隨著更小、更便宜的便攜式家用護(hù)理技術(shù)替代大型昂貴的設(shè)備，市場上的醫(yī)療保健產(chǎn)品數(shù)量不斷增加，而半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了家用醫(yī)療保健的普及和成本的降低。

據(jù)世界衛(wèi)生組織(WHO)統(tǒng)計(jì)，2006年全球50歲以上的人口數(shù)量是6.5億，并且預(yù)計(jì)到2025年這個(gè)數(shù)字將達(dá)到12億。僅在美國，65歲以上的老人在人口中的比例就在不斷上升，并且有望在未來持續(xù)上升。

醫(yī)療保健市場非常大。據(jù)美國政府透露，美國在醫(yī)療保健領(lǐng)域支出了2.5萬億美元，占整個(gè)國家GDP的18%。ABI Research公司預(yù)測，到2014年將有5,900萬臺(tái)可佩戴的家用醫(yī)療保健設(shè)備投入使用，屆時(shí)可佩戴設(shè)備的總數(shù)將達(dá)到4.2億臺(tái)，其中包括體育和健身用設(shè)備。

Freedonia Group公司認(rèn)為目前家用醫(yī)療保健設(shè)備的市值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過70億美元，其中涉及的技術(shù)包括呼吸治療、靜脈(IV)注射、透析、病人監(jiān)護(hù)、輪椅、輔助步行、醫(yī)療設(shè)備和安全設(shè)備。

今天的醫(yī)療設(shè)備能給病人提供更低成本和更加安全的監(jiān)護(hù)方式，在某些情況下甚至可以在自己家里處理他們的健康狀況，減少了去醫(yī)院、診所或醫(yī)生辦公室的需要。醫(yī)療保健正變得越來越分散化。

便攜式家用醫(yī)療保健設(shè)備包括血糖儀、血壓計(jì)、心率監(jiān)視器、數(shù)字體溫計(jì)、脈搏血氧飽和儀、用于治療哮喘和其它呼吸疾病的哮喘儀、用于老人和殘疾人的跌落與運(yùn)動(dòng)檢測設(shè)備以及用于體重監(jiān)視和管理的數(shù)字秤，還有用于治療睡眠呼吸暫停的設(shè)備。許多家用健身設(shè)備也通過升級(jí)增加了保健測量和管理功能。

用于醫(yī)療設(shè)備的半導(dǎo)體技術(shù)

在互聯(lián)網(wǎng)連接的推動(dòng)下，半導(dǎo)體IC性能和集成度得到了極大提升，進(jìn)而推動(dòng)著家用醫(yī)療保健設(shè)備的創(chuàng)新。有趣的是，這些半導(dǎo)體IC的發(fā)展拯救了上千條生命，并使許多人的壽命更長，這進(jìn)一步提高了對(duì)保健醫(yī)療的要求，并增加了對(duì)更多醫(yī)療創(chuàng)新的需求。

設(shè)計(jì)師可以充分發(fā)揮傳感器、微控制器單元(MCU)、微處理器、DSP、模擬前端、存儲(chǔ)器、電源IC和發(fā)送器與接收器的功能。FPGA也能實(shí)現(xiàn)許多功能。這些解決方案都能達(dá)到很高的功能集成度。

許多IC功能正在推動(dòng)家用保健醫(yī)療趨勢，特別是處理器和先進(jìn)的傳感器。例如，DSP具有高運(yùn)算能力，可用來實(shí)現(xiàn)新一代監(jiān)護(hù)產(chǎn)品。

先進(jìn)的加速度計(jì)，比如ADI公司的ADXL345 iMEMS三軸數(shù)字加速度計(jì)，被廣泛用于上百萬臺(tái)游戲機(jī)、導(dǎo)航設(shè)備、蜂窩電話、汽車應(yīng)用和其它消費(fèi)產(chǎn)品。這些加速度計(jì)可確保家用數(shù)字血壓計(jì)的精度。它們可以檢測并確保測量時(shí)手臂相對(duì)于病人心臟的正確位置，從而實(shí)現(xiàn)較大的測量精度。

脈搏血氧儀是較近加入家用醫(yī)療保健監(jiān)護(hù)陣營的設(shè)備之一，而血氧飽和度是繼血壓、心率、呼吸率和體溫之后的第5個(gè)重要體癥。血氧儀可以用來測量血色素?cái)y帶的氧氣含量。血色素是紅細(xì)胞的重要部分，用來將氧氣從肺部輸出到人體各處組織。

脈搏血氧儀(圖1)可以采用許多傳統(tǒng)的IC來設(shè)計(jì)，安森美公司表示。安森美在三年前收購了高級(jí)定制IC領(lǐng)先制造商AMI半導(dǎo)體公司。一些半導(dǎo)體IC制造商可以提供家用保健醫(yī)療應(yīng)用所需的完整信號(hào)鏈功能。

