“解剖”便携式医疗设备，看看里面都有啥？
【导读】三年来对抗新冠病毒的经历，让人们充分认识到自身健康管理的重要性，并由此带动了便携式医疗设备在家庭环境中的应用。因为能远程监测、非侵入式，甚至是可穿戴的便携式医疗设备，可随时为人们提供基础的生命体征监测数据，有效减少人们对身体健康的焦虑以及前往医院的就诊次数。
综合来看，便携式医疗设备的采用率大幅上升主要源于两大因素。首先是新技术的加持，通过在设备中引入的新技术显著提高了其实用性、准确性以及易访问性。其次，根据联合国经济和社会事务部发布的《2022年世界人口展望》报告，2022年全球将有7.71亿人年满65岁，到2030年全球将有9.94亿老年人，到2050年这一数字将达到16亿，随着全球老年人口数量的快速增长，对健康状况监测的需求也成为了推动便携式医疗设备市场增长的另一重要因素。
在实际应用中，便携式医疗设备的作用不仅仅是测试和监测一些生理参数，有些设备现在还被赋予记录和数据分析功能。比如，电子血压计，在简单而快速地完成测量后，它不仅将当前测量结果直观地呈现给被测人员，同时还能将这些数据存储备用，以达到长期追踪血压变化的目的。现在的胰岛素计大多配备有通信端口（IR/无线），可将实时测量的数据传输到PC或胰岛素泵，为实施长期的治疗提供辅助作用。
可以看到，基于应用场景的考虑，便携式医疗设备大多是电池供电、尺寸小、易于操作的手持设备，无论多么小巧的便携式医疗设备也是一个“五脏俱全”的精密电子产品。因此，工程师在设计这类产品时并不会感到轻松，这里面有很多设计技巧。
便携式医疗设备市场分析
在过去几年中，便携式医疗设备（PMD）的使用日益广泛，多种因素的组合，包括技术进步、降低公共卫生成本的压力以及让更广泛的患者群体能够获得卫生解决方案的愿望，都在推动PMD市场的增长。
Research And Markets的研究发现，2022年全球便携式医疗设备市场的收入将达到573亿美元。在2022年至2027年的预测期内，市场将以9.2%的稳健复合年增长率成长。到2027年，便携式医疗设备市场的总市值将达到969.3亿美元。按产品类型划分，到2027年，用于诊断和监测目的的产品对市场的贡献率接近44%，预计将主导整个便携式医疗设备市场。2022年至2027年，亚太地区便携式医疗设备市场的复合年增长率将达到10.4%。
图1：全球便携式医疗和保健设备市场预计到2030年将达到1,374.3亿美元（图源：Data Bridge Market Research）
Data Bridge Market Research的分析表明，2022年便携式医疗和保健设备市场为645.8亿美元，预计到2030年将达到1,374.3亿美元，2023年至2030年期间，复合年增长率为9.9%。其中，可穿戴设备和其他便携式技术的日益普及是推动市场增长的关键因素之一，将这些设备用于远程监测患者的健康状况还能有效降低医疗成本。
便携式医疗设备设计挑战与解决方案
便携式医疗设备当前面临的挑战是，它不仅要具备远程连接功能，同时还需要保持所有采集数据的质量和响应能力，当然，便携性也要做重点考虑。之所以有“便携式”医疗设备这一说法，主要相对医院使用的大型医疗设备而言，医院的设备大多是轮式的，搬动起来比较困难。今天的“便携式”医疗设备不仅方便运输，甚至很多还是“可穿戴”的。这些变化给设计师的设计工作带来了诸多挑战。
如果我们对便携式医疗设备进行“解剖”就会发现，有几个功能块是大多数便携式家用和消费型医疗设备通用的，即：生物传感器、传感器输入的放大和模数转换、电池和电源管理、低功耗微控制器或数字信号处理器（DSP）、用户界面或显示、人机界面（HMI）以及数据接口（无线和有线）。
图2：便携式医疗设备主要系统构成框图
（图源：网络）
微控制器(MCU)/DSP
