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消费电子
医疗电子技术降低医疗保健成本
录入时间:2011-3-2 15:06:53

便携式医疗电子技术的发展使医疗保健成本得以降低。电池供电的非植入性(Non-invasive)传感器具有移动性,加上板上存储器,就能够捕获针对某种病症的完整数据模式。由于IC技术的不断进步,这些器件的尺寸越来越小、持续工作时间越来越长,因此更容易在该领域中获得采用。

病人离开医院之后,生活往往恢复正常。平日里他们应该遵照医生嘱咐呵护好自己的身体,比如放松心情,提高心率,加强营养等等。可是无论什么情况,人们总有遇上极限的时候。一个简单的病患监控设备可以是一个让病患和医疗服务提供者双赢的解决方案,其不但能减少病患到医院看病的次数,还能大大提高每次就医看病的价值。


仅仅在数年前,传感器的尺寸还太大,不适用于昼夜连续监控;但随着电子技术的进步,其尺寸缩小,单组电池工作时间不断延长。血糖监测仪和注射器属于最初的成功应用案例,最新的进展是闭环测试以及胰岛素管理设备。这些设备现已成为I类糖尿病病患每天全日使用的设备,但这种概念应该不限于糖尿病患。
 

过去5年中,小型电池技术基本变化不大。而电源设计的技巧和IC 技术的进步,却直接使得这些传感器工作寿命延长。这些借助手机标准得到实现的进步包括:USB充电、高效DC/DC调节器、I/O 标准 (I2C、SPI、SDIO等)的采用,以及显示技术的改进等等。

在医疗保健行业,最重要的问题之一是产品何时能够面向病患供货。项目设计周期一般都非常漫长,常常跨越数年之久。虽然并非所有的时间都用在电气设计阶段,但很多时候电气设计团队往往是公司内部团队中规模较小的,而化学、法律和测试团队都要大得多。电子产品的一大关键趋势是缩短上市时间,同时降低风险。所有便携式产品都需要某种形式的电源,一般是以原电池或可充电电池供电。电池的功率必须经过调节以满足下游复杂传感器所需,这种设计可以延长电池的寿命,并使功能集独立使用

过去,这种功率调节模块消耗资源和实际工作功率,占用板上面积。而如今,对于DC/DC应用,一个简单的开关PWM周围放置多个MOSFET的时代已经一去不复返,不再需要众多无源器件来增加最低程度的保护了。我们现在谈论的是过去5年来不断得到采用的集成式DC/DC 降压 IC。目前,电子行业正在快速发展,包括积极开发单芯片电源模块。这些器件与功率更高的电信行业中的DC/DC模块不同,是可经由大量销售渠道供货、带专门部件编号的真正模塑封装IC。

DC/DC模块集成化,提高效率并降低风险

飞兆半导体的FAN4603 uModule就是这样的一款IC。其原理见图1所示。

集成有FET的基本控制器与输入/输出电容以及DC/DC降压拓扑所需的开关电感共同封装在单个模块中。其前期优势十分明显,比如:尺寸减小,库存部件只有一个,设计周期相应缩短。此外,还有一些技术上的优点。

由于单一模块中所有有源部件是如此的接近,大电流和高频路径得以缩短,从而可降低EMI,而对于需要复杂传感器和人体接口的医疗设备行业来说,低EMI是一个至关重要的规范。将这款模块的降压拓扑开关频率提高至6 MHz,就能够集成层叠式电感。由于开关频率的提高,电感尺寸得以减小。因为这些电感和电容等无源组件是由实际PWM和FET设计人员所选择,各项指标均经过细调,在建议的负载范围内具有理想的互操作性。

这种调节的缺点是模块的输出电压固定,然而可变输出电压又会导致无源元件的匹配不平衡。因而,可以提供具有一定输出电压的不同模块来解决问题。首先推出的模块的输出电压为1.8V,Vin为2.3V至5.5V。这一电压范围是单一可充电电池、AA和AAA双电池盒,以及单一3V锂离子电池的理想选择。

