遠(yuǎn)程醫(yī)療行業(yè)生物傳感應(yīng)用中的設(shè)計(jì)新挑戰(zhàn)

醫(yī)療保健繼續(xù)朝著自我治療的方向發(fā)展，而不再需要每次去醫(yī)院現(xiàn)場治療。除了幫助減少身體接觸外，新技術(shù)還使普通民眾獲得了用于自我監(jiān)測和遠(yuǎn)程治療的醫(yī)療保健工具，而這在以前是無法實(shí)現(xiàn)的。

無論是為老齡化人口提供移動(dòng)性、幫助控制傳染病、縮短緊急響應(yīng)時(shí)間或向農(nóng)村地區(qū)提供醫(yī)療服務(wù)，在這樣的時(shí)代，遠(yuǎn)程醫(yī)療都已變得十分重要。

在本白皮書中，我將介紹對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療行業(yè)產(chǎn)生重大影響的新技術(shù)發(fā)展，還會(huì)介紹醫(yī)院和家庭面臨的相關(guān)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括如何感知生命體征、盡可能降低功耗、提高準(zhǔn)確性和可靠性、改善連接性，以及在尺寸受限的應(yīng)用中集成多種功能。

內(nèi)容概覽

本白皮書介紹影響遠(yuǎn)程醫(yī)療行業(yè)和相關(guān)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的技術(shù)發(fā)展。

1 生物傳感

與生物傳感和可穿戴醫(yī)療設(shè)備相關(guān)的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。

2 電源優(yōu)化

便攜式和可穿戴式患者監(jiān)護(hù)儀通常都是由電池供電，電池壽命便成為了差異所在。

3 連接

連接性是患者監(jiān)測系統(tǒng)和遠(yuǎn)程醫(yī)療保健設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵方面。

4 數(shù)據(jù)安全性

患者數(shù)據(jù)是專有信息，數(shù)據(jù)盜竊是一個(gè)嚴(yán)重的威脅。

解決生物傳感應(yīng)用中的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

與生物傳感和可穿戴醫(yī)療設(shè)備相關(guān)的設(shè)計(jì)通常非常復(fù)雜。下一頁上的圖 1 顯示了如何通過無線方式監(jiān)控不同位置的多個(gè)患者，在醫(yī)院護(hù)士站的監(jiān)視器上顯示他們的生命體征。由于每個(gè)患者的用例都不同，在功耗、尺寸和連通性方面，設(shè)計(jì)的復(fù)雜性也在增加。

圖 1.適合多個(gè)患者的無線生命體征監(jiān)測。

模擬前端 (AFE) 器件（協(xié)助將數(shù)字電子產(chǎn)品與醫(yī)療應(yīng)用中使用的噪聲、時(shí)間和光敏傳感器連接起來）對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療終端設(shè)備（例如，脈動(dòng)式血氧計(jì)和心率監(jiān)測器）產(chǎn)生了重大影響。AFE 器件有助于應(yīng)對(duì)與醫(yī)療應(yīng)用相關(guān)的典型挑戰(zhàn)，包括患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的可靠性、可穿戴設(shè)備的功耗以及非標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備的靈活性。

生物傳感 AFE 支持心率監(jiān)測和變異性，外周毛細(xì)血管血氧飽和度 (SpO2)、助聽器和光學(xué)血壓測量，以及許多其他生物傳感功能。AFE4400 等 AFE 與用于傳感和 LED 故障檢測的片上光學(xué)元件和診斷程序完全集成在一起，從而提高了脈動(dòng)式血氧計(jì)系統(tǒng)的可靠性。用于非標(biāo)準(zhǔn)連接的高度可配置時(shí)序控制器以及在正常和待機(jī)運(yùn)行期間能夠?qū)崿F(xiàn)低靜態(tài)電流的超低功耗特性，使得 AFE 非常適合緊湊、電池供電的可穿戴電子設(shè)備和基于光學(xué)的測量和監(jiān)測。

