【導讀】三年來對抗新冠病毒的經(jīng)歷，讓人們充分認識到自身健康管理的重要性，并由此帶動了便攜式醫(yī)療設備在家庭環(huán)境中的應用。因為能遠程監(jiān)測、非侵入式，甚至是可穿戴的便攜式醫(yī)療設備，可隨時為人們提供基礎的生命體征監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效減少人們對身體健康的焦慮以及前往醫(yī)院的就診次數(shù)。
綜合來看，便攜式醫(yī)療設備的采用率大幅上升主要源于兩大因素。首先是新技術的加持，通過在設備中引入的新技術顯著提高了其實用性、準確性以及易訪問性。其次，根據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟和社會事務部發(fā)布的《2022年世界人口展望》報告，2022年全球將有7.71億人年滿65歲，到2030年全球將有9.94億老年人，到2050年這一數(shù)字將達到16億，隨著全球老年人口數(shù)量的快速增長，對健康狀況監(jiān)測的需求也成為了推動便攜式醫(yī)療設備市場增長的另一重要因素。
在實際應用中，便攜式醫(yī)療設備的作用不僅僅是測試和監(jiān)測一些生理參數(shù)，有些設備現(xiàn)在還被賦予記錄和數(shù)據(jù)分析功能。比如，電子血壓計，在簡單而快速地完成測量后，它不僅將當前測量結果直觀地呈現(xiàn)給被測人員，同時還能將這些數(shù)據(jù)存儲備用，以達到長期追蹤血壓變化的目的。現(xiàn)在的胰島素計大多配備有通信端口（IR/無線），可將實時測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C或胰島素泵，為實施長期的治療提供輔助作用。
可以看到，基于應用場景的考慮，便攜式醫(yī)療設備大多是電池供電、尺寸小、易于操作的手持設備，無論多么小巧的便攜式醫(yī)療設備也是一個“五臟俱全”的精密電子產品。因此，工程師在設計這類產品時并不會感到輕松，這里面有很多設計技巧。
便攜式醫(yī)療設備市場分析
在過去幾年中，便攜式醫(yī)療設備（PMD）的使用日益廣泛，多種因素的組合，包括技術進步、降低公共衛(wèi)生成本的壓力以及讓更廣泛的患者群體能夠獲得衛(wèi)生解決方案的愿望，都在推動PMD市場的增長。
Research And Markets的研究發(fā)現(xiàn)，2022年全球便攜式醫(yī)療設備市場的收入將達到573億美元。在2022年至2027年的預測期內，市場將以9.2%的穩(wěn)健復合年增長率成長。到2027年，便攜式醫(yī)療設備市場的總市值將達到969.3億美元。按產品類型劃分，到2027年，用于診斷和監(jiān)測目的的產品對市場的貢獻率接近44%，預計將主導整個便攜式醫(yī)療設備市場。2022年至2027年，亞太地區(qū)便攜式醫(yī)療設備市場的復合年增長率將達到10.4%。
圖1：全球便攜式醫(yī)療和保健設備市場預計到2030年將達到1,374.3億美元（圖源：Data Bridge Market Research）
Data Bridge Market Research的分析表明，2022年便攜式醫(yī)療和保健設備市場為645.8億美元，預計到2030年將達到1,374.3億美元，2023年至2030年期間，復合年增長率為9.9%。其中，可穿戴設備和其他便攜式技術的日益普及是推動市場增長的關鍵因素之一，將這些設備用于遠程監(jiān)測患者的健康狀況還能有效降低醫(yī)療成本。
便攜式醫(yī)療設備設計挑戰(zhàn)與解決方案
便攜式醫(yī)療設備當前面臨的挑戰(zhàn)是，它不僅要具備遠程連接功能，同時還需要保持所有采集數(shù)據(jù)的質量和響應能力，當然，便攜性也要做重點考慮。之所以有“便攜式”醫(yī)療設備這一說法，主要相對醫(yī)院使用的大型醫(yī)療設備而言，醫(yī)院的設備大多是輪式的，搬動起來比較困難。今天的“便攜式”醫(yī)療設備不僅方便運輸，甚至很多還是“可穿戴”的。這些變化給設計師的設計工作帶來了諸多挑戰(zhàn)。
如果我們對便攜式醫(yī)療設備進行“解剖”就會發(fā)現(xiàn)，有幾個功能塊是大多數(shù)便攜式家用和消費型醫(yī)療設備通用的，即：生物傳感器、傳感器輸入的放大和模數(shù)轉換、電池和電源管理、低功耗微控制器或數(shù)字信號處理器（DSP）、用戶界面或顯示、人機界面（HMI）以及數(shù)據(jù)接口（無線和有線）。