由便携式医疗设备设计需求所推动的电子行业的另一项重要进步是,功率模块在不同负载上的效率得以提升。医疗应用设备常常处于休眠状态,当传感器未加偏压和不采集实际数据时,仅消耗极少的功率。在这段时间内,系统Icc可降至10mA以下。在这些轻负载和中等负载状态下,可使用PFM技术以最大限度地减小模块内部的损耗。

图2所示为FAN4603的典型效率曲线

请注意其额定效率范围为70%至85%,具体取决于输入电压,在对数X轴上仅为1mA。当应用范围为10mA和200mA之间时,例如数据采集或与基站进行RF通信期间,这一曲线对于电池寿命是至关重要的。

智能FET技术简化功率分配


为了更好地将功率模块的能量分配到下游传感器、处理器和LCD,使用负载点功率开关正在业界变得流行。使用简单的P沟道FET来传输功率本身并不新奇。FET周围环绕着众多二极管和晶体管以增加功能,比如负载放电、浪涌电流限制和反向电流阻隔(reverse current blocking, RCB),这是其中的一部分功能。显而易见,发展趋势是转向真正的智能FET,其可在单个IC中集成这些功能。飞兆半导体提供的IntellimaxTM系列产品是可供设计人员可以选择的智能FET系列之一,其突出特性是集成了所有下述功能,过压保护(OVP)、过流保护(OCP)、RCB、压摆率控制(slew rate control),以及用于通知处理器出现故障的错误标记。

图3 所示为一个典型的IntelliMAX 器件的内部示意图及所采用的封装。

医疗应用的一大优势是可以在不使用时限制外部传感器以及连接器的功率。当传感器或连接器的功率超出推荐级别时,智能FET能够隔离电源,并向处理器发出一个错误标记。这就增加了终端应用的可靠性,减少其现场故障频率,最终降低总体系统成本。

信号路径技术的发展实现进一步节能和互操作性

除了先前讨论过的DC/DC效率大幅提升之外,通用小信号技术亦有进步,为医疗设备应用带来更多价值。模拟开关是非常普通的IC产品,以往用途有限,主要用于多路复用或隔离低速数据线。现在开关中集成的新功能可以实现更好的导通阻抗和平坦度、断电保护、更高的数据率,以及低得多的功耗。了解这些功能及其不同优势,是充分发挥医疗设备功用的关键所在。

过去,导通阻抗只是一个静态数值,而更新的Ron平坦度参数则可以确保Ron数值在给定条件下处于一定的范围内。其可以用于需要400mΩ 以下Ron水平的医疗设备中的校准和传感器多路复用等,较以前的8Ω水平有大幅提升。传感器的补充功能有最近推出的断电保护功能,当Vcc = 0V时会显示输入信号,这种功能对连接器和传感器的热插拨应用十分有益。现在实际工作电流非常低,即使控制电压低于Vcc,测得的数据也以uA (微安)计。输入至输出泄漏则小至以nA (纳安)计,从而能够进一步延长电池寿命。在当前医疗设备升级至更新的功能集时,通常使用这些模拟开关和固有的增添功能来增加互连即可,无需替换DSP和进行大量的重新校准工作。

对医疗保健的影响

随着IC技术的不断进步,各种功能组合越来越容易集成在医疗设备设计中。由于IC尺寸的大幅缩小,功能集成的潜力无限。把心率、血氧、血糖和温度监控功能全部集成在单个传感器模块中的一类设备很快就会面市,这种设备可以利用无线方式或以一天一次插入USB端口显示完整的数据变化趋势。相比在医院采集的单个数据点,这种设备能够提供更多的数据,有利于医生给出更准确的诊断。
 

这一切的关键在于通过集成来实现透明化。假如这些医生指定的微型尺寸粘附式传感器不会构成不舒服的感觉,却又仍然功能强大,能够与智能电话同步,病患便会更愿意采用。在通过使用现有技术和手机技术最新标准的同时,便携式医疗电子技术本身也将不断发展,为病人和整个医保系统提供更多价值。


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