圖1：脈搏血氧儀可以采用傳統(tǒng)的IC來設(shè)計(jì)，安森美為脈搏血氧儀方案提供棕色框圖中的IC。

“我們開發(fā)的AD5933阻抗分析芯片可以用來測量諸如人體脂肪和血液凝固度等參數(shù)，輸出可以鏈接到與醫(yī)生通信的家用保健終端。”ADI公司醫(yī)療保健部全球策略營銷經(jīng)理Paul Errico介紹，“這只是我們能夠提供的便攜式家用醫(yī)療保健產(chǎn)品中完整信號(hào)鏈(圖2)所需的IC之一。”

家用醫(yī)療保健設(shè)備市場給設(shè)計(jì)工程師提出了許多艱巨的挑戰(zhàn)，包括低功耗進(jìn)而更長的電池壽命、魯棒和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、更加友好和簡單的用戶操作、無線連接以及更低的較終用戶成本。半導(dǎo)體IC制造商也越來越多地面臨這些挑戰(zhàn)。

TI公司的CC430平臺(tái)(圖3)包含了MSP430 MCU、CC1101射頻收發(fā)器系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)和智能外設(shè)，整個(gè)平臺(tái)采用9.1x9.1mm的64引腳四方扁平無引線(QFN)封裝。CC430采用128位安全加密算法和433、865、915MHz頻率通信，后兩種頻率是用戶可選的。TI公司還表示，MSP430是業(yè)界功耗較低的MCU，電源電壓從2.2V至5.5V，耗電僅330μA(3V和1MHz時(shí))，待機(jī)模式時(shí)的漏電流僅0.1μA。

圖3：TI的CC430平臺(tái)包含了MSP430 MCU、CC1101射頻收發(fā)器、SoC和智能外設(shè)。

基于CC430的較新開發(fā)成果是TI公司的eZ430-Chronos運(yùn)動(dòng)手表(圖4)，這種手表支持運(yùn)動(dòng)以外的許多應(yīng)用。“我們已經(jīng)交付了11萬個(gè)eZ430開發(fā)套件。”MSP430營銷經(jīng)理Adrian Valenzuela表示，“通過這些開發(fā)平臺(tái)，我們正在嘗試支持更多應(yīng)用，像醫(yī)療(比如心率、脈搏、血糖值和體溫監(jiān)視)、家用自動(dòng)化、業(yè)余愛好等。

圖4:基于CC430的eZ430-Chronos運(yùn)動(dòng)手表支持運(yùn)動(dòng)以外的許多應(yīng)用。

Microchip科技公司在其PIC微控制器中采用了nanoWatt XLP超低功耗技術(shù)(圖5)，這種控制器可用于血糖儀等家用醫(yī)療保健設(shè)備。Microchip公司的PIC16、18和24F微控制器在電源關(guān)斷模式僅消耗100nA電流，并集成了800nA的看門狗定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和日歷電路。

圖5：家用血糖儀電路需要超低功耗的微控制器,比如Microchip的nanoWatt XLP PIC微控制器。

一些公司使用專門針對(duì)低功耗優(yōu)化了的閃存微控制器單元實(shí)現(xiàn)手持式家用醫(yī)療保健設(shè)備，如血糖監(jiān)視儀。NEC電子公司的16位全閃存MCU基于公司的78kOR CPU內(nèi)核，工作電壓從3.3V至5V。這種MCU集成了LCD驅(qū)動(dòng)器、12位模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC和DAC)、運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)。在待機(jī)模式下，該MCU的消耗電流僅1.2μA。

“我們從20世紀(jì)90年代初就開始從事血糖儀業(yè)務(wù)，因此非常理解這種醫(yī)療設(shè)備的低功耗要求。”NEC公司首席技術(shù)營銷工程師Michael Clodfelter表示，“一些MCU制造商宣傳的nA級(jí)低功耗待機(jī)模式指標(biāo)殺傷力過大。事實(shí)上，待機(jī)模式下約1μA就能保證血糖儀有足夠長的電池壽命。

Clodfelter還發(fā)現(xiàn)一個(gè)趨勢，即在便攜式醫(yī)療家用設(shè)備中使用32位MCU來提供更高的精度。事實(shí)上，NEC提供32位全閃存 V850ES(圖6)，在用于血糖儀時(shí)功耗僅90mW/Dhrystone。當(dāng)時(shí)鐘頻率在5MHz至20MHz時(shí)，這種微控制器的管線式架構(gòu)執(zhí)行速度高達(dá)43個(gè)Dhhrystone MIPS(1.1)。

