。
如果把可携式医疗监控设备解剖开来，可发现其中有五个基本的部分 (下表)：
• 显示器与显示器界面
• 电池及功率管理
• 生物传感器界面
• 数据接口
• 系统微控制器或数字信号处理器 (DSP)
显然，不同系统间每个模块特定的性能也不相同。

显示器
不论是向病人告知体温或心电图(ECG)结果，显示器的显示效果都是一项重要的性能特点，其效果在某种程度上取决于适当的背光解决方案。 不管是感应式还是简单的电荷泵拓朴结构，由于可携式系统由电池供电，有较宽输入电压距离的背光解决方案可降低对额外调节系统中的需求。选择升压型或降压/升压双向变换器可轻松的由多个电池供电来工作，具有较大的设计弹性。当然，设备的尺寸和总功率效率是关键的问题，采用有较高集成度及先进封装的设备是更高效而经济的方法。

触控屏幕控制(TSC)是简化可携式电子设备使用的关键的因素，由于免除了传统键盘，还可进一步缩小设备体积。TSC利用菜单驱动的功能选择，对输入及输出数据显示进行精细调节，能放大按键而更方便使用。 实施TSC时，要考虑的一个重要因素是所选方案的静电 (ESD) 处理能力。 如果TSC电路不能发散静电产生的能量，该能量可透过中央微控制器/DSP并造成其损坏。 实施TSC要其他的因素有分辨率、与屏幕尺寸、转换类型与速度、以及总体功耗等。

传感器接口与讯号链
不论是温度、脉搏、血糖读取或其他生物传感器，实施适当的讯号链都是最重要的问题。讯号链的第一阶是仪用放大器(图2)，如有较低输入偏移、较低漂移及有交流性能的较大直流精度的微功耗放大器INA326。多数实施是在毫伏级噪声内尝试寻找一个微伏级的讯号。由于目标讯号有交流功能，需要有一个与高通滤波方案配合良好的放大器，采用自动回零或自动计算功能可进一步简化系统补偿要求。

典型地，第二阶是一个低功耗运算放大器，如OPA376，有较宽的带宽、轨到轨输入及输出 (RRIO)，并具有出色的精度。 零交越一类的功能可在整个输入共模距离产生线性偏移的讯号。这表明微控制器并不需要运算额外的算法来校正偏移。

讯号链下一阶是良好的delta-sigma或逐次逼近模拟数字转换器(ADC)，单周期滤波器设置及随需转换等功能简化了ADC的设计要求。 也提高了转换速度，并提供了较大的源阻抗。在多信道系统中，全局同步等功能提供了连续的讯号采集能力，允许在相同的频率周期内对多点讯号资源进行比较。

利用适当的布局及组件选择，可将一个干净、精确而有意义的讯号输入到系统微处理器/DSP中。

微控制器/DSP
医疗监控设备可产生大量的原始数据。 保存数据与处理趋势、识别变化、提供回馈，支持与较大系统连接的能力，以及执行诊断算法是通常是系统控制器的重要功能。

必需要均衡考虑系统处理要求与功耗限制， 虽然是针对DSP级的数据处理所设计，但只允许低功耗微处理器的功率分配，如MSP430，会造成设计的冲突。 然而，利用新的DSP技术及电源拓朴结构实施几个电源级别和待机模式，可帮助系统以经济车级的油耗实现跑车级的性能。 这表明某些处理带宽要向管理功耗方向发展。MSP430类型的控制器可管理系统待机、睡眠及唤醒转换功能，而DSP可提高总体系统性能来创建具有两方面性能的系统。 如果DSP只在需要处理要时活动，平均系统功耗将保持较低，仅在DSP唤醒状态下才能达到峰值。 透过实施super-caps 或其他能量储存设备可支持DSP功率突增，可将电压切断现象降到最低，并改善高系统运行进环境。 凭借最新微控制器的性能和集成度，需以较低的功耗实时处理的复杂应用可利用MSP430FG461x一类的设备来实现。

