面向便攜式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備的嵌入式技術(shù)及應(yīng)用

面向便攜式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備的嵌入式技術(shù)及應(yīng)用

引言

　　電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，政府與各級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)正努力完善醫(yī)療體系，以更好地為病人服務(wù)。嵌入式技術(shù)應(yīng)用深入到醫(yī)療行業(yè)后，病人可以有更大的選擇空間，選擇適合自己的治療和療養(yǎng)方式，選擇在家中養(yǎng)病，或者到醫(yī)院、醫(yī)生辦公室來。醫(yī)療行業(yè)充分發(fā)揮了便攜、遠(yuǎn)距離連接的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。這類監(jiān)控設(shè)備包括電子血糖儀、便攜式床旁監(jiān)護(hù)儀、便攜式心電圖 (ECG) 系統(tǒng)，甚至更為復(fù)雜的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2008年以來，越來越多的利好消息出現(xiàn)在醫(yī)療電子領(lǐng)域。德國、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫(yī)療和全民醫(yī)療領(lǐng)域加大投入。中國和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國也在進(jìn)行備受世人矚目的醫(yī)療改革。這些政府級(jí)別的投入將增加全社會(huì)對(duì)醫(yī)療電子產(chǎn)品的需求。除此之外，還有一些因素也會(huì)對(duì)醫(yī)療電子市場(chǎng)產(chǎn)生影響。

????? 全球人口老齡化現(xiàn)象日益突出，這些老齡化人口對(duì)醫(yī)療有非常大的需求。

　　人們對(duì)疾病預(yù)防以及對(duì)早發(fā)現(xiàn)和早治療的觀念日趨認(rèn)同，將促進(jìn)對(duì)檢查診斷等基本醫(yī)療儀器，如x光、CT、正電子輻射斷層掃描(PET)、MRI和超聲波等的需求。

　　醫(yī)療儀器的升級(jí)和更新也將給市場(chǎng)帶來新需求，如超聲波儀器屏幕由黑白向彩色的變化。

　　以上因素均對(duì)醫(yī)療電子設(shè)備的技術(shù)走向產(chǎn)生了較大影響，與大型設(shè)備相比成本相對(duì)較低的便攜式醫(yī)療電子設(shè)備在需求的帶動(dòng)下展現(xiàn)出進(jìn)入了前所未有的活力。例如可以隨身攜帶的血壓計(jì)、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀必然會(huì)有越來越大的市場(chǎng)需求。

　　“便攜式” 醫(yī)療電子設(shè)備在解決靈活地傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)，便攜性的要求越來越高，并且要保持采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量與實(shí)時(shí)性。便攜式設(shè)備主要分為兩種。一種是移動(dòng)(手持)設(shè)備，例如用于患者監(jiān)控的產(chǎn)品，像測(cè)量脈搏、血壓及其他體征的產(chǎn)品，可以方便隨時(shí)攜帶，同時(shí)需要保證電池有充裕的續(xù)航時(shí)間，至少要保證大夫出診一天之內(nèi)無需充電。另一種則不一定能夠隨身攜帶，但它們是低成本、簡(jiǎn)單的設(shè)備，一般用于設(shè)備較簡(jiǎn)單的醫(yī)院。這當(dāng)然會(huì)帶來設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)，不只是設(shè)備體積上的，而且內(nèi)部的電氣部分也需要有創(chuàng)新。

　　便攜式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備的一整個(gè)系統(tǒng)有五個(gè)基本的部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、人機(jī)接口、電源。ZTE-MEDiX系列關(guān)注監(jiān)控系統(tǒng)的五部分組成，有針對(duì)性地采用新穎的技術(shù)，使醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備表現(xiàn)最佳性能。

　　電池及電源管理

　　顯示器與人機(jī)接口(HMI)

　　生物傳感器接口與總線

　　數(shù)據(jù)交換接口

　　中央處理單元及數(shù)據(jù)運(yùn)算效率

　　適于便攜場(chǎng)合應(yīng)用的可靠性設(shè)計(jì)

