半導(dǎo)體技術(shù)推動(dòng)下一代醫(yī)療設(shè)備變得更智能、更精確、連通性更好。什么半導(dǎo)體技術(shù)正為未來的醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)造條件呢?飛思卡爾半導(dǎo)體公司的 David Niewolny 討論了對(duì)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)影響最大的半導(dǎo)體技術(shù)演進(jìn)。
醫(yī)療保健行業(yè)正在進(jìn)行技術(shù)革命。全球人口老齡化加上不斷上升的醫(yī)療保健成本導(dǎo)致全世界的醫(yī)療保健基礎(chǔ)設(shè)施都處于緊張狀態(tài)。嬰兒潮那一代人現(xiàn)在已經(jīng)成為高齡人群，這加劇了老年人口的增長。要應(yīng)對(duì)這種急劇的人口結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，健康衛(wèi)生系統(tǒng)需要做出巨大改變。目前，這些變化包括只能通過先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)的新治療手段和早期診斷工具，而這些先進(jìn)的硬件和軟件技術(shù)長期以來由于醫(yī)療設(shè)備行業(yè)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)而沒有被使用。那么，什么技術(shù)正為未來的醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)造條件呢?
圖1：標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療設(shè)備架構(gòu)
圖1顯示了一個(gè)典型的醫(yī)療設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)硬件架構(gòu)。下面列出了推動(dòng)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)創(chuàng)新的芯片技術(shù)演進(jìn)。
· 模擬信號(hào)調(diào)節(jié)
· 低功耗嵌入式控制
· 無線連接
芯片供應(yīng)商提供這些戰(zhàn)略領(lǐng)域的重大技術(shù)進(jìn)步，這是醫(yī)療設(shè)備客戶優(yōu)化產(chǎn)品的必要條件。
醫(yī)療設(shè)備的重要而獨(dú)特的特征之一是能夠分析被有線或無線傳感器捕獲的非常微小的數(shù)據(jù)信號(hào)。運(yùn)算放大器、高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模擬比較器(ACMP)和電壓參考(VREF)等精密模擬組件不斷演進(jìn)和發(fā)展，為提高下一代醫(yī)療設(shè)備的精確度創(chuàng)造了條件。
運(yùn)算放大器用于放大和過濾信號(hào)，模擬比較器(ACMP)可以被配置為達(dá)到峰值時(shí)觸發(fā)一個(gè)中斷。下一階段需要精確定時(shí)的傳感器衰減輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。設(shè)備設(shè)計(jì)人員應(yīng)該尋找功能豐富、超低功耗、高于 16 位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。提供高達(dá) 24 位分辨率的 ADC 可用于要求非常精準(zhǔn)的測(cè)量。許多較新的 ADC 具有自動(dòng)比較和靈活的轉(zhuǎn)換時(shí)間設(shè)置，是這類分析的理想選擇。最后，數(shù)據(jù)被發(fā)送到CPU(8 位或 32 位)，用于分析數(shù)學(xué)部分。
雖然可以用模擬電路開啟或關(guān)閉芯片，但模擬功能的片上集成提供許多系統(tǒng)成本優(yōu)勢(shì)。最明顯的優(yōu)勢(shì)是，它減少了對(duì)外部 IC 的需求，從而節(jié)省了 BOM 和板卡空間。此外，片上模擬還具有低壓檢測(cè)和內(nèi)部帶隙參考電壓，從而進(jìn)一步降低了整體成本。
另一個(gè)方面就是降低功耗，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)在這個(gè)方面每前進(jìn)一步，都會(huì)對(duì)醫(yī)療保健行業(yè)產(chǎn)生重大影響。低功耗使原本被功耗束縛的設(shè)備變得可隨身攜帶，然后又將便攜式解決方案轉(zhuǎn)為無線傳感器。對(duì)于許多醫(yī)療設(shè)備來說，微控制器或微處理器是核心組件，即使不執(zhí)行全部應(yīng)用任務(wù)，也執(zhí)行大多數(shù)應(yīng)用任務(wù)。微控制器可能是降低設(shè)備功耗的主要貢獻(xiàn)者，因此，要實(shí)現(xiàn)電池壽命目標(biāo)必須利用微控制器的功能。無論是束之高閣還是在待機(jī)模式或是正在進(jìn)行測(cè)量，這些功能都會(huì)影響電池的使用壽命，從而決定了一個(gè)產(chǎn)品對(duì)最終客戶的價(jià)值。
半導(dǎo)體制造商正在采取措施，通過實(shí)施一些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)來降低醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行功率。首先是實(shí)施額外的運(yùn)行模式。每種低功率模式都根據(jù)特定的功能級(jí)別而量身定制，以獲得最佳性能/功耗比。對(duì)于某些設(shè)備，運(yùn)行模式支持 250 nA 的最低功耗，這使醫(yī)療應(yīng)用能以最高的能效連續(xù)運(yùn)行。運(yùn)行模式還能使許多 MCU 外設(shè)以低功率運(yùn)行模式工作，從而實(shí)現(xiàn)最佳的功能和功耗組合。