除了脈動(dòng)式血氧計(jì)，可穿戴式溫度貼片是患者溫度監(jiān)測應(yīng)用中的新興趨勢。鑒于體溫可以幫助揭示高?；颊叩慕】禒顩r，對(duì)于那些需要持續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測的人來說，這些貼片越來越受歡迎，而且價(jià)格也相當(dāng)實(shí)惠。為醫(yī)學(xué)診斷目的而進(jìn)行的溫度測量必須符合美國測試與材料協(xié)會(huì)的最大誤差值，而滿足這些值需要考慮一些設(shè)計(jì)因素。例如，減小誤差值的一種方法是在隔離其他環(huán)境熱源的同時(shí)進(jìn)行良好的熱接觸。德州儀器 (TI) 優(yōu)化了高精度、低功耗TMP117M 數(shù)字溫度傳感器，以便更大限度地減少自發(fā)熱；該傳感器采用超薄型小外形尺寸無引線封裝，使其可以用于皮膚 IC 熱傳遞。如需了解更多信息，請(qǐng)閱讀我們的博客“可穿戴溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)”。

圖 2 顯示了多參數(shù)患者生命體征監(jiān)護(hù)儀前端參考設(shè)計(jì)，這一多參數(shù)患者監(jiān)測設(shè)計(jì)由電池供電，用于測量心臟電活動(dòng)、SpO2 或呼吸等生命體征。此系統(tǒng)使用多個(gè) AFE（AFE4403 和 ADS1292R）和 TMP117 溫度傳感器，以便準(zhǔn)確地測量脈沖特性、電氣活動(dòng)和皮膚溫度 (±0.1°C)，同時(shí)提供用于起搏器檢測應(yīng)用的起搏檢測模塊的連接。盡管由于電極的特性和光信號(hào)的波動(dòng)，生物傳感應(yīng)用通常需要可配置的增益和數(shù)據(jù)速率，但使用高度可編程的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（例如，ADS1292R）有助于管理生物電勢。

圖 2.多參數(shù)前端參考設(shè)計(jì)。

電源優(yōu)化

由于便攜式和可穿戴式患者監(jiān)護(hù)儀旨在持續(xù)測量和監(jiān)測，因此它們通常都是由電池供電，這就使得電池壽命成為各產(chǎn)品的差異所在。電池供電系統(tǒng)需要細(xì)致的劃分、巧妙地利用小空間和降低能耗。患者和醫(yī)生希望在更小的封裝中更有效地提供更多功能，并且希望充電間

設(shè)計(jì)人員可以使用低功耗微控制器 (MCU) 和模擬IC，但除非優(yōu)化電源管理，否則他們將無法利用設(shè)計(jì)中的大多數(shù)新技術(shù)。電源架構(gòu)必須盡可能高效，并且可延長電池使用壽命。

包含 MCU、利用省電功能（例如，睡眠、休眠和關(guān)機(jī)）的電池供電設(shè)計(jì)可以幫助大大延長電池壽命。喚醒時(shí)間和待機(jī)功耗對(duì)于無線連接也起著至關(guān)重要的作用。

除了數(shù)字節(jié)能選項(xiàng)之外，設(shè)計(jì)人員還必須考慮使用模擬功率管理組件（例如，穩(wěn)壓器或直流/直流轉(zhuǎn)換器）以更大限度地提升效率，并結(jié)合負(fù)載開關(guān)以在不使用時(shí)禁用外圍設(shè)備，以及選擇電池類型和優(yōu)化其充電曲線。

運(yùn)輸模式在運(yùn)輸過程中使用多個(gè)組件來延長電池壽命，以及延長電池供電電子產(chǎn)品（例如，可穿戴設(shè)備）的貨架期。TPS22916 負(fù)載開關(guān)可充當(dāng)獨(dú)立于主電子元件的非侵入性電路，盡量減少泄漏，并通過專用于 MCU 引腳的通用輸入/輸出信號(hào)或通過按鈕將電池與系統(tǒng)斷開連接。圖 3 顯示了該電路的簡單性。

圖 3. 在運(yùn)輸模式中使用 TPS22916。

因?yàn)槭褂镁哂谐杀拘б娴碾娏坑?jì) IC 和提供超低功耗功能，除了運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程中的電源管理之外，電池壽命監(jiān)測、報(bào)告和預(yù)測也有了很大的改進(jìn)。許多電量計(jì) IC 采用超小型球柵陣列封裝，包含預(yù)編程的化學(xué)配置文件，以便使用 TI 的 ImpedanceTrack? 技術(shù)算法來跟蹤電池容量、充電狀態(tài)和電壓。

遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的連接技術(shù)

除了電源之外，連接性是患者監(jiān)測系統(tǒng)和遠(yuǎn)程醫(yī)療保健設(shè)備的另一個(gè)關(guān)鍵方面。需要高清晰顯示以及高分辨率可視化和讀數(shù)的患者監(jiān)護(hù)儀可能需要高速或雙核處理。Arm 處理器（例如，Sitara? 技術(shù)ARM? Cortex?-A 系列）為高端患者監(jiān)護(hù)儀中的用戶界面提供支持。例如，AM3358 處理器包含可擴(kuò)展 Arm Cortex-A8 核心和 3D 圖形顯示能力。

雖然更快的處理對(duì)于顯示很有用，但是在無線連接方面存在一些主要的挑戰(zhàn)，例如實(shí)時(shí)生命體征顯示的延遲和高數(shù)據(jù)率要求。TI 的 WiLink? 8 技術(shù)器件系列等無線模塊包含雙頻段 Wi-Fi?、Bluetooth?或二者的組合（圖 4）；這些模塊適用于吞吐量高達(dá) 100Mbps 的應(yīng)用，是 Sitara 處理器的補(bǔ)充。

圖 4. WiLink Wi-Fi 和藍(lán)牙組合技術(shù)。

它們提供企業(yè)級(jí) Wi-Fi 安全、Wi-Fi 保護(hù)訪問 3 和美國政府提供的聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn) 140-2 認(rèn)證。設(shè)計(jì)無線連接（尤其是可穿戴設(shè)備）的另一個(gè)挑戰(zhàn)是與無線電傳輸相關(guān)的高功率使用，以及緊湊型應(yīng)用中的大型無線電模塊的管理。支持藍(lán)牙技術(shù)的高精度皮膚溫度測量柔性 PCB 貼片參考設(shè)計(jì)（圖 5）展示了高精度溫度傳感 (±0.1°C) 如何與2.4GHz 無線電頻率收發(fā)器以及在小型靈活印刷電路板 (PCB) 上運(yùn)行完整藍(lán)牙堆棧的低功耗、無線MCU 結(jié)合在一起，用于可以遠(yuǎn)程報(bào)告溫度的電池供電溫度計(jì)貼片應(yīng)用。支持藍(lán)牙技術(shù)的 PCB 貼片參考設(shè)計(jì)中包括的 CC2640R2F 等超低功率 MCU可以幫助優(yōu)化低功耗傳輸和待機(jī)或關(guān)機(jī)狀態(tài)，并縮短喚醒時(shí)間。

圖 5. CB 貼片參考設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)安全性

無線醫(yī)療傳感器貼片和患者監(jiān)護(hù)儀需要出色的安全性?；颊邤?shù)據(jù)是專有信息，數(shù)據(jù)盜竊是一個(gè)嚴(yán)重的威脅。

目前已經(jīng)有數(shù)種安全措施旨在保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 以及患者與醫(yī)生之間發(fā)送的數(shù)據(jù)。這些措施不僅要在處理和轉(zhuǎn)換為生命體征參數(shù)以進(jìn)行顯示時(shí)，而且要在傳輸過程中防止攻擊，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。這稱為無線安全。

盡管具有優(yōu)化外形尺寸、多模傳感和功耗的 AFE生物傳感器件為設(shè)計(jì)工程師提供了非常有用的工具和組件以用于開發(fā)遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用，但 MCU/無線電器件和多核處理器的組合還支持能夠?qū)崿F(xiàn)高吞吐量、持續(xù)數(shù)據(jù)流的遠(yuǎn)程應(yīng)用，這對(duì)于患者可視化和讀數(shù)（例如，在護(hù)士站連續(xù)顯示生命體征信息）至關(guān)重要。

結(jié)論

隨著生物醫(yī)療設(shè)計(jì)人員解決設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)并以更實(shí)惠的價(jià)格（以及更小的尺寸，但具有連接性）向市場提供更好的無線患者監(jiān)護(hù)儀和貼片，醫(yī)學(xué)界將迅速發(fā)展。從發(fā)達(dá)國家的醫(yī)院到發(fā)展中國家的遠(yuǎn)程醫(yī)療中心，可穿戴設(shè)備將改變醫(yī)療保健格局并幫助提供更好的護(hù)理。
編輯：hfy