便攜式醫(yī)療設(shè)備正不斷改進(jìn)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)患者的醫(yī)療保健條件。諸如血糖監(jiān)測(cè)儀,、心率檢測(cè)儀,、可吞咽胃腸 (GI) 道檢測(cè)儀以及止痛植入物等眾多設(shè)備都在不斷提升慢性或急性疾病患者的生活質(zhì)量。便攜式自動(dòng)除顫器可以挽救急病患者的生命,。運(yùn)動(dòng)手表不僅能夠無(wú)線記錄用戶的心率,、測(cè)量距離、進(jìn)行腳步計(jì)數(shù),，而且還可實(shí)現(xiàn)能最大限度發(fā)揮有氧訓(xùn)練優(yōu)勢(shì)的其它功能。未來(lái)幾年中,，還將繼續(xù)推出眾多能顯著改善醫(yī)療實(shí)施及其效果的創(chuàng)新型醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)品,。

實(shí)際上，所有這些便攜式產(chǎn)品都需要采用低功耗微處理器 (MCU) 來(lái)接收用戶或操作員的指令,，并提供讀數(shù)與狀態(tài)更新,。由于幾乎所有此類產(chǎn)品都依靠電池運(yùn)行，因而不斷延長(zhǎng)電池使用壽命成為需要重點(diǎn)考慮的事項(xiàng),。盡管這些產(chǎn)品在電池使用壽命需求方面各有不同,，不過一般電池更換間隔在 2~10 年之間。另外,，這些受空間限制的產(chǎn)品通常需要采用高度集成的模擬組件,，以便將信號(hào)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換至能夠?qū)ζ溥M(jìn)行處理和譯碼的數(shù)字域。

滿足便攜式醫(yī)療領(lǐng)域的微處理器需求給半導(dǎo)體企業(yè)帶來(lái)了挑戰(zhàn),。雖然工程設(shè)計(jì)無(wú)外乎是在相對(duì)立的功能,、規(guī)范以及空間限制條件之間進(jìn)行取舍，但是這種平衡取舍在便攜式醫(yī)療領(lǐng)域往往非常棘手,。醫(yī)療市場(chǎng)的相關(guān)需求往往很難協(xié)調(diào),，如小尺寸與高功能性、低功耗與高性能模擬,，以及超長(zhǎng)電池使用壽命與高處理能力等,。這些產(chǎn)品需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、可調(diào)節(jié)增益,、電源管理以及液晶顯示屏 (LCD) 等,。

本文將探討的主題包括：醫(yī)療市場(chǎng)的部分創(chuàng)新產(chǎn)品；醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的一般趨勢(shì),，以及,；如何采用 SoC 微處理器改進(jìn)未來(lái)的設(shè)備。

創(chuàng)新

推出超低功耗的高集成度 MCU 催生了能緩解患者病痛,、改進(jìn)其護(hù)理并提高生活質(zhì)量的產(chǎn)品,。圣猶達(dá)醫(yī)療用品公司 (St. Jude Medical company) 旗下 Advanced Neuromodulation Systems 公司推出的 Eon 脊髓刺激器就是用于治療慢性疼痛的可植入裝置的示例之一（圖 1）,。植入的系統(tǒng) (implantable device) 可以向脊髓附近的導(dǎo)體發(fā)送微弱的電脈沖，其可屏蔽或阻斷從神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)送到大腦的痛感,，用一種稱為感覺異常的更舒適感覺替代疼痛感覺,。

圖 1 影像由圣猶達(dá)醫(yī)療用品公司供。Eon 脊髓刺激系統(tǒng)已獲準(zhǔn)用于治療軀干與四肢慢性疼痛以及腰椎手術(shù)失敗綜合征,。植入臀部的系統(tǒng)可以向脊髓附近的導(dǎo)體發(fā)送微弱的電脈沖,。這些脈沖可以阻斷發(fā)送到大腦的疼痛信號(hào)。

SmartPill 是最近推出的另一款有趣的產(chǎn)品（見圖 2）,，它精巧的設(shè)計(jì)使患者能夠吞入體內(nèi),，進(jìn)行胃腸道狀況的監(jiān)測(cè)。在穿越胃腸道的過程中,，它能夠以無(wú)線方式向便攜式數(shù)據(jù)采集設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù),。以前從胃腸道采集數(shù)據(jù)的方法對(duì)患者造成的創(chuàng)傷較大，而且／或者相當(dāng)不便利,。這種設(shè)備必須同時(shí)滿足超小外形與超長(zhǎng)電池使用壽命兩方面的要求,。

