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半导体:推动家用医疗设备变革式发展
  1. 2010-04-19 13:05
  2. 作者:Paul Errico
  3. 来源:创e时代
随着医疗设备进入家庭,医疗设计工程师逐渐将半导体用作医疗设备的基础元器件。 半导体技术为开发体积更小、功能更强大的家用医疗设备铺平了道路。对于患者而言,体积更小的便携式设备意味着改善医疗护理、减少医院就诊次数和降低医疗费用。要在家庭环境中发挥效用,医疗设备就必须操作简单并且在即使误操作的情况下也能确保安全。 随着需要在家特别护理的老龄化人口(当年的婴儿潮)的日益增多,对家庭医疗保健设备的需求也进一步加大。根据世界卫生组织统计,2006 年,全球60岁及60岁以上的人口数量为 6.5亿。 到 2025年这个数字预计将达到 12亿。在美国,现在65岁及65岁以上的人口在总人口中所占的比例比以前更大,而且预期这个数字在下个世纪会稳步增加。 有相当多的现代半导体器件锁定了提供娱乐和通信的家庭及手持消费电子设备。大部分专业设计知识,甚至包括其中一些设备,对于实现最新一代家庭医疗保健设备十分有用。若把这些设计与高性能传感器和数据采集设备相结合,由此形成的产品组合可以嵌入到可在家庭环境中使用的医疗级系统中。 半导体产品已经成为家庭医疗保健设备的催化剂。可靠的、高性能的传感器、放大器、提取和数字化精确信号的数据转换器,以及可以对获取信号进行复杂分析的嵌入式处理器证实了这一点。 本文对近来集成电路 (IC) 技术的新发展(如传感器、数据转换器、和嵌入处理的发展)如何对家庭医疗保健设备起到推动作用进行了概述。 传感器 现今的诊断测量系统都基于集成系统,如针对糖或甚至胆固醇用于监控临床相关的具体目标物质的自动化家庭测试系统。 来自 Thermo Scientific、拜尔和其它的临床实验室系统可以对单个血样进行多项测量。测量包含一个用于识别目标物质的传感层,该传感层对目标物质加以识别后生成一个可被转换器识别的物理化学信号。血液葡萄糖监视器就是上述测量过程的示例设备。葡萄糖试纸中包含有酶,选择性地将葡萄糖转换成可测量的产物。这一转换过程生成与葡萄糖水平成正比的可用电流表测得的电子流。 半导体器件过去一直被用于给传感器提供放大器或数据转换器接口,但现在已经被扩展到用于提供实际的传感器件。硅传感器包括基于运动传感器被用于加速、重力牵引和倾斜量测量的微型机电系统(MEMS)以及被用于旋转量测的陀螺传感器。此类别中的其它产品包括: 电容-数字转换器。 阻抗-数字转换器。 使用LED的光子系统。 光电二极管。 数据转换器 经常与高精度放大器结合使用的数据转换器是传感器之间的核心信号处理模块,可以数字化和驱动传感器。模拟-数字 (AD) 转换器等产品使得低功耗、高精度的系统成为可能。逐渐接近寄存器和Σ-Δ转换器也同样满足这些系统的分辨率测及量信号带宽要求。要选择最佳转换器,必须考虑功率消耗、分辨率和速度。 嵌入式处理 要实现临床环境以外的紧凑的、电池供电用的医疗诊断和监测,高性能、低功率、低成本、安全的嵌入式处理是必可不少的。嵌入式处理器控制了整个设备,同时对采集到的信号进行现场复杂分析,首先验证质量,然后将其转换成医学上有用的信息,然后将结果以可被理解的格式转给病人。处理器可能还会负责管理无线或(有线) 连接,用于将患者的数据传送给医生。一个用于非侵入式地监视有关某人健康状况的关键生命体征的手表大小的设备,并不是天方夜潭。 当开发人员寻求更高性能同时想将系统成本和功耗降至最低的时候,一款集成式数字信号处理器(DSP)和多点控制单元(MCU)会是有帮助的。例如,现有的最新技术提供了强大的处理速度和强大到750 MHz,还提供对包括USB、以太网、无线网络、蓝牙及LCD在内的有线和无线通信的广泛连接性支持。此外,有些处理器提供的专利技术,可以增强对知识产权和代码的保护。 复杂的家庭设备 通过半导体技术实现的家庭医疗保健设备示例,如Wholter—一款夜间肺部监视器和Wheezometer—一款个人哮喘评估设备。这两款产品均由KarmelSonix公司研制开发---一家推动哮喘控制领域医疗设备技术开发的公司。上述两款设备解决了全球范围内超过4800万哮喘患者对进行自我评估和控制其哮喘症状的关键需要,在此之前只有临床医生事务所或医院才有能力提供这样的服务。 为了进行妥善的医学治疗,哮喘评估或多变量肺活性测定的结果必须实时而准确。在过去,仪器的可靠性等级仅依赖于肺活计技术,这种仪器通常被放在医院或医师的办公室,使得在家或在路途中的哮喘患者具有一定风险。为了将这一重要的病人护理从专业机构转移到家中,Karmelsonix公司在这些产品中使用高速DSP芯片和精确信号处理元器件,以确保哮喘患者可以获得有关其“喘息率”的准确、可靠的评估数据。喘息率是一个动态的、哮喘发作的重要指标。