选择合适的医疗电子方案

选择合适的医疗电子方案SiliconLabs公司市场概况预计到2014年，整个医疗电子市场将达到2080亿美元，届时，不断增长的半导体份额预计将达到50亿美元。通过分析，我们得到以下两个增长因素。第一个增长因素是人口统计因素。这里包括全球人口平均年龄的不断增长和人口老龄化趋势的强烈刺激。第二个增长因素是技术革新因素。医疗电子产品越来越趋向于小型化、便携化，病人的诊断工作及护理工作正在加速地从医院转移到诊所或家庭进行。低功耗、无线与有线连接以及超小封装元器件技术的成熟使得以上的需求得以实现。行业需求那么行业需求有哪些呢？首先我们看到了医疗电子行业的改变，包括产品上市需要更长时间，产品需要具有更长的生命周期和收益需要更加稳定等。由这些特定需求我们总结了一下，得到一下几点：首先，元器件尽量不予停产。其次，量产物料的可追踪性，这要求标牌、跟踪号及批号信息，昀后，一点是能对质量及可靠性标准的持续监控。SiliconLabs为医疗电子行业提供解决方案是多种元器件的组合，这样，可以尽可能地保证产品的一致性和稳定性，并且会恪守EOL承诺，延长昀终产品生命周期。技术改进本次座谈将要介绍的内容中所指的医疗产品主要指非侵入式、用于诊断和/或治疗目标和适合健康及诊断设备。主要有以下技术要求：低功耗、电池供电•AA，AAA或CR2032•单节或多节电池供电连通性•有线或无线数据传输小封装•适合便携式及小型化设计诊断应用•无菌环境中的医用传感器隔离•确保设备安全可靠以保护病人可靠性•快速有效的精准测量如图1所示为称重器、血压仪、内窥镜胶囊以及能接收心律和血氧数据的多功能手表等医疗电子产品。图1医疗电子产品SiliconLabs立足于满足医疗与保健电子系统的主要需求，这些主要需求包括低功耗、长电池寿命、系统保护、数据传输、精准测量、小封装、确保病人安全和避免细菌感染等等。就电源管理、连通性和性能及构造SiliconLabs都推出了相应的解决方案，满足了特殊需求，如图2所示。医疗电子器件医疗设备要求低功耗并延长电池工作寿命，它的高度集成化的MCU可以减少外围器件。出色的低功耗性能、小封装和精确的模数转换同样重要。C8051F9xxMCUs就能满足这些要求，高度集成化减少BOM，小封装并集成多种通信端口，选用CP240x系列LCD驱动以配合低功耗MCU可以实现业界较低功耗的LCD应用方案。无线连接实现远程操作，我们看到家用保健设备占医疗电子中的重要份额，家用保健设备通过短距离无线连接传输数据，包括心率计、计步器、血压计、健康秤以及其他的保健设备都是通过采集数据并进行传输。SiliconLabs高性能ISM频段家族针对成本敏感的高性能无线保健产品应用也相应推出了电子产品。SiliconLabs拥有业界领先的RF距离及鲁棒性，包括EZRadioPRO系列的单收、单发及收发一体器件。可重复设计的高度柔性的设计可使产品快速面市。设想一下，C8051F9xx和EZRadioPROTM结合起来会得到什么呢？技术的结合带来产品能效的提高，我们将在各种供电方式中得到受益。使用3V电池受益于休眠及待机模式下的超低功耗。去掉一颗干电池,那么节省成本。改串联为并联，那么相同成本下增加25%的电池寿命，改变电池类型也可以节省成本。对于很多的医疗应用而言，可配置的USBMCUs无疑是非常理想的方案，嵌入式工艺与USB连接相结合，嵌入式连接实现数据传输。我们可以直接把设备连接到PC或者诊断设备上读取数据。只需很小的设计改动即可为现有系统增加USB连接功能。SiliconLabs提供驱动程序、传输类型、设备等级以及枚举的原代码，客户无需投入软件研发力量。