便携式医疗设备可生成大量原始数据，保存和处理数据、识别变化、提供反馈、支持与大型系统的连接以及执行诊断算法的能力通常是系统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，在此过程中，以平衡的方式考虑系统处理要求和功耗约束是非常重要的。
如英飞凌PSoC 62系列是Arm Cortex-M4和Arm Cortex-M0+CPU的组合体，该产品基于超低功耗40nm平台，具有低功耗闪存技术、可编程数字和模拟资源以及一流的CAPSENSE用于触摸和接近应用的技术。PSoC 62具有高达2MB的闪存，使医疗/保健设备能够在一个低功耗平台上实现多种功能，包括健康诊断的传感器融合、图形显示和直观的用户界面等。在安全性方面，内置了硬件加密加速器、内存和外围保护单元。是一款专为可穿戴设备、便携式医疗设备、智能家居等应用而设计的低功耗微控制器。
图3：PSoC 62系列系统框图
（图源：英飞凌）
从架构来看，Analog Devices的MAX32690微控制器是一个带FPU微控制器和BLE 5的片上系统（SoC），具有Arm Cortex-M4F CPU、大型闪存和SRAM存储器以及新一代Bluetooth 5.2。该设备将处理能力与可穿戴设备应用所需的连接性结合起来。RISC-V内核可处理时序关键控制器任务，使程序员无需担心蓝牙中断延迟。加密工具箱（CTB）提供高级安全功能，包括用于快速椭圆曲线数字签名算法（ECDSA）的MAA、高级加密标准（AES）引擎、TRNG、SHA-256哈希和安全引导加载程序。内部代码和SRAM空间可以通过两个四位SPI就地执行（SPIXF和SPIXR）接口扩展到片外，每个接口最多512MB。
图4：MAX32690微控制器系统简化框图
（图源：Analog Devices）
便携式医疗设备的关键设计考虑是低功耗，这是出于需要延长电池寿命的考量。其他要求还包括更快的上市时间、低成本、可靠性、小尺寸以及更高的集成度。Microchip公司的SmartFusion FPGA将便携式医疗设备设计人员所需的所有功能结合到一个芯片中，创造了一个真正的可编程SoC解决方案，比传统的固定功能微控制器具有更大的灵活性。
SmartFusion设备的核心是嵌入式ARM Cortex-M3处理器内核。通过其硬件乘法器和除法器，这款32位RISC处理器提供了高性能：约125 Dhrystone MIPS。便携式医疗设计必须与各种生物传感器直接连接，SmartFusion FPGA的可编程模拟部分或模拟前端（AFE）包含所需的元件，如模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。
每个SmartFusion FPGA最多包含三个12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，能够在12位模式下以500Ksps（10位模式下550ksps，8位模式下600ksps）运行。为了处理另一个方向的信号，每个设备都配备了一个一阶∑-ΔDAC，以500Ksps的速度提供有效的12位分辨率。除了MCU、FPGA和可配置模拟之外，SmartFusion FPGA还集成了大量闪存和SRAM存储器以及全面的时钟生成和管理电路。处理器及其外围设备通过多层高性能总线（AHB）矩阵（ABM）互连。ABM还为处理器及其外围设备提供了与FPGA结构和嵌入式模拟功能通信的路径。
图5：SmartFusion FPGA系统框图
（图源：Mouser）
电池和电源管理
对便携式医疗设备而言，简单的系统因功耗非常低可以使用一次性电池，较大的系统则需使用各种不同尺寸的可充电电池和电池组。当需要使用医疗系统时，并不总是有时间等待充电。动态电源路径管理和其他功能可以在向系统供电的同时独立地为电池充电，而无需在运行前等待电池充电。便携式医疗设备的使用寿命可能从数天、数月，甚至到数年不等，因此，电源优化设计颇具挑战性。