電池及電源管理

　　電源管理技術(shù)與低功耗并不應(yīng)該完全等同。ARM產(chǎn)品本身功耗相對(duì)低，但是只有配合完善 的電源管理技術(shù)，產(chǎn)品的續(xù)航能力才能發(fā)揮到極致。限制功耗的同時(shí)，必需要均衡考慮系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)要求。新的電源管理技術(shù)及電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)施幾個(gè)電源級(jí)別和待機(jī)模式，可幫助系統(tǒng)以低水平功耗實(shí)現(xiàn)高水平性能。

　　ZTE-MEDiX可管理系統(tǒng)待機(jī)、睡眠及喚醒轉(zhuǎn)換功能，可提高總體系統(tǒng)性能來創(chuàng)建兼顧兩方面性能的系統(tǒng)。如果CPU只在需要處理要時(shí)活動(dòng)，平均系統(tǒng)功耗將保持較低，僅在CPU喚醒狀態(tài)下才能達(dá)到峰值。通過實(shí)施多級(jí)電源管理，改善系統(tǒng)的易用性。

　　舉例1：ZTE-MEDi27型主板共有一個(gè)工作狀態(tài)和四級(jí)休眠狀態(tài)，主板功耗可以從全速運(yùn)行的 1030mW逐級(jí)降到深度睡眠狀態(tài)的不足20mW。用戶在強(qiáng)有力的電源管理技術(shù)支持下，不僅可以獲得最長的續(xù)航時(shí)間，還可以降低維護(hù)成本(減少檢修頻率， 延長電池壽命)。

　　舉例2：ZTE-MEDi27型主板配合10寸液晶顯示器組成的個(gè)人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，由兩節(jié)鋰離子電池供電(2000Ma@8V)。系統(tǒng)無人操作30秒后，進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，任意外部操作激活?？蛇B續(xù)使用12小時(shí)以上，無需充電。

顯示器與人機(jī)接口

　　不論是向病人告知體溫或心電圖 (ECG)結(jié)果或者其他體征信息，顯示器的顯示效果都是一項(xiàng)重要的性能特點(diǎn)。

　　醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備尤其多功能監(jiān)控設(shè)備，如6通道，8通道設(shè)備，需要較大的顯示屏幕，才能清晰地顯示出病人的體征信息。大尺寸的屏幕需要消耗掉更大的電池能量，因此ZTE-MEDi27型嵌入式主板上專門加入了液晶節(jié)能電路，液晶可以適時(shí)進(jìn)入主動(dòng)節(jié)電模式。此外建議配合該主板選用高品質(zhì)低功耗的液晶，以達(dá)到更出色的顯示效果。

　　舉例：ZTE-MEDi27型嵌入式主板支持TFT液晶，最大分辨率800*600，也可以同時(shí)外接VGA設(shè)備。

　　隨著便攜式超聲設(shè)備從單色向彩色發(fā)展，從2D圖像向3D、4D發(fā)展，超聲設(shè)備通道數(shù)會(huì)大大增加，這樣就需要高性能的波束合成架構(gòu)，而且隨著用戶對(duì)超聲設(shè)備圖像分 辨力和時(shí)間分辨力的需求提升，設(shè)備所需的運(yùn)算量會(huì)大大增加，對(duì)中央處理單元的圖形處理能力提出了更高的要求。ZTE-MEDiX系列可以提供比傳統(tǒng)的DSP/FPGA圖形處理方案更強(qiáng)大的圖形處理能力，而且大大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，患者有機(jī)會(huì)更早地享受到先進(jìn)技術(shù)帶來的福音。

觸摸屏(TouchPanel) 是簡(jiǎn)化便攜式電子設(shè)備使用的一個(gè)關(guān)鍵的因素，由于免除了傳統(tǒng)鍵盤，還可進(jìn)一步縮小設(shè)備體積。 觸摸屏結(jié)合軟件菜單的功能選擇，加強(qiáng)醫(yī)療產(chǎn)品的人機(jī)交互能力，配合友好的界面，病人或醫(yī)護(hù)人員使用更方便。 設(shè)計(jì)觸摸屏功能時(shí)，要考慮的一個(gè)重要因素是所選方案的靜電 (ESD) 處理能力。 如果電路不能消除靜電產(chǎn)生的能量，該能量可能對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)造成損壞。與觸摸屏相關(guān)其它的因素有分辨率、與屏幕尺寸、轉(zhuǎn)換類型與速度、靈敏度，以及總體功耗等。

