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SoC微处理器推动便携式医疗设备创新发展

电子技术应用 德州仪器 Kevin Belnap?? 2011年03月10日 ?? 收藏0

  便携式医疗设备正不断改进数以百万计患者的医疗保健条件。诸如血糖监测仪、心率检测仪、可吞咽胃肠 (GI) 道检测仪以及止痛植入物等众多设备都在不断提升慢性或急性疾病患者的生活质量。便携式自动除颤器可以挽救急病患者的生命。运动手表不仅能够无线记录用户的心率、测量距离、进行脚步计数,而且还可实现能最大限度发挥有氧训练优势的其它功能。未来几年中,还将继续推出众多能显著改善医疗实施及其效果的创新型医疗应用产品。

  实际上,所有这些便携式产品都需要采用低功耗微处理器 (MCU) 来接收用户或操作员的指令,并提供读数与状态更新。由于几乎所有此类产品都依靠电池运行,因而不断延长电池使用寿命成为需要重点考虑的事项。尽管这些产品在电池使用寿命需求方面各有不同,不过一般电池更换间隔在 2~10 年之间。另外,这些受空间限制的产品通常需要采用高度集成的模拟组件,以便将信号调节和转换至能够对其进行处理和译码的数字域。

  满足便携式医疗领域的微处理器需求给半导体企业带来了挑战。虽然工程设计无外乎是在相对立的功能、规范以及空间限制条件之间进行取舍,但是这种平衡取舍在便携式医疗领域往往非常棘手。医疗市场的相关需求往往很难协调,如小尺寸与高功能性、低功耗与高性能模拟,以及超长电池使用寿命与高处理能力等。这些产品需要模数转换器 (ADC)、可调节增益、电源管理以及液晶显示屏 (LCD) 等。

  本文将探讨的主题包括:医疗市场的部分创新产品;医疗设备行业的一般趋势,以及;如何采用 SoC 微处理器改进未来的设备。

  创新

  推出超低功耗的高集成度 MCU 催生了能缓解患者病痛、改进其护理并提高生活质量的产品。圣犹达医疗用品公司 (St. Jude Medical company) 旗下 Advanced Neuromodulation Systems 公司推出的 Eon 脊髓刺激器就是用于治疗慢性疼痛的可植入装置的示例之一(图 1)。植入的系统 (implantable device) 可以向脊髓附近的导体发送微弱的电脉冲,其可屏蔽或阻断从神经系统发送到大脑的痛感,用一种称为感觉异常的更舒适感觉替代疼痛感觉。

影像由圣犹达医疗用品公司供

  图 1 影像由圣犹达医疗用品公司供。Eon 脊髓刺激系统已获准用于治疗躯干与四肢慢性疼痛以及腰椎手术失败综合征。植入臀部的系统可以向脊髓附近的导体发送微弱的电脉冲。这些脉冲可以阻断发送到大脑的疼痛信号。

  SmartPill 是最近推出的另一款有趣的产品(见图 2),它精巧的设计使患者能够吞入体内,进行胃肠道状况的监测。在穿越胃肠道的过程中,它能够以无线方式向便携式数据采集设备发送数据。以前从胃肠道采集数据的方法对患者造成的创伤较大,而且/或者相当不便利。这种设备必须同时满足超小外形与超长电池使用寿命两方面的要求。

SmartPill 产品监测胃肠道状况

图 2

  从 SmartPill 系统可以看出,RFID、ZigBee 和 802.15.4 等低功耗无线协议及其它专有协议已经大幅提升了医疗领域的创新水平。除了以患者为中心的产品之外,多家公司最近还宣布推出了基于无线协议的资产跟踪系统,旨在追踪医院设备与工作人员。

  集成

  便携式医疗设备可显著受益于现代 SoC 与板上 MCU 的高集成度。如果不能在狭小的空间内为提供更多功能而进行高度的模拟集成,诸如此类的微小型产品就只能是纸上谈兵。

  图 3 显示的是可以用作血糖监测仪或脉博血氧测定仪等便携式医疗产品 SoC 的现代微处理器方框图。这种集成型微处理器是驱动上述设备的唯一 IC。这类通常用于医疗应用的微处理器可包含以下功能:

  •   高性能 ADC,通常不低于 12 位
  •   用于自动增益控制等信号调节的运算放大器
  •   数模转换器 (DAC),有时用于反馈
  •   基于段的 LCD 驱动器
  •   用于 ADC 的高性能参考电压
  •   集成闪存与 RAM 存储器
  •   电源管理与监控器,这类产品通常可以直接采用一颗纽扣锂电池或两节碱性电池运行。
  • 便携式医疗产品 SoC 的现代微处理器方框图

    图 3


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医疗设备? ADC? 血糖监测仪?

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