MAX14663是带电缆检测的便携式医疗设备电源管理解决方案，集成了一个高效的单电池锂离子开关充电器，适用于空间有限的便携式应用（比如便携式血糖仪）。MAX14663嵌入了专利ModelGauge，能准确估计可充电锂离子电池的可用容量。此外，还集成了升压转换器和LED电流吸收器，用于为OLED显示器或LED背光供电。内部电缆检测电路使MAX14663能够识别是否存在未通电/未连接的USB电缆。便携式系统可以使用该信息来智能地选择其操作模式，从而提升精度并降低测量误差。MAX14663还包括一种超低功耗密封模式，可显著降低待机电流，并在长时间储存期间保持电池电量。该模式延长了电池的保质期，并通过立即开箱使用改善了客户体验。
图6：MAX14663典型应用功能框图
（图源：Analog Devices）
数据接口
现在，便携式医疗电子设备的数据接口已经从有线RS232接口转变为有线和无线以太网连接、短距离和长距离无线连接。新的接口可以实现建筑物中所有设备的联网，包括患者家中的设备。
Silicon Labs为便携式医疗设备提供了多种紧凑型无线解决方案，例如尺寸为4x4 x 0.3 mm的EFR32BG22蓝牙低功耗（BLE）SoC。BG22是无线Gecko系列平台的一部分，拥有优秀的超低传输和接收功率和高性能。其中的BGM220S是RF认证的低功耗蓝牙模块，配有天线，尺寸为6 x 6 mm。出色的RF技术与低功耗Arm Cortex-M33内核的组合提供了出色的能源效率，可使钮扣电池寿命延长到多达十年。此外，紧凑型模块和SoC可以灵活地设计更小、更吸引人的设备，为内存和电池留出更大的空间。该SoC的目标应用包括蓝牙网状网络低功耗节点、便携式医疗保健和健身设备、智能门锁等。
图7：EFR32BG22系统框图
（图源：Silicon Labs）
显示技术
作为一名设计工程师，显示器选择是高度优先的，显示模块通常代表BOM表上第一、第二或第三个昂贵的项目。便携式医疗设备中的显示器选择也必须遵循低功耗睡眠模式，大多数显示器驱动器都会具有超低功耗模式，并且能够通过使用PWM背光控制来降低亮度，或者在OLED技术的情况下，只需使用正确的命令或寄存器设置。
触摸屏控制（TSC）是实现便携式医疗设备便利性的关键因素，它取代了传统的键盘，大大减小了设备的整体尺寸。TSC实现了菜单驱动的功能选择、输入输出数据显示的微调和放大，显著增强了设备的易用性。所选解决方案的静电（ESD）处理能力是实施TSC时需要考虑的重要因素。
传感器接口和信号链技术
正确的信号链对于温度、脉搏、血糖读数和其他生物传感器非常重要。在大多数应用中，设计者试图在毫伏噪声中找到微伏级信号。由于目标信号的AC特性，需要有一个与高通滤波方案配合良好的放大器，以及性能优异的模数转换器。现在，市场上一些集成度较高的MCU产品早已将这些功能吸收到产品中，构成了功能强大的SoC解决方案，比如前面介绍的Microchip公司的SmartFusion FPGA。
结语
便携式医疗设备的特点在于其低功耗、可靠性和经济高效的传感器技术。它们有助于早期发现各种疾病，包括糖尿病和心血管疾病，这些便携式设备的使用减少了用户的就诊次数。将便携式医疗设备用于医疗保健行业，可以简化和改善患者的护理过程，它们将来自医院或医生办公室的护理带到用户家中，为患者提供更多的便利。
如今，便携式医疗设备在全球监测和管理医疗状况方面发挥着至关重要的作用。越来越多的设备通过新技术的助力，比如集成新的无线通信技术，从而产生更智能、直观、联网的设备甚至是可穿戴设备。而这些设备正在广泛地参与到对人们健康的监测和追踪过程，有的甚至还成为辅助的诊断工具。基于这些变化，便携式医疗设备的系统设计也要紧跟市场趋势，在功耗、系统性能、连接性、成本以及尺寸上都要有充分的考量，设计人员的工作任重而道远。
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