于此同时，还能并提供USB转串口桥接芯片。外观设计特性是产品实现差异化的体现，人机界面设计有助于改善昀终用户体验。对于有无菌条件限制的医疗设备，通过红外感应就可以替代把手或触摸部分，实现医疗设备的开关。在仅适用接近感应的情况下，液体会经常导致误触发，结合红外接近感应与电容触摸就可以减少设备误操作。在隔离设计需求方面，IEC60601-1标准提出了医疗设备的隔离设计需求。即便在严酷的噪声环境下，ISOpro系列的隔离器件依然具备较好的稳定性、抗干扰性和EMI性能。Si84xxAD及Si84xxBD系列隔离电压为5kV。对于需要连接到电脑下载数据的设备，加上隔离器可以防止设备以及用户接触到主电源，IEC标准要求医疗设备即使暂时接触到主电源也要添加隔离器。SiliconLabsSi8422可以在串口端对USB设备实施隔离。对于便携保健设备及医疗电子设备的设计，RF-to-USB-RD可以实现非常理想的功能更新，也可以通过USB转接器传输病人数据，RF-to-USB-RD如图3所示。举例来说，对于健身设备或健康秤，可以容易的实现减肥或增重的目标跟踪。产品的特征还包括超低功耗MCU与高性能无线收发器件相配合以及卓越的电流消耗、封装尺寸、接收灵敏度与发射功率。在双板参考设计方面，通过USB转接器将无线数据流从发射板传输到电脑。免费提供完整的硬件原理图、Gerber文件、软件GUI以及MCU固件。医疗应用方案脉搏式血氧仪使用一个带有红光和红外光的LED发光器，其光线穿越手指被一个光电探测仪所接收，单片机的AD转换通过对其电信号的采集计算出红光及红外光的比例转换成血氧度，与此同时，单片机还通过数模转换对光电探测仪提供一个直流偏置电压，让其工作在一个灵敏的范围。这就需要单片机有高运转效率，需要精确和低功耗才能有长时间的使用寿命。脉搏式血氧仪方案如图4所示。图2针对不同的应用需求提供解决方案图3RF-to-USB-RD图4脉搏式血氧仪方案在带无线传输功能的个人保健设备方案中，我们可以看到计步器、健康秤、血压计都增添了无线传输功能，因为主要是发送信息，架构主要是MCU和发送器相结合，结合MCU及900MHzISM发送器件，可以连接到现有系统，增加无线连接功能。MCU可运行EZMac软件，仅消耗极少的系统资源。接入电脑USB口，即可作为HID设备自动匹配。仅需两颗芯片，即可实现射频、USB以及所有软件控制。使用较低功耗的MCU与射频器件结合，同时在软硬件层面运行低功耗模式这点也必须要注意，如图5所示。再看一下血压计，我们需要快速CPU，快速CPU控制舒张/收缩算法，通过检测平均动脉压力，计算出心脏的收缩压与舒张压。SiliconLabs提供16b模数转换直接连接压力传感器，无需外加增益。如图6所示。图5带有无线传输功能的保健设备方案图6血压计开发工具无线开发工具•软件开发平台(SDBC-DK3)•射频开发平台(ISM-DK3)•Windows界面开发程序(WDS)•参考代码包括：•点对点•多点•网络(EZMac)•频率跳变芯片开发套件•带系统调试功能的目标板•开发套件•子卡•软件开发工具•集成IDE用于代码开发•QuickSenseStudio用于人机界面设计•Batterylifeestimator(用户可以估算出不同种类或者不同结构下的电池使用寿命)更多详细内容，敬请浏览：：低功耗MCU系列对便携产品的配置要求是什么？答：低功耗MCU对便携式产品没有什么要求，具体看你对功耗还有电池的要求，如果是只要求一节电池供电，那你在选择IC时就要主要选对应的MCU。问：SiliconLabs如何延长电池使用寿命？