面向便攜式醫(yī)療監(jiān)控設備的嵌入式技術及應用

引言

　　電子技術蓬勃發(fā)展的今天，政府與各級醫(yī)療機構正努力完善醫(yī)療體系，以更好地為病人服務。嵌入式技術應用深入到醫(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、遠距離連接的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢。這類監(jiān)控設備包括電子血糖儀、便攜式床旁監(jiān)護儀、便攜式心電圖 (ECG) 系統(tǒng)，甚至更為復雜的醫(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行備受世人矚目的醫(yī)療改革。這些政府級別的投入將增加全社會對醫(yī)療電子產品的需求。除此之外，還有一些因素也會對醫(yī)療電子市場產生影響。

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

　　人們對疾病預防以及對早發(fā)現(xiàn)和早治療的觀念日趨認同，將促進對檢查診斷等基本醫(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)療儀器的升級和更新也將給市場帶來新需求，如超聲波儀器屏幕由黑白向彩色的變化。

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

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

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

　　電池及電源管理

　　顯示器與人機接口(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)運算效率

　　適于便攜場合應用的可靠性設計

電池及電源管理

　　電源管理技術與低功耗并不應該完全等同。ARM產品本身功耗相對低，但是只有配合完善 的電源管理技術，產品的續(xù)航能力才能發(fā)揮到極致。限制功耗的同時，必需要均衡考慮系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)要求。新的電源管理技術及電源拓撲結構實施幾個電源級別和待機模式，可幫助系統(tǒng)以低水平功耗實現(xiàn)高水平性能。

　　ZTE-MEDiX可管理系統(tǒng)待機、睡眠及喚醒轉換功能，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只在需要處理要時活動，平均系統(tǒng)功耗將保持較低，僅在CPU喚醒狀態(tài)下才能達到峰值。通過實施多級電源管理，改善系統(tǒng)的易用性。

　　舉例1：ZTE-MEDi27型主板共有一個工作狀態(tài)和四級休眠狀態(tài)，主板功耗可以從全速運行的 1030mW逐級降到深度睡眠狀態(tài)的不足20mW。用戶在強有力的電源管理技術支持下，不僅可以獲得最長的續(xù)航時間，還可以降低維護成本(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人監(jiān)護系統(tǒng)，由兩節(jié)鋰離子電池供電(2000Ma@8V)。系統(tǒng)無人操作30秒后，進入節(jié)電狀態(tài)，任意外部操作激活?？蛇B續(xù)使用12小時以上，無需充電。

顯示器與人機接口

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

　　醫(yī)療監(jiān)控設備尤其多功能監(jiān)控設備，如6通道，8通道設備，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，液晶可以適時進入主動節(jié)電模式。此外建議配合該主板選用高品質低功耗的液晶，以達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，也可以同時外接VGA設備。

　　隨著便攜式超聲設備從單色向彩色發(fā)展，從2D圖像向3D、4D發(fā)展，超聲設備通道數(shù)會大大增加，這樣就需要高性能的波束合成架構，而且隨著用戶對超聲設備圖像分 辨力和時間分辨力的需求提升，設備所需的運算量會大大增加，對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圖形處理方案更強大的圖形處理能力，而且大大縮短了產品的研發(fā)周期，患者有機會更早地享受到先進技術帶來的福音。

觸摸屏(TouchPanel) 是簡化便攜式電子設備使用的一個關鍵的因素，由于免除了傳統(tǒng)鍵盤，還可進一步縮小設備體積。 觸摸屏結合軟件菜單的功能選擇，加強醫(yī)療產品的人機交互能力，配合友好的界面，病人或醫(yī)護人員使用更方便。 設計觸摸屏功能時，要考慮的一個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生的能量，該能量可能對監(jiān)控系統(tǒng)造成損壞。與觸摸屏相關其它的因素有分辨率、與屏幕尺寸、轉換類型與速度、靈敏度，以及總體功耗等。