生物傳感器接口與總線

　　所有設(shè)計(jì)醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備的設(shè)計(jì)人員，都選擇廣泛應(yīng)用的UART傳感器接口，選取CAN這樣的成熟總線技術(shù)。此外，本土醫(yī)療電子制造商往往只有較少的研發(fā)人員，這和外國醫(yī)療電子制造商動(dòng)輒上百人的開發(fā)團(tuán)隊(duì)相比沒有優(yōu)勢(shì)，所以本土開發(fā)人員更應(yīng)先瞄準(zhǔn)能降低成本且能產(chǎn)生效益的設(shè)備開發(fā)。ZTE-MEDiX系列為設(shè)計(jì)人員提供了多個(gè)UART接口(2~11個(gè)，不同型號(hào)有異)，基于ZTE-MEDiX的便攜式醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備可以同時(shí)支持多個(gè)生物傳感器?？偩€方面，ZTE-MEDiX系列提供1~2路CAN總線。此外還提供SPI、 I2C、I2S和GPIO作為生物傳感器接口。

　　舉例：脈搏血氧計(jì)設(shè)計(jì)方案中，通過GPIO和負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)其他電路模塊的正常工作，它將采集到的血氧信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，發(fā)送到顯示屏。ZTE-MEDiX的處理能力、采樣率、采樣精度、功耗、實(shí)時(shí)性要求等指標(biāo)完全達(dá)到系統(tǒng)的要求。并且可以提供擴(kuò)展的RS232接口，與其它設(shè)備配合。

數(shù)據(jù)交換接口

　　醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備可產(chǎn)生大量的原始數(shù)據(jù)。 保存數(shù)據(jù)與處理趨勢(shì)、識(shí)別變化、提供反饋，支持與較大系統(tǒng)連接的能力，以及執(zhí)行診斷算法是通常是系統(tǒng)控制器的重要功能。

　　醫(yī)療電子設(shè)備數(shù)據(jù)接口從有線 RS232接口遷移到有線及無線以太網(wǎng)連接、及近距離及較長距離的無線連接。 醫(yī)院可以利用這些新接口來連接醫(yī)院內(nèi)和患者家里所有設(shè)備。當(dāng)病人從醫(yī)院返回家中時(shí)，可通過身上無線傳感器遠(yuǎn)程地與醫(yī)生聯(lián)系，該傳感器連接到家中安全系統(tǒng)的監(jiān)控器上。整個(gè)系統(tǒng)連入以太網(wǎng)或醫(yī)療呼叫中，可在其家中隨時(shí)私密地接收監(jiān)控。

　　這里也可采用無線接口，如藍(lán)牙、GPRS。 也可采用基因無線數(shù)創(chuàng)模塊的無線解決方案。除了功耗外，數(shù)據(jù)速率及距離也是選擇無線接口的兩個(gè)重要要素。 ZTE-MEDiX系列醫(yī)療用主板，整合有線的RS232數(shù)據(jù)口，USB接口和以太網(wǎng)接口，無限的GPRS和無線數(shù)傳接口;為便于數(shù)據(jù)傳輸，ZTE-MEDiX還整合了SD卡。

　　這種情況下，傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備距離的局限完全被打破，而且數(shù)據(jù)速率得以最大化。 如果監(jiān)控只用幾個(gè)傳感器，距離比數(shù)據(jù)速率更重要。 最后，選擇方案必須控制系統(tǒng)功耗。

中央處理單元及數(shù)據(jù)運(yùn)算效率

　　醫(yī)療設(shè)備廠商選擇主板方案時(shí)會(huì)依據(jù)兩個(gè)原則：一是市場(chǎng)的主流方案;二是容易升級(jí)替換。 主流的方案和有實(shí)力的供應(yīng)商在持續(xù)供應(yīng)上比較有保障。同時(shí)盡可能在設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)化的，有延續(xù)性的產(chǎn)品線。這一原則為日后遇到停產(chǎn)等供應(yīng)問題時(shí)能快速找到替代方案。

