Customer-Specific Circuits Open the Door to New Fitness and Wellness Systems

摘要

　　医学诊断与患者监控曾经只是医院与自行开业医师之业务. 不过, 创新的集成电路设计,特殊应用的客制化半导体制程, 以及先进的制程科技已经让了许多医疗设备进入了在家进行医疗诊断的领域. 这些程序降低了医院成本, 也为远程监控病人开启了新方向.

　　电子零件之共享为主要降低成本之幕后功臣, 人们过去必须求助于个别独立的标准产品,近日,仪器设备可以导入ASIC 或是system-on-a-chip(SoC)的解决方案. 成功的ASIC 发展为新的健康产品之关键. 因为这是决定可能整合整个系统以及导因于新产品降低之主因.

介绍

　　医学诊断与患者监控曾经只是医院与自行开业医师之业务. 不过, 创新的集成电路设计,特殊应用的客制化半导体制程, 以及先进的制程科技已经让了许多医疗设备进入了在家进行医疗诊断的领域. 这些程序降低了医院成本, 也为远程监控病人开启了新方向.


Figure 1. This figure shows an approach of modern system architectures using the example of a signal conditioning system for medical applications.

The System-on-a-Chip Solution

　　医疗仪器之生产及制造成本的降低使得这个(远程患者监控)方式变为可能.共享电子零件是成本降低之主因. 人们过去必须求助于个别独立的标准产品,近日仪器设备可以导入ASIC 或是System-on-a-chip(SoC)的解决方案.

　　全面性地了解系统是ASIC(专门应用IC)发展的开端, 因为它决定了整合之可能性以及整个系统其它组件之交互影响. 对于压力传感器与温度传感器以及电流分析型传感器(amperometric) or 电位型传感器(potentiometric)来说更为贴切, 举例来说, 几乎所有的传感器都会有一些共通的要素. 他们都有小震幅的输出讯号以及非线性的传输功能. 在许多情况下甚至是与温度相依相关的.

　　系统之导入缘起于感应器的使用, 举例来说 最先进的科技电路可容许小至 150nV LSB之分辨率. 输入震幅产生后,再由极低噪音且高精确度之可编程序的增益扩大电路来处理( PGAs, Programmable Gain Amplifiers). 一般来说, 下游经由分辨率达 18 bits 的AD 变频器把这些放大讯号转变成数字的数值. 这些数字化的输入讯号然后被系统的主要零件(一个整合的微处理器或者是数字讯号处理器)处理. 此计算机装置包含了使用多项式N次序的特征曲线校正算法. 任何与温度相依的特征曲线也可被校正成为线性的一部分. 芯片上之温度传感器或外加于传感器的温度元素可提供此传感器的温度. 此多项式的相关系数取决于传感器的校正循环并且长久的储存于整合在IC 里面的 EEPROM. 系统依赖数字接口如 I²C, SPI, 以及 ZACwire™, 另外还有模拟接口(absolute, ratiometric, 以及 pulse width modulation (PWM)) 建构完成一个完整的系统并且提供校正过的传感数值给其后的单元


Figure 2. Picture: System-on-a-chip solution

精确度 VS 整合密度

　　要达成一个经济省钱的解决方案,只有尽可能地去极大化功能整合密度. 从模拟输入阶段到最先进的处理器选择 有LCD 驱动程序功能以及客制输出阶段, 强大的智能财产权(IP) 组合是必须的.

　　在整个系统来说其挑战在于医学应用其高敏感度的模拟输入阶段. 其它数字单位的线路整合发射切换脉冲或频率脉冲时,会干扰模拟输入阶段的敏感度

　　解决这个整合的困难的方法之一为使用电力管理架构(a power-management architecture). 这些整合的智能型电力控制器控管所有内部单位以及制程,比如说开关系统里的功能性模块, 产生IC里面功能性单元的智能频率. 这可使其它讯号被压缩而不致干扰高精度的AD 转换. 这可以是外部 BUS 沟通或转换,并且在此电路的其它功能性区块执行逆转程序.

医疗科技必须是低耗电

　　除此他们的压缩干扰功能, 这些整合的智能动力控制器提供了另外一个重要的优势. 智能型动力管理使其可以明智地关掉一些功能区块.如果可以快速启动这些区块则是必须的, 那么电源的关闭是敏感的. 另外一个方式为聪明的降低周期以及电压. 复杂的系统架构,ZMD公司有能力达到平均启动动力消耗小于10µA. 医学应用方面, 这些低耗电的益处是用于长时间供应电池组件之必需元素. 尤其是病人随身携带的组件, 低耗电的元素成为高功能整合于IC之必需条件. 举例来说这些包含助听器, Holter ECG 系统(心电图系统),胰岛素帮浦之电路设计等.

医疗科技必须是低电压

　　看待低电压的需求必须与低耗电相同. 目标是使现代随身携带的医学应用轻巧. 总重量通常是决定电供应的主要因素. “单一电池”是一个引起关注的字眼, 目标是仅用单颗电池操作此组件并且尽可能地耐久. 工作电压在 1V 以下是的需求在这个领域是很正常的. 最近最先进的电力管理科技可使用充电帮浦用0.8V的电力操作整个系统. 0.8V的输入电压, 系统由电压0.8V的输入电压操作整个医疗组件的 ASIC所设计, 包含了周边的传感器.

通往成功之钥

　　有了 ASIC 之解决方案之后, 医学应用的市场大量成长. 眼观健康设备及家用医疗设备有着令人惊讶的成长. 很明显的 ASIC 的设计已经成了趋势, 不仅可以帮助制造者设计更有效率的产品, 并且大量生产又可以降低价格帮助市场之开拓.