生物傳感器接口與總線

　　所有設計醫(yī)療監(jiān)控設備的設計人員，都選擇廣泛應用的UART傳感器接口，選取CAN這樣的成熟總線技術。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)療電子制造商動輒上百人的開發(fā)團隊相比沒有優(yōu)勢，所以本土開發(fā)人員更應先瞄準能降低成本且能產生效益的設備開發(fā)。ZTE-MEDiX系列為設計人員提供了多個UART接口(2~11個，不同型號有異)，基于ZTE-MEDiX的便攜式醫(yī)療監(jiān)控設備可以同時支持多個生物傳感器?？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：脈搏血氧計設計方案中，通過GPIO和負責控制和協(xié)調其他電路模塊的正常工作，它將采集到的血氧信號經過數(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、實時性要求等指標完全達到系統(tǒng)的要求。并且可以提供擴展的RS232接口，與其它設備配合。

數(shù)據(jù)交換接口

　　醫(yī)療監(jiān)控設備可產生大量的原始數(shù)據(jù)。 保存數(shù)據(jù)與處理趨勢、識別變化、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)療電子設備數(shù)據(jù)接口從有線 RS232接口遷移到有線及無線以太網連接、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)院內和患者家里所有設備。當病人從醫(yī)院返回家中時，可通過身上無線傳感器遠程地與醫(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。整個系統(tǒng)連入以太網或醫(yī)療呼叫中，可在其家中隨時私密地接收監(jiān)控。

　　這里也可采用無線接口，如藍牙、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)運算效率

　　醫(yī)療設備廠商選擇主板方案時會依據(jù)兩個原則：一是市場的主流方案;二是容易升級替換。 主流的方案和有實力的供應商在持續(xù)供應上比較有保障。同時盡可能在設計中采用標準化的，有延續(xù)性的產品線。這一原則為日后遇到停產等供應問題時能快速找到替代方案。

ZTE-MEDiX系列產品采用基于ARM的CPU。英國ARM公司是嵌入式RISC處理器的IP(知識產權)供應商，它為ARM架構處理器提供ARM處理器內核(如ARM7T、ARM9T及 ARM10等)。由各半導體公司在上述處理器內核基礎上進行再設計，嵌入各種外圍和處理部件，形成各種MCU。目前基于ARM內核的芯片在嵌入式 處理器市場上占據(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，并具有開放性和可擴充性。事實上，ARM內核已成為嵌入式系統(tǒng)首選的處理器內核。

　　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)控的應用。

適于便攜場合應用的可靠性設計

　　便攜醫(yī)療設備涵蓋的應用范圍愈來愈廣，產品的可靠性設計必須綜合考慮可能的多方面需求。醫(yī)療影像設備未來需要高質量的圖像，同時，要每秒幀數(shù)也在提升，所以要選取高性能器件。 超聲設備未來的發(fā)展趨勢是低功耗、高性能和小型化，所以要考慮器件的集成度。 在ECG(心電)設計中，要注意板級電磁兼容，CMRR(共模抑制比)是重要的指標，它可以提升監(jiān)護準確度，又可以保護患者。低抖動時鐘信號在高速信號處理中非常重要，它可以有效優(yōu)化SNR(信噪比)。為保證設備就能和其他醫(yī)療設備兼容，一定要進行嚴格的安全測試。

結論

　　未來會有更多創(chuàng)新的醫(yī)療設備出現(xiàn)，各類大型診療設備均有希望轉向便攜和小型化，只要站在機器前，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)療設備及監(jiān)控系統(tǒng)可提供隨時隨地的醫(yī)療支持。

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

　　為了幫助醫(yī)療設備廠商開發(fā)這些創(chuàng)新的產品，ZTE-MEDiX系列不斷創(chuàng)新，不斷提高性能，整合嵌入式的各項前沿技術，簡化二次開發(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)療產品的特性和需求，了解各種便攜設備體積與功耗預算的局限。它可幫助醫(yī)療設備廠商縮短研發(fā)周期，壓縮設計成本，幫助病人更早地享受新技術的產業(yè)化成果，更主動地掌握自己的健康，享受美妙的人生。