圖6：NEC提供32位全閃存 V850ES

呼吸監(jiān)視

用于呼吸監(jiān)視的便攜式測試儀是較近進(jìn)入家用的醫(yī)療保健產(chǎn)品之一。一些較著名的呼吸疾病包括慢性阻塞性肺病(COPD)、哮喘和睡眠呼吸暫停。全球超過3億人患有哮喘。

KarmelSonix公司針對(duì)哮喘病人推出了哮喘儀。這種個(gè)人哮喘評(píng)估設(shè)備采用ADI公司的400MHz BF524 Blackfin DSP，是一種手持設(shè)備，放置在病人的喉嚨口。先由壓電傳感器從病人的呼吸中捕獲空氣流動(dòng)的不規(guī)則數(shù)據(jù)，并饋送到DSP。然后由處理器判斷病人的呼吸速率，這個(gè)速率定義為喘息占用的呼吸周期持續(xù)時(shí)間。KarmelSonix公司表示，喘息速率是哮喘病人的一種動(dòng)態(tài)和重要的哮喘發(fā)作測量參數(shù)。

KarmelSonix公司獲得專利的軟件算法應(yīng)用了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)來判斷喘息的出現(xiàn)。該公司透露，這些標(biāo)準(zhǔn)是由計(jì)算機(jī)處理的呼吸聲音分析(CORSA)提供的指南而確定的。

“哮喘儀還可以給家用以外的場合帶來方便。這種便攜式設(shè)備可以放在個(gè)人的背包里，哮喘儀的輸出數(shù)據(jù)可以通過筆記本電腦上的USB端口從任何地方下載到醫(yī)生或醫(yī)療提供商那里。”ADI公司策略營銷經(jīng)理Tony Zarola表示，“我們有望在EKG無線監(jiān)視設(shè)備中通過USB端口使用Blackfin DSP。”

為了推進(jìn)便攜式家用醫(yī)療保健設(shè)備的開發(fā)，TI公司提供基于TMS320VC5505 DSP的開發(fā)套件。據(jù)TI公司稱，這些套件可以將產(chǎn)品上市時(shí)間加快至8個(gè)月。每個(gè)套件包含硬件和軟件設(shè)計(jì)工具，包括原理圖、樣例代碼、醫(yī)療特殊算法和其它間接性支持。

皇家菲利浦電子(Royal Philips Electronics)公司為家用醫(yī)療保健領(lǐng)域提供智能的睡眠呼吸暫停治療系統(tǒng)。這種Reprionics睡眠治療系統(tǒng)大約時(shí)鐘收音機(jī)大小(7x5.5x4英寸)，可以為中度至重度睡眠呼吸暫停癥病人提供治療方案。這個(gè)系統(tǒng)利用菲利浦開發(fā)的正向氣道壓力原理設(shè)計(jì)，通過一個(gè)面罩提供柔和的壓縮空氣流，以保持病人的氣道暢通。

“這是目前為止我們提供的睡眠呼吸暫停治療方面較復(fù)雜的產(chǎn)品，它的面世正當(dāng)病人配合問題較突出的時(shí)候。”菲利浦公司家用醫(yī)療保健解決方案首席執(zhí)行官Donald Spence表示。

菲利浦公司還提供Trilogy 100便攜式家用生命支撐通風(fēng)設(shè)備，可供成人和兒童使用。這種設(shè)計(jì)可以幫助護(hù)士和臨床醫(yī)生在家中和條件好的護(hù)理中心照看病人。

此外，菲利浦公司還在推廣家用醫(yī)療保健平臺(tái)顯示器終端，這種設(shè)備可以方便地通過病人家里的電視機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程病人管理。這正是公司的Motiva交互平臺(tái)提供的功能。除了監(jiān)視重要的體癥外，這種設(shè)備還能提供教育信息和動(dòng)機(jī)消息，并能用于與健康有關(guān)的測量。

Intel公司較近宣布正在測試Health Guide，一種用于醫(yī)療信息監(jiān)視和通信的PC機(jī)。這種PC機(jī)可以監(jiān)視患有慢性病的老年病人的重要體癥，并通過網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程的醫(yī)療提供者提供詳情。

Intel和GE都是康體佳健康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)的重量級(jí)成員，較近兩家公司聯(lián)合起來攻克針對(duì)家用和輔助生命裝置的醫(yī)療保健課題。康體佳健康聯(lián)盟成立于2006年，旨在解決導(dǎo)致醫(yī)療保健成本急速上升的生活方式、健康和人口發(fā)展趨勢問題。

康體佳健康聯(lián)盟由領(lǐng)先的醫(yī)療保健提供商、保險(xiǎn)公司、醫(yī)院、制藥公司、半導(dǎo)體IC公司以及運(yùn)動(dòng)用品和醫(yī)療設(shè)備制造商組成。該組織致力于無線和有線通信協(xié)議的標(biāo)