圖2：便攜式醫(yī)療設備主要系統(tǒng)構成框圖
（圖源：網(wǎng)絡）
微控制器(MCU)/DSP
便攜式醫(yī)療設備可生成大量原始數(shù)據(jù)，保存和處理數(shù)據(jù)、識別變化、提供反饋、支持與大型系統(tǒng)的連接以及執(zhí)行診斷算法的能力通常是系統(tǒng)微控制器的重要功能。然而，超低功耗和高性能往往是相互矛盾的，在此過程中，以平衡的方式考慮系統(tǒng)處理要求和功耗約束是非常重要的。
如英飛凌PSoC 62系列是Arm Cortex-M4和Arm Cortex-M0+CPU的組合體，該產品基于超低功耗40nm平臺，具有低功耗閃存技術、可編程數(shù)字和模擬資源以及一流的CAPSENSE用于觸摸和接近應用的技術。PSoC 62具有高達2MB的閃存，使醫(yī)療/保健設備能夠在一個低功耗平臺上實現(xiàn)多種功能，包括健康診斷的傳感器融合、圖形顯示和直觀的用戶界面等。在安全性方面，內置了硬件加密加速器、內存和外圍保護單元。是一款專為可穿戴設備、便攜式醫(yī)療設備、智能家居等應用而設計的低功耗微控制器。
圖3：PSoC 62系列系統(tǒng)框圖
（圖源：英飛凌）
從架構來看，Analog Devices的MAX32690微控制器是一個帶FPU微控制器和BLE 5的片上系統(tǒng)（SoC），具有Arm Cortex-M4F CPU、大型閃存和SRAM存儲器以及新一代Bluetooth 5.2。該設備將處理能力與可穿戴設備應用所需的連接性結合起來。RISC-V內核可處理時序關鍵控制器任務，使程序員無需擔心藍牙中斷延遲。加密工具箱（CTB）提供高級安全功能，包括用于快速橢圓曲線數(shù)字簽名算法（ECDSA）的MAA、高級加密標準（AES）引擎、TRNG、SHA-256哈希和安全引導加載程序。內部代碼和SRAM空間可以通過兩個四位SPI就地執(zhí)行（SPIXF和SPIXR）接口擴展到片外，每個接口最多512MB。
圖4：MAX32690微控制器系統(tǒng)簡化框圖
（圖源：Analog Devices）
便攜式醫(yī)療設備的關鍵設計考慮是低功耗，這是出于需要延長電池壽命的考量。其他要求還包括更快的上市時間、低成本、可靠性、小尺寸以及更高的集成度。Microchip公司的SmartFusion FPGA將便攜式醫(yī)療設備設計人員所需的所有功能結合到一個芯片中，創(chuàng)造了一個真正的可編程SoC解決方案，比傳統(tǒng)的固定功能微控制器具有更大的靈活性。
SmartFusion設備的核心是嵌入式ARM Cortex-M3處理器內核。通過其硬件乘法器和除法器，這款32位RISC處理器提供了高性能：約125 Dhrystone MIPS。便攜式醫(yī)療設計必須與各種生物傳感器直接連接，SmartFusion FPGA的可編程模擬部分或模擬前端（AFE）包含所需的元件，如模數(shù)轉換器（ADC）和數(shù)模轉換器（DAC）。
每個SmartFusion FPGA最多包含三個12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，能夠在12位模式下以500Ksps（10位模式下550ksps，8位模式下600ksps）運行。為了處理另一個方向的信號，每個設備都配備了一個一階∑-ΔDAC，以500Ksps的速度提供有效的12位分辨率。除了MCU、FPGA和可配置模擬之外，SmartFusion FPGA還集成了大量閃存和SRAM存儲器以及全面的時鐘生成和管理電路。處理器及其外圍設備通過多層高性能總線（AHB）矩陣（ABM）互連。ABM還為處理器及其外圍設備提供了與FPGA結構和嵌入式模擬功能通信的路徑。
圖5：SmartFusion FPGA系統(tǒng)框圖
（圖源：Mouser）
電池和電源管理
對便攜式醫(yī)療設備而言，簡單的系統(tǒng)因功耗非常低可以使用一次性電池，較大的系統(tǒng)則需使用各種不同尺寸的可充電電池和電池組。當需要使用醫(yī)療系統(tǒng)時，并不總是有時間等待充電。動態(tài)電源路徑管理和其他功能可以在向系統(tǒng)供電的同時獨立地為電池充電，而無需在運行前等待電池充電。便攜式醫(yī)療設備的使用壽命可能從數(shù)天、數(shù)月，甚至到數(shù)年不等，因此，電源優(yōu)化設計頗具挑戰(zhàn)性。