哮喘患者可以使用这些医疗设备对症状进行早期自我评估,这是正确用药的根本。 继续讨论呼吸设备产品示例,这些产品用到了一种专利的无创压电式声学肺部解剖传感器阵列。 通过一个四通道的低噪声放大器采集信号,然后通过一个六通道同步采样16 位AD转换器数字化。然后这一种高分辨率的信号可以被送入一个处理器(诸如前面提到的集成DSP和MCU)进行信号分析。一个电压监测器可确保所有电路运行在正确的信号和电源电位。该信号链路与设备公司的设计专业知识和软件相结合,可为在家或在路途中的患者提供产品性能能在医学上可以接受的产品,促进患者的正确自我治疗或诊断支持。 简单的家庭设备 许多家庭健康支持设备在功能方面要简单得多,但对于拯救生命和防止意外事故起着至关重要的作用。 例如,来自Zoll Medical公司的Pocket CPR 产品被放置在对心脏病发作病人进行CPR(心肺复苏术)的救护人员手中。该设备用于测量胸部压缩深度,为救护人员提供声音和视觉反馈,以便调整到适当深度和正确率。该设备还提供语音指示,这可以给相对较缺乏经验的救护人员信心,或告知经验丰富的医护人员以正确的技巧。通过采用一款对救护人员手中的器件运动进行精确测量的加速度计,可实现这一功能。在美国,突发性心跳骤停是导致死亡的主要原因,根据Sudden Cardiac Arrest Association(突发心脏骤停协会)声称,每年有300,000人死于此。高质量的胸部压缩可以将患者从死神手中夺回。 或者是更简单的,由 Motion Knowledge Systems公司开发的FallSaver产品,可用于那些需要帮助才能移动的病人。医护人员不可能始终在场监护可能自行走动的卧床病人,因为他们有些是有痴呆症或是不愿意打扰医护人员。这通常会导致虚弱性跌倒,无论是在精神病院、在家里、还是在疗养院。将小片FallSaver 附着在病人的大腿上,并提供长达两个星期的病人移动情况的连续监测,特别是确定其是试图站立还是走动的动作。然后,FallSaver单元发出警报,并向护士呼叫站或看护人员携带的无线电设备发送无线电信号。理想情况下,在患者跌倒之前,该看护可以去到床边帮助患者进行想要的移动。此设备也是通过加速度计来实现的,其提供了数字格式的运动信息,以对运动模式进行快速算法分析。除了在前面提到的加速度计,下一代三轴加速度计可采用更小封装和具有更低功耗的情况下提供更高级别的功能。例如来自Analog Devices公司的 ADXL345 和 ADXL346。 连接性和电源 连接性和电源是未来家庭医疗保健设备的两个核心因素。在糖尿病的管理上,在很多情况下,具备准确地将来自诊断设备的临床读数传输给医护专业人员的功能与病人的自我监护能力同样至关重要。例如,一个准确的ECG(心电图)电流波形只可以通过打印输出或通过一个电子通信信道传输以信号的形式提供给临床医生。在过去,要达到这个目的,ECG设备不得不直接连接到计算机上,而计算机会对病人带来潜在的电气危害。USB 隔离器——最新的科技进步,可以克服这一问题,通过提供从病人与计算机,网络的全电隔离的同时,仍可以实现全功能心电图和计算机连接性。 测量前端还需要少量的功率来驱动放大器和用来采集并数字化心电图信号的数据转换器。隔离电源由直流-直流转换器提供,从而无需对电池充电和更换电池。可以采用这类设备来设计实现许多需要直接电气接触病人身体的家庭保健设备,以及实现通过USB直接连接到计算机的功能,从而提供对结果进行存储、分析、传输的完整功能。这些技术也会让医学工程师更容易符合最新版IEC 60601的要求。 通过开发出创新性IC,半导体公司改善了全球病人的医疗护理质量。 医学工程师以半导体技术为基础,开发针对疾病管理、健康与保健和药品运输的家庭医疗保健系统。便携式和家用医疗保健产品在半导体设计方面的大部分改进借用了从其它便携式消费产品(如移动电话、媒体播放器)的经验,如移动电话、媒体播放器。这在电源管理、运动检测和射频传输等方面尤其如此。然而,要正确地检测和分析低电平、复杂的临床信息,具有精度地信号放大、转换和处理方面的专业知识仍然是基本的。 结论 对家用医疗设备需求的不断增长使得系统要求变得日益复杂,对医疗设备设计者的要求更加苛刻。这些设计者必须缩减下一代便携医疗设备的尺寸、进一步简化其操作和提高其性能。这些系统级的需求意味着模拟半导体制造商必须能够应对突破积木搭建式集成电路的挑战,以使得新一代产品设计成为可能。开发出具有创新功能的未来医疗设备将越来越多地依赖于系统和模拟IC 设计人员之间持续而有效的信息共享。这样的信息共享使得半导体技术在设计改变生活的产品中发挥积极作用。 关于作者 Paul Errico 为Analog Devices公司(Norwood, MA)的医疗护理小组战略营销经理
【责任编辑:靖楠 TEL:(010)68476606】

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