ZTE-MEDiX系列產(chǎn)品采用基于ARM的CPU。英國ARM公司是嵌入式RISC處理器的IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))供應(yīng)商，它為ARM架構(gòu)處理器提供ARM處理器內(nèi)核(如ARM7T、ARM9T及 ARM10等)。由各半導(dǎo)體公司在上述處理器內(nèi)核基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計(jì)，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種MCU。目前基于ARM內(nèi)核的芯片在嵌入式 處理器市場(chǎng)上占據(jù)75%的份額。ARM作為嵌入式系統(tǒng)的處理器，具有低電壓，低功耗和高集成度等特點(diǎn)，并具有開放性和可擴(kuò)充性。事實(shí)上，ARM內(nèi)核已成為嵌入式系統(tǒng)首選的處理器內(nèi)核。

　　ZTE-MEDiX系列目前采用的CPU主頻包括200MHz、400MHz、520MHz三種，滿足多種便攜醫(yī)療監(jiān)控的應(yīng)用。

適于便攜場(chǎng)合應(yīng)用的可靠性設(shè)計(jì)

　　便攜醫(yī)療設(shè)備涵蓋的應(yīng)用范圍愈來愈廣，產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)必須綜合考慮可能的多方面需求。醫(yī)療影像設(shè)備未來需要高質(zhì)量的圖像，同時(shí)，要每秒幀數(shù)也在提升，所以要選取高性能器件。 超聲設(shè)備未來的發(fā)展趨勢(shì)是低功耗、高性能和小型化，所以要考慮器件的集成度。 在ECG(心電)設(shè)計(jì)中，要注意板級(jí)電磁兼容，CMRR(共模抑制比)是重要的指標(biāo)，它可以提升監(jiān)護(hù)準(zhǔn)確度，又可以保護(hù)患者。低抖動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)在高速信號(hào)處理中非常重要，它可以有效優(yōu)化SNR(信噪比)。為保證設(shè)備就能和其他醫(yī)療設(shè)備兼容，一定要進(jìn)行嚴(yán)格的安全測(cè)試。

結(jié)論

　　未來會(huì)有更多創(chuàng)新的醫(yī)療設(shè)備出現(xiàn)，各類大型診療設(shè)備均有希望轉(zhuǎn)向便攜和小型化，只要站在機(jī)器前，就可以在LCD 顯示器前看醫(yī)生。虛擬的醫(yī)生在世界上的任何地方，而我們坐在家里、辦公室或在休假中都可以看醫(yī)生或者了解自己的健康狀況。就在今天，便攜式醫(yī)療設(shè)備及監(jiān)控系統(tǒng)可提供隨時(shí)隨地的醫(yī)療支持。

　　醫(yī)療電子設(shè)備的壽命周期長于消費(fèi)電子產(chǎn)品，小型的家用醫(yī)療電子設(shè)備的壽命一般為3-5年。雖然壽命周期較長，但在精度與易用性方面，醫(yī)療電子產(chǎn)品比消費(fèi)電子產(chǎn)品更需要重視設(shè)計(jì)。

　　為了幫助醫(yī)療設(shè)備廠商開發(fā)這些創(chuàng)新的產(chǎn)品，ZTE-MEDiX系列不斷創(chuàng)新，不斷提高性能，整合嵌入式的各項(xiàng)前沿技術(shù)，簡(jiǎn)化二次開發(fā)流程。為了獲得更大的成功，ZTE-MEDiX系列積極貼近便攜式醫(yī)療產(chǎn)品的特性和需求，了解各種便攜設(shè)備體積與功耗預(yù)算的局限。它可幫助醫(yī)療設(shè)備廠商縮短研發(fā)周期，壓縮設(shè)計(jì)成本，幫助病人更早地享受新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化成果，更主動(dòng)地掌握自己的健康，享受美妙的人生。