MAX14663是帶電纜檢測的便攜式醫(yī)療設備電源管理解決方案，集成了一個高效的單電池鋰離子開關充電器，適用于空間有限的便攜式應用（比如便攜式血糖儀）。MAX14663嵌入了專利ModelGauge，能準確估計可充電鋰離子電池的可用容量。此外，還集成了升壓轉換器和LED電流吸收器，用于為OLED顯示器或LED背光供電。內部電纜檢測電路使MAX14663能夠識別是否存在未通電/未連接的USB電纜。便攜式系統(tǒng)可以使用該信息來智能地選擇其操作模式，從而提升精度并降低測量誤差。MAX14663還包括一種超低功耗密封模式，可顯著降低待機電流，并在長時間儲存期間保持電池電量。該模式延長了電池的保質期，并通過立即開箱使用改善了客戶體驗。
圖6：MAX14663典型應用功能框圖
（圖源：Analog Devices）
數(shù)據(jù)接口
現(xiàn)在，便攜式醫(yī)療電子設備的數(shù)據(jù)接口已經(jīng)從有線RS232接口轉變?yōu)橛芯€和無線以太網(wǎng)連接、短距離和長距離無線連接。新的接口可以實現(xiàn)建筑物中所有設備的聯(lián)網(wǎng)，包括患者家中的設備。
Silicon Labs為便攜式醫(yī)療設備提供了多種緊湊型無線解決方案，例如尺寸為4x4 x 0.3 mm的EFR32BG22藍牙低功耗（BLE）SoC。BG22是無線Gecko系列平臺的一部分，擁有優(yōu)秀的超低傳輸和接收功率和高性能。其中的BGM220S是RF認證的低功耗藍牙模塊，配有天線，尺寸為6 x 6 mm。出色的RF技術與低功耗Arm Cortex-M33內核的組合提供了出色的能源效率，可使鈕扣電池壽命延長到多達十年。此外，緊湊型模塊和SoC可以靈活地設計更小、更吸引人的設備，為內存和電池留出更大的空間。該SoC的目標應用包括藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡低功耗節(jié)點、便攜式醫(yī)療保健和健身設備、智能門鎖等。
圖7：EFR32BG22系統(tǒng)框圖
（圖源：Silicon Labs）
顯示技術
作為一名設計工程師，顯示器選擇是高度優(yōu)先的，顯示模塊通常代表BOM表上第一、第二或第三個昂貴的項目。便攜式醫(yī)療設備中的顯示器選擇也必須遵循低功耗睡眠模式，大多數(shù)顯示器驅動器都會具有超低功耗模式，并且能夠通過使用PWM背光控制來降低亮度，或者在OLED技術的情況下，只需使用正確的命令或寄存器設置。
觸摸屏控制（TSC）是實現(xiàn)便攜式醫(yī)療設備便利性的關鍵因素，它取代了傳統(tǒng)的鍵盤，大大減小了設備的整體尺寸。TSC實現(xiàn)了菜單驅動的功能選擇、輸入輸出數(shù)據(jù)顯示的微調和放大，顯著增強了設備的易用性。所選解決方案的靜電（ESD）處理能力是實施TSC時需要考慮的重要因素。
傳感器接口和信號鏈技術
正確的信號鏈對于溫度、脈搏、血糖讀數(shù)和其他生物傳感器非常重要。在大多數(shù)應用中，設計者試圖在毫伏噪聲中找到微伏級信號。由于目標信號的AC特性，需要有一個與高通濾波方案配合良好的放大器，以及性能優(yōu)異的模數(shù)轉換器?，F(xiàn)在，市場上一些集成度較高的MCU產品早已將這些功能吸收到產品中，構成了功能強大的SoC解決方案，比如前面介紹的Microchip公司的SmartFusion FPGA。
結語
便攜式醫(yī)療設備的特點在于其低功耗、可靠性和經(jīng)濟高效的傳感器技術。它們有助于早期發(fā)現(xiàn)各種疾病，包括糖尿病和心血管疾病，這些便攜式設備的使用減少了用戶的就診次數(shù)。將便攜式醫(yī)療設備用于醫(yī)療保健行業(yè)，可以簡化和改善患者的護理過程，它們將來自醫(yī)院或醫(yī)生辦公室的護理帶到用戶家中，為患者提供更多的便利。
如今，便攜式醫(yī)療設備在全球監(jiān)測和管理醫(yī)療狀況方面發(fā)揮著至關重要的作用。越來越多的設備通過新技術的助力，比如集成新的無線通信技術，從而產生更智能、直觀、聯(lián)網(wǎng)的設備甚至是可穿戴設備。而這些設備正在廣泛地參與到對人們健康的監(jiān)測和追蹤過程，有的甚至還成為輔助的診斷工具?；谶@些變化，便攜式醫(yī)療設備的系統(tǒng)設計也要緊跟市場趨勢，在功耗、系統(tǒng)性能、連接性、成本以及尺寸上都要有充分的考量，設計人員的工作任重而道遠。
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