电池及功率管理
简单的系统可使用一次性电池，因为其功耗很低，可以将更换电池的总成本控制在较低的水平上。较大系统可采用各种可充电的电池及不同的电池组尺寸。动态功耗路径管理等功能，允许系统不依赖电池充电路径地消耗功率。这允许使用完全放电的电池的设备在接入后即可使用，不必等待电池充电后才能运行。在需要使用医疗系统时，并不会总有等待充电的时间。 跟踪电池真实阻抗而不是简单的电压测量或库仑计数能力是另一重要功能。由于电池电压并不呈线性地下降，电压跟踪并不能直接得到电池的真正寿命。特别是电压量程中间第三级包括60%到70%的放电周期时间。库仑计数并不能补偿电池老化问题，它并不了解电池随时间所剩下的容量。虽然不真正了解电池的状态，但它会假定了解其状态。 阻抗跟踪允许系统以1% 的误差计算电池所剩的寿命，使系统可利用电池中所有可用的能量，从而实现较长的工作寿命。

正如系统运行对医疗电子设备非常重要一样，另一关键的功能是电池验证。这是一种利用加密的设备 ID验正系统中电池能否满足原始设备制造商(OEM)要求的方式。使用不合适的电池组会影响系统的运行寿命，也能损坏系统，甚至引发起火。

一般来说，在设计周期的前端进行功耗决策，有助于确定系统级的取舍，以满足目标设备的可移植性及运行寿命需求。

数据接口
医疗电子设备数据接口从有线 RS232接口迁移到有线及无线以太网络连接、及近距离及较长距离的无线连接。 新接口允许医疗对所有建筑物内的设备进行连网，包括病人家庭内的设备。

当病人从医院返回家中时，可透过身上无线传感器远程地与医生联系，该传感器连接到家中安全系统的监控器上。 整个系统连入以太网络或医疗呼叫中，可在其家中随时私密地接收监控。 这里也可采用无线接口，如蓝牙。也可采用Texas Instruments的Chipcon系列Zigbee及其它低功耗的无线解决方案，其SmartRF技术可与家庭及工业环境连网。除了功耗外，数据速率及距离也是选择无线接口的两个重要要素。 有多个通道的2.4GHz解决方案可覆盖全球，具有较高的数据速率及占空比。 但低频可增大讯号传播距离。

利用多信道的整个身体监控系统，病人可能只需局限在家中，而不必只躺在床上。 这种情况下，距离可能有所局限，但数据速率得以最大化。如果监控只用几个传感器，距离比数据速率更重要。 最后一点，选择方案必须控制在总体系统功耗预算之内。

嵌入式系统赋予医疗电子新生命
将来会有更多创新的医疗设备出现，如家庭身体扫描仪，只要站在机器前，就可以在LCD显示器前看医生。虚拟的医生可以在世界上的任何地方，而我们坐在家里、办公室或在休假中都可以看医生。目前可携式医疗设备及监控系统可提供随时随地的医疗支持。 为了帮助医疗设备 厂商开发这些创新的产品，我们既在电子设备的外部需要适当的基础设施，在其内部也需要合适的半导体组件。

为了获得更大的成功，半导体供货商要考虑可携式医疗产品的功能和需求，为每种产品定义性能规范，并发了解其体积与功耗预算的局限。 最后，它可帮助医疗设备厂商减少返工，从最开始就优化整体的设计。

重要说明
系统 与设备厂商及设计师应该确保其系统 (及其系统内的任何TI设备)满足所有适用的安全法规及系统级的性能需求。本文中所有应用相关的信息（包括应用说明，推荐的TI设备及其它材料） 仅供参考。TI对所有的系统设计以及TI提供的任何应用帮助不承担任何责任。 在生命维持及或安全应用中使用TI 设备的风险完全由购买者自己承担，购买者同意保证让TI免于承担任何损害、索赔、诉讼或费用。

作者简介
Jonathan (Jon) Bearfield为Texas Instruments高效能模拟团队的终端设备营销工程师，该团队提供全面系统解决方案。