1 便携式医学设备的基本组成
如果将任何一台便携式医学监护设备拆开,我们就会发现它们有5个基本的结构模块组成(参见图1):显示和触摸屏控制、电源管理、传感器接口和信号通道、数据通信接口、系统微控制器(μC)或数字信号处理器(DSP)。很显然,每个结构模块的性能是随不同系统而变化的,取决于不同病人的需要和系统所处的不同环境。
1.1 显示和触摸屏控制
显示技术和触摸屏控制技术的进步对病人监护仪的发展有着积极的影响,使得监护仪外观更小巧、精致,使用也更方便。使用触摸屏控制(TSC)技术实现了传统的物理键盘的功能,同时使显示的图像更大、更清晰。TSC可以很好地微调输入和输出数据的显示,并且可以保持“按键”大而易用。然而,应用TSC的一个技术挑战是对静电电荷(ESD)的处理,如果TSC电路不能消除静电能量,则静电能量会击穿和破坏中央微处理器/DSP。在设计TSC电路时,还需要考虑屏幕分辨率、转换类型和速度、总的功耗等。
1.2 传感器接口和信号通道
不管是读取体温、脉搏、血糖值还是其他的生物传感器测量值,设计合适的信号通道是很重要的。一般说来,仪表放大器(Instrumentation Amplifier)是信号通道中的第一级(见图2),如INA326,它是低功率放大器,具有低零漂、高直流精度的特点。在大多数应用中,我们所要检测的生物电信号是微伏级的,往往被毫伏级噪声所掩盖;同时,所检测的生物电信号具有交流特性,所以需要放大器具有良好的高通滤波性能。利用该放大器的自动调零或自动校准特性能进一步简化系统的补偿电路设计。
信号通道的第二级是低功耗、宽带宽的运算放大器,如高精度运算放大器OPA376。放大器的过零特性在整个输入共模范围内产生线性偏移信号,这就使得微控制器不需要运行额外的算法去校正漂移量。信号通道中的下一级应是性能优异的Δ-Σ型或逐次逼近型的模数转换器(ADC),像单周滤波器设置、命令启动转换等功能简化了ADC外围电路的设计。在多通道系统中,像全局同步等特性可以保证连贯的信号采集,可以在相同的时钟周期内进行多点信号源间的比较。在挑选元件并合理布局后,可得到纯净的、精确的、真正有意义的信号,并输入到系统微控制器/DSP中。
1.3 微控制器/DSP
医学监护设备会产生大量的未经处理的原始数据。存储和处理数据、记录变化情况、提供反馈值、支持向上连接到更大的系统、执行诊断算法,这些经常是系统控制器的关键功能。
针对功耗限制,平衡系统各部分间的处理需求是很重要的。希望系统具备DSP级的数据处理能力,但又要求微处理器是低功耗的,这在设计中会造成冲突。然而,通过利用新的DSP技术和供电技术,以及实行不同的电源工作模式(等待,休眠,唤醒等),能帮助系统在合理的功耗下获得高效的实时处理运算性能。如TI公司的MSP430微控制器,在将ADC、DAC、运放和超低功率电源整合在一起后,就是一个性能优异的片上系统,非常适合应用于心率监护仪、血压监护仪等许多便携式医学设备中。
1.4 系统电源管理
在系统设计周期的一开始就考虑电源问题有助于系统各部分间的平衡,而这对于便携式医学设备的运行是必须的。
简单的医学监护系统可以使用一次性电池,使得系统的成本较低,较大规模的系统使用可再充电的化学电池组。动态电源路径管理特性使得系统消耗功率的路径和电池充电路径可以是独立的,这样,设备内的蓄电池完全用完后,只要一插上电源插头,设备就又能用了,不必等电池充完电后再使用。因为在需要使用医疗设备时,并不总是有时间来等待充电的。在医学电子设备中,系统的可靠运行是非常关键的,所以电池鉴定是系统另一个重要的特性。鉴定的方法是通过加密的设备ID号来验证电池是否符合OEM厂商的规格。使用不良电池组,不仅会损坏系统,而且会影响系统的运行周期,甚或会造成火灾。
1.5 数据传输接口
医学电子设备的数据接口经历了从有线RS-232接口、有线以太网和无线以太网接口到近距离和较长距离无线接口的发展。新的接口不仅用于连接医院和医院大楼里所有的设备网络,而且还能将医院和病人家连起来。
当病人从医院回家后,他可以通过身体上的无线传感器组和医生进行远程通信。这些无线传感器和病人家庭安全系统的显示器相联,整个家庭安全系统可24h与以太网或医学呼叫中心相联。这时,像蓝牙和Zigbee等无线接口就可以发挥作用了。在选择无线接口时,除了考虑低功耗外,数据传输速率和范围也是两大关键。最终,无线接口方案的选择还必须受系统总功率的限制,符合具体系统中数据传输的要求。
2 小结
未来,便携式医学监护仪应该具有可移动性、灵活性、可组合性和个性化等许多特点,系统能很快地调整设备的硬件模块或软件模块的组合以符合不同情况的需求。借助于发达的网络系统,当我们在家里、办公室或在度假时,“虚拟医生”可以在世界上的任何地方工作。
参考文献:
[1] MedicalApplicationsGuide[G].Texas Instruments, 2008.
[2] Digital Signal Processor(DSP) for Protable Ultrasound[G].Texas Instruments, 2008.
作者简介:林敏(1977—),女,讲师,在读博士,研究方向为嵌入式医学仪器、医学信号处理。
（收稿日期:2009-06）
