面向便攜式醫療監控設備的嵌入式技術及應用

引言

　　電子技術蓬勃發展的今天，政府與各級醫療機構正努力完善醫療體系，以更好地為病人服務。嵌入式技術應用深入到醫療行業后，病人可以有更大的選擇空間，選擇適合自己的治療和療養方式，選擇在家中養病，或者到醫院、醫生辦公室來。醫療行業充分發揮了便攜、遠距離連接的醫療監控系統的優勢。這類監控設備包括電子血糖儀、便攜式床旁監護儀、便攜式心電圖 (ECG) 系統，甚至更為復雜的醫療監控系統。

　　2008年以來，越來越多的利好消息出現在醫療電子領域。德國、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫療和全民醫療領域加大投入。中國和墨西哥這樣的發展中人口大國也在進行備受世人矚目的醫療改革。這些政府級別的投入將增加全社會對醫療電子產品的需求。除此之外，還有一些因素也會對醫療電子市場產生影響。

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

　　人們對疾病預防以及對早發現和早治療的觀念日趨認同，將促進對檢查診斷等基本醫療儀器，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療電子設備在需求的帶動下展現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院中使用的呼吸機、心電監護儀必然會有越來越大的市場需求。

　　“便攜式” 醫療電子設備在解決靈活地傳輸數據的同時，便攜性的要求越來越高，并且要保持采集數據的質量與實時性。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院。這當然會帶來設計方面的挑戰，不只是設備體積上的，而且內部的電氣部分也需要有創新。

　　便攜式醫療監控設備的一整個系統有五個基本的部分：數據采集、數據傳輸、數據處理、人機接口、電源。ZTE-MEDiX系列關注監控系統的五部分組成，有針對性地采用新穎的技術，使醫療監控設備表現最佳性能。

　　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

　　數據交換接口

　　中央處理單元及數據運算效率

　　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，產品的續航能力才能發揮到極致。限制功耗的同時，必需要均衡考慮系統處理數據要求。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，可幫助系統以低水平功耗實現高水平性能。

　　ZTE-MEDiX可管理系統待機、睡眠及喚醒轉換功能，可提高總體系統性能來創建兼顧兩方面性能的系統。如果CPU只在需要處理要時活動，平均系統功耗將保持較低，僅在CPU喚醒狀態下才能達到峰值。通過實施多級電源管理，改善系統的易用性。

　　舉例1：ZTE-MEDi27型主板共有一個工作狀態和四級休眠狀態，主板功耗可以從全速運行的 1030mW逐級降到深度睡眠狀態的不足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護系統，由兩節鋰離子電池供電(2000Ma@8V)。系統無人操作30秒后，進入節電狀態，任意外部操作激活?？蛇B續使用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。

　　醫療監控設備尤其多功能監控設備，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能電路，液晶可以適時進入主動節電模式。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展，從2D圖像向3D、4D發展，超聲設備通道數會大大增加，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，加強醫療產品的人機交互能力，配合友好的界面，病人或醫護人員使用更方便。 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，該能量可能對監控系統造成損壞。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

　　所有設計醫療監控設備的設計人員，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，本土醫療電子制造商往往只有較少的研發人員，這和外國醫療電子制造商動輒上百人的開發團隊相比沒有優勢，所以本土開發人員更應先瞄準能降低成本且能產生效益的設備開發。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的便攜式醫療監控設備可以同時支持多個生物傳感器。總線方面，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據處理，發送到顯示屏。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的要求。并且可以提供擴展的RS232接口，與其它設備配合。

數據交換接口

　　醫療監控設備可產生大量的原始數據。 保存數據與處理趨勢、識別變化、提供反饋，支持與較大系統連接的能力，以及執行診斷算法是通常是系統控制器的重要功能。

　　醫療電子設備數據接口從有線 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。 醫院可以利用這些新接口來連接醫院內和患者家里所有設備。當病人從醫院返回家中時，可通過身上無線傳感器遠程地與醫生聯系，該傳感器連接到家中安全系統的監控器上。整個系統連入以太網或醫療呼叫中，可在其家中隨時私密地接收監控。

　　這里也可采用無線接口，如藍牙、GPRS。 也可采用基因無線數創模塊的無線解決方案。除了功耗外，數據速率及距離也是選擇無線接口的兩個重要要素。 ZTE-MEDiX系列醫療用主板，整合有線的RS232數據口，USB接口和以太網接口，無限的GPRS和無線數傳接口;為便于數據傳輸，ZTE-MEDiX還整合了SD卡。

　　這種情況下，傳統醫療監控設備距離的局限完全被打破，而且數據速率得以最大化。 如果監控只用幾個傳感器，距離比數據速率更重要。 最后，選擇方案必須控制系統功耗。

中央處理單元及數據運算效率

　　醫療設備廠商選擇主板方案時會依據兩個原則：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75%的份額。ARM作為嵌入式系統的處理器，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，滿足多種便攜醫療監控的應用。

適于便攜場合應用的可靠性設計

　　便攜醫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。醫療影像設備未來需要高質量的圖像，同時，要每秒幀數也在提升，所以要選取高性能器件。 超聲設備未來的發展趨勢是低功耗、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，它可以有效優化SNR(信噪比)。為保證設備就能和其他醫療設備兼容，一定要進行嚴格的安全測試。

結論

　　未來會有更多創新的醫療設備出現，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 顯示器前看醫生。虛擬的醫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生或者了解自己的健康狀況。就在今天，便攜式醫療設備及監控系統可提供隨時隨地的醫療支持。

　　醫療電子設備的壽命周期長于消費電子產品，小型的家用醫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，醫療電子產品比消費電子產品更需要重視設計。

　　為了幫助醫療設備廠商開發這些創新的產品，ZTE-MEDiX系列不斷創新，不斷提高性能，整合嵌入式的各項前沿技術，簡化二次開發流程。為了獲得更大的成功，ZTE-MEDiX系列積極貼近便攜式醫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。它可幫助醫療設備廠商縮短研發周期，壓縮設計成本，幫助病人更早地享受新技術的產業化成果，更主動地掌握自己的健康，享受美妙的人生。