圖 2

從 SmartPill 系統(tǒng)可以看出，RFID,、ZigBee 和 802.15.4 等低功耗無(wú)線協(xié)議及其它專有協(xié)議已經(jīng)大幅提升了醫(yī)療領(lǐng)域的創(chuàng)新水平,。除了以患者為中心的產(chǎn)品之外，多家公司最近還宣布推出了基于無(wú)線協(xié)議的資產(chǎn)跟蹤系統(tǒng),，旨在追蹤醫(yī)院設(shè)備與工作人員,。

集成

便攜式醫(yī)療設(shè)備可顯著受益于現(xiàn)代 SoC 與板上 MCU 的高集成度。如果不能在狹小的空間內(nèi)為提供更多功能而進(jìn)行高度的模擬集成,，諸如此類的微小型產(chǎn)品就只能是紙上談兵,。

圖 3 顯示的是可以用作血糖監(jiān)測(cè)儀或脈博血氧測(cè)定儀等便攜式醫(yī)療產(chǎn)品 SoC 的現(xiàn)代微處理器方框圖。這種集成型微處理器是驅(qū)動(dòng)上述設(shè)備的唯一 IC,。這類通常用于醫(yī)療應(yīng)用的微處理器可包含以下功能：

圖 3

• 高性能 ADC,，通常不低于 12 位
• 用于自動(dòng)增益控制等信號(hào)調(diào)節(jié)的運(yùn)算放大器
• 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)，有時(shí)用于反饋
• 基于段的 LCD 驅(qū)動(dòng)器
• 用于 ADC 的高性能參考電壓
• 集成閃存與 RAM 存儲(chǔ)器
• 電源管理與監(jiān)控器,，這類產(chǎn)品通?？梢灾苯硬捎靡活w紐扣鋰電池或兩節(jié)堿性電池運(yùn)行。

高集成度優(yōu)勢(shì)眾多,，其中包括可縮減 PCB 面積,、降低制造成本、簡(jiǎn)化采購(gòu)流程并最大限度降低功耗,。只要對(duì)閃存進(jìn)行電路內(nèi)編程,，則集成的閃存與 RAM 不但可以用作程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而且還可以用作數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器,。

MSP430FG4270 MCU 就是一款可實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)的高度集成器件的很好例證,，其集成了 ADC,、DAC、可編程增益運(yùn)算放大器,、高精度電壓基準(zhǔn)以及 LCD 驅(qū)動(dòng)器,。采用獨(dú)立芯片實(shí)現(xiàn)這種芯片的高級(jí)模擬性能不但會(huì)使物料清單 (BOM) 成本大約增加 1 美元，更不必提額外提高的采購(gòu),、物流與制造成本,。這些附加費(fèi)用在設(shè)計(jì)階段很容易被忽視，但往往會(huì)造成大量問題,，尤其是在一種或多種組件存貨不足而導(dǎo)致停產(chǎn)的情況下就會(huì)不堪重負(fù),。

此外，能夠選擇存儲(chǔ)器的大小也會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)巨大優(yōu)勢(shì),。由于存儲(chǔ)器大小與裸片大小之間存在大致上的線性關(guān)系,，因此 MCU 的成本與存儲(chǔ)器的大小成正比。如果對(duì)編程存儲(chǔ)器的初步估計(jì)較低,，則根據(jù)編程需求選擇存儲(chǔ)器大小不但可以優(yōu)化 BOM 成本，而且還可降低風(fēng)險(xiǎn),。此外,，僅使用固件和 BOM 選項(xiàng)即可借助這種能力讓不同等級(jí)的最終產(chǎn)品具備不同數(shù)量的功能。

低功耗

設(shè)備電池的更換周期越長(zhǎng),，最終用戶的滿意度或者患者的舒適度就越高,。另外，大多數(shù)便攜式醫(yī)療設(shè)備中的 MCU 大多數(shù)時(shí)間都處于待機(jī)（睡眠）模式,。也就是說,，實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)電流的能力是設(shè)備電池使用壽命的主要因素。

對(duì)于頻繁轉(zhuǎn)換待機(jī)模式的產(chǎn)品（如數(shù)據(jù)記錄儀）,，另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是從待機(jī)模式到喚醒所需的時(shí)間,。MCU 退出待機(jī)模式時(shí)耗費(fèi)的能量往往會(huì)與其進(jìn)行全負(fù)載處理時(shí)需要的能量相當(dāng)。由于 MCU 在喚醒階段不執(zhí)行有用的處理,，也即用于退出待機(jī)模式的能量實(shí)際上是浪費(fèi)掉了,，因而必須縮短短喚醒時(shí)間。此外,，現(xiàn)代的 MCU 也需要快速喚醒以響應(yīng)觸發(fā)事件,。例如，TI 的部分 MSP430 MCU 可以在穩(wěn)定時(shí)鐘不到 1 微秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入完全運(yùn)行模式,，從而實(shí)現(xiàn)近乎實(shí)時(shí)的待機(jī)退出運(yùn)行,。