减小电流吗?昀小电流可以达到多少？答：睡眠电流昀低可以达到10nA，工作电流与频率比为160µA/MHZ。提供超低的工作电流以及睡眠电流,提供较短的数字模块及模拟模块的唤醒时间,这就是我们延长电池寿命的方法。问：座谈中一直提到昀长的电池使用寿命，请问有没有具体的参照？是延长小时时间还是增加多少百分比？答：对于功耗有一个公式就是P=CV2F，通过这个公式可以比较各家公司IC在同等条件下的功耗高低。问：SiliconLabs的分集天线算法有什么特点？如何嵌入在模块中而不需要MCU的干预？答：无线模块中嵌入了分集式天线算法，由于传播的多径效应，可能具体某个接收点正好处在信号昀弱的低端。而分集式主要是更具信号的强弱，自动对两个天线进行切换。这些都不需要MCU进行控制和检测。MCU直接通过spi去接收数据就行了。问：可以通过实现红外感应来控制医疗设备的开关吗？答：可以用C8051F系列MCU配合SiliconLabs的Si1102或者Si1120来实现。问：SiliconLabs在远程监护中如何保证信息传输的安全性？答：我们的RF产品有自带的AES128或DES64加密模块。问：心率计、计步器可以短距离实现无线连接并传输数据吗？答：可以，需要外加RF模块。问：计步器的无线传输功能采用何种格式调制?传输距离有多远?答：其无线收发器件可以采用FSK，OOKGFSK等等多种调制方式。SiliconLabs在以色列做过一个试验，GFSK,868MHz,4.8kbps的情况下昀远传输距离是6.2公里。问：医疗电子设备未来可能要求更高质量的画面，对于这种需求，目前贵公司有什么方案?信号处理，以及信号传递速率要求非常高的情况下有什么方案？答：SiliconLabs目前也有视频方面的产品，不过对于图像处理,公司暂时没有太多方案。对于信号处理,除了进一步发展现有的8051产品之外,我们也会向更高MIPS的产品进军。问：“无线医疗”是否考虑了电磁辐射对人的影响和对其他医疗设备的干扰？答：现在无线医疗有考虑电磁辐射的问题，主要解决的方式就是限制RF的发射功率。问：医疗电子的安全可靠问题该如何有效解决？答：首先是程序以及硬件上作保护。即使程序出错，也不能产生任何危害人身安全的现象。其次是提高抗干扰性能以及通过隔离器件增强安全性。问：ESD对医疗电子的破坏危害究竟有多大？如何有效规避甚至破解ESD对医疗电子之危害？答：ESD的防护是系统设计中需要考虑的重要问题，包括原理设计中的防护器件以及PCB布线、整机的接地、屏蔽设计等。问：便携式家用医疗设备可以通过USB把数据传输出吗？答：C8051F34x和C8051F32x系列MCU带USB接口，可用于需要USB接口的便携式医疗设备。另外CP210x系列IC是专门的UART转USB芯片，可在现有设备中增加USB功能。问：医疗保健设备中对电源有那些特别要求?那些部分必须要用超低噪音LDO电源？答：一般电池供电的设备中需要高效率的电源，如果是LDO则要求其静态电流较小。LDO相对DC-DC噪声小很多，在一些传感器信号较小的应用中需要避免开关噪声对传感器信号的影响，会要求高品质的LDO。问：远程监护包括哪些内容？实现实时信息传送需要哪些条件？SiliconLabs提供那些解决方案？答：有数据传输和图像传输等内容。一般仅数据传输可以使用无线传输方式，SiliconLabs提供EZRadio的无线连接方案，主要包括Si43xx、Si44xx等无线收发芯片，以及Si10xx集成MCU和EZRadio的SOC芯片。如果用到图像传输等数据量很大的场合，可以考虑使用以太网传输，Silabs提供完整的以太网传输GEC