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由 RS 设计由 RS 设计由 RS 设计

可携式医疗电子设备的技术简介

Ray Chiu

Hong Kong S.A.R., China

现时人口老化问题日益严重,医疗资源的分配是当中最受影响的一环,本文将会探讨现时电子技术在可携式医疗电子设备方面的发展。


由于医疗资源有限,远距保健/远距医疗是十分重要的技术,要把医院的医疗设备的设计微型化(称可携式医疗电子设备),是现时不少电子技术开发厂商都着重的发展项目之一,而现时普遍的可携式医疗电子产品有医疗仪表(如数字血压计、血糖仪等)、病患监控设备和超声波系统等。它们的设计要求是体积小、低功耗、高运算能力,而MCU的控制机制便有效达到这些设计目的。以下将会介绍数款由不同开发厂提供的产品。


可攜式医疗仪表

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图. 典型的可携式医疗电子设备的系统方框图(按图放大)

上图是一个以微控制器为核心的系统,通常包括LCD驱动器、电池/电源管理(如升压转换器、线性稳压器等)、生物感测器接口等。

以德州儀器(TI)的MSP430微控制器系列为例,它是TI推荐应用于医疗电子设备的MCU型号,主要特点有:

- 超低功耗, 250uA / MIPS 工作电流

- 16位元RISC混合讯号处理器, 能有效缩短程式码长度

- 高效能类比元件,适合精准量测应用

以上的特点都是可携式医疗电子设备需要具备的条件,而MSP430的医疗应用有基于心率测量的心电图监视器和医疗的USB平台。


血压计

一般的可携式血压计会使用示波法/柯氏(Korotkoff)测量法测量血压,从而计算出平均动脉压、收缩压和舒张压数据。

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图. 典型的可携式血压计系统方框图(按图放大)

飞思卡尔(Freescale) 推出的可携式仪器都是由8位/32位的MCU作核心操控,传感器系统由压力传感器和泵电机组成,以压力传感器测量血压,而测量所得的数据因为要和心脏保持水平,所以都以加速计来决定血压计的水平位置。此外亦加上无线通讯模块,加强家用医疗中心系统的功能,而MCU方面MCF51MM系列是首选32位元的型号,它的特点包含:

- Flexis™ 系列中的产品

- 超低功耗: 包含两种低功耗的睡眠模式, 500 nA (帶有32K活跃SRAM)

- 图形显示器支持

- 高测量精度: 提供16位高解析度模数转换器,而且矩阵类型的梯形电阻模数转换器能有效减少功率

- USB 连接支援: 提供器件/主机/OTG 控制器

而常用的惯性传感器/压力传感器型號則分別是MMA9550L 和MPX2300DT1,而其他型號則可以到飛思卡爾網站 寻找

 

血糖仪

血糖仪的作用是测量人体的血糖浓度,以一小滴血放在试验纸上量度血液的电导性,而该电导性便是受血糖所影响。

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图. 典型的可携式血糖仪系统方框图(按图放大)

從以上由微芯Michrochip提供的系统方框图可以看到主要的模块包括温度感测器、光学/电化学传感器、显示模块和电源管理等。由传感器输出的讯号会经过MCP系列的放大器/ADC等处理,再输入到MCU,而MCU方面则使用PIC的nanoWatt系列,如PIC24FJ192GA106PIC18F87J90

 

透过PSoC 更小化设计

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图. 以系统单晶片为核心的设计方法

以可编程系统单晶片(PSoC)为开发目标可以让电路板元件大大减少,而且可以缩短设计的时间,利用软体模拟硬体运作,易于修改设计和增强电路板的抗干扰能力。 PSoC有可编程的类比架构和整合了MCU的数位资源的特性,其设计弹性相信会为未来可携式医疗电子设备带来重大的突破。