由于 MCU 激活的每個(gè)周期都會(huì)消耗能量，因此盡可能縮短處理時(shí)間就成為延長(zhǎng)電池使用壽命的關(guān)鍵,。低功耗 MCU 包含許多有助于最大限度縮短處理時(shí)間的功能,。例如,，在執(zhí)行數(shù)據(jù)分析之前的一定時(shí)期內(nèi)產(chǎn)品需要從 ADC 采集數(shù)據(jù)。如果 MCU 在數(shù)據(jù)采集期間處于激活狀態(tài),，則處理器勢(shì)必會(huì)浪費(fèi)不必要的能量,。通過讓 ADC 采集數(shù)據(jù)并將其保存到存儲(chǔ)器中，某些 MCU 能夠采用直接存儲(chǔ)器存取功能來(lái)盡可能縮短所必須激活處理器的時(shí)間,。一旦采集到所需樣本數(shù),，處理器就會(huì)退出待機(jī)模式，隨即分析數(shù)據(jù)并輸出相關(guān)結(jié)果,。

如前所述,，能最大限度地降低功耗是高集成度的另一大優(yōu)勢(shì)。MCU 可以更加簡(jiǎn)單精確地控制運(yùn)算放大器,、DAC 或 ADC 等外設(shè)的啟動(dòng)和關(guān)閉,，而且可以在不需要的時(shí)候自動(dòng)關(guān)閉這些外設(shè)。運(yùn)算功耗是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),。盡管 MCU 激活狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較短,，但如果運(yùn)算功耗較高，為了檢查電池電壓電平等各種狀態(tài)而從待機(jī)模式將其喚醒會(huì)很快耗盡電池電量,。此外,，由于某些產(chǎn)品采用 ZigBee、802.15.4 等無(wú)線協(xié)議或 TI 的 SimpliciTI 等專有無(wú)線協(xié)議,，這類系統(tǒng)可能需要更頻繁的喚醒來(lái)保持無(wú)線網(wǎng)絡(luò),。有趣的是，即使醫(yī)療設(shè)備在日常測(cè)量時(shí)僅啟動(dòng)很短一段時(shí)間——僅使用低于 1.1µA 的 MCU 待機(jī)電流,，但是低激活功耗對(duì)保持低平均電流消耗往往也顯得至關(guān)重要,。

封裝

要滿足便攜式醫(yī)療產(chǎn)品對(duì)外形尺寸的要求通常意味著需要采用球柵陣列 (BGA) 封裝或芯片級(jí)封裝 (CSP)。實(shí)現(xiàn)更小尺寸的代價(jià)是這類封裝將比傳統(tǒng)的引線封裝更加難以制造,。另外,，設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中可能需要借助 X 光檢測(cè)才能確保焊盤焊接完好，而且 CSP 或 BGA 的再加工難度也比引線封裝的更高,。

雖然尺寸較大的四方扁平封裝或塑封小外形封裝能夠讓設(shè)計(jì)人員輕松探測(cè)與監(jiān)控引腳的信號(hào),，但是由于設(shè)計(jì)人員能夠采用概念驗(yàn)證階段開發(fā)出的代碼與原理圖，原型化階段能夠直接采用尺寸更小的封裝將可以節(jié)省大量時(shí)間,。

SoC 推進(jìn)實(shí)現(xiàn)突破性創(chuàng)新

醫(yī)療行業(yè)正處于一個(gè)令人振奮的發(fā)展時(shí)期,，醫(yī)療市場(chǎng)的創(chuàng)新技術(shù)也正在不斷提升全世界患者的生活品質(zhì)。終有一天,，我們每個(gè)人都將會(huì)從當(dāng)前的創(chuàng)新與醫(yī)療進(jìn)步中受益匪淺,。健康與醫(yī)療設(shè)計(jì)人員、制造商和創(chuàng)新者正在不斷發(fā)揮當(dāng)今微處理器在低功耗,、高處理能力和高性能模擬集成方面所具有的巨大優(yōu)勢(shì),。如果市場(chǎng)產(chǎn)品對(duì)尺寸,、電池使用壽命或精度的設(shè)計(jì)要求太過苛刻，那么工程師應(yīng)當(dāng)能從微處理器 SoC 所提供的功能中找到滿意的答案,。

關(guān)于作者

Kevin Belnap,， 現(xiàn)任 TI 超低功耗 MSP430 微處理器業(yè)務(wù)部產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理。在加盟 TI 之前,，他曾在便攜式儀表行業(yè)從事固件與硬件設(shè)計(jì)工作,。他畢業(yè)于楊百翰大學(xué) (Brigham Young University)，獲電子工程理學(xué)學(xué)士與 MBA 學(xué)位,。