【導讀】三(san)年(nian)來(lai)對(dui)抗(kang)新(xin)冠(guan)病(bing)毒(du)的(de)經(jing)曆(li)

，讓(rang)人(ren)們(men)充(chong)分(fen)認(ren)識(shi)到(dao)自(zi)身(shen)健(jian)康(kang)管(guan)理(li)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)，並(bing)由(you)此(ci)帶(dai)動(dong)了(le)便(bian)攜(xie)式(shi)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)在(zai)家(jia)庭(ting)環(huan)境(jing)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)。因(yin)為(wei)能(neng)遠(yuan)程(cheng)監(jian)測(ce)
、非fei侵qin入ru式shi
，甚shen至zhi是shi可ke穿chuan戴dai的de便bian攜xie式shi醫yi療liao設she備bei，可ke隨sui時shi為wei人ren們men提ti供gong基ji礎chu的de生sheng命ming體ti征zheng監jian測ce數shu據ju，有you效xiao減jian少shao人ren們men對dui身shen體ti健jian康kang的de焦jiao慮lv以yi及ji前qian往wang醫yi院yuan的de就jiu診zhen次ci數shu。

綜zong合he來lai看kan，便bian攜xie式shi醫yi療liao設she備bei的de采cai用yong率lv大da幅fu上shang升sheng主zhu要yao源yuan於yu兩liang大da因yin素su。首shou先xian是shi新xin技ji術shu的de加jia持chi


，通tong過guo在zai設she備bei中zhong引yin入ru的de新xin技ji術shu顯xian著zhu提ti高gao了le其qi實shi用yong性xing、準確性以及易訪問性。其次，根據聯合國經濟和社會事務部發布的《2022年世界人口展望》報告
，2022年全球將有7.71億人年滿65歲，到2030年全球將有9.94億老年人
，到2050年這一數字將達到16億，隨著全球老年人口數量的快速增長，對健康狀況監測的需求也成為了推動便攜式醫療設備市場增長的另一重要因素。

在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，便(bian)攜(xie)式(shi)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)的(de)作(zuo)用(yong)不(bu)僅(jin)僅(jin)是(shi)測(ce)試(shi)和(he)監(jian)測(ce)一(yi)些(xie)生(sheng)理(li)參(can)數(shu)，有(you)些(xie)設(she)備(bei)現(xian)在(zai)還(hai)被(bei)賦(fu)予(yu)記(ji)錄(lu)和(he)數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)功(gong)能(neng)。比(bi)如(ru)
，電(dian)子(zi)血(xue)壓(ya)計(ji)，在(zai)簡(jian)單(dan)而(er)快(kuai)速(su)地(di)完(wan)成(cheng)測(ce)量(liang)後(hou)，它(ta)不(bu)僅(jin)將(jiang)當(dang)前(qian)測(ce)量(liang)結(jie)果(guo)直(zhi)觀(guan)地(di)呈(cheng)現(xian)給(gei)被(bei)測(ce)人(ren)員(yuan)

，同(tong)時(shi)還(hai)能(neng)將(jiang)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)存(cun)儲(chu)備(bei)用(yong)，以(yi)達(da)到(dao)長(chang)期(qi)追(zhui)蹤(zong)血(xue)壓(ya)變(bian)化(hua)的(de)目(mu)的(de)。現(xian)在(zai)的(de)胰(yi)島(dao)素(su)計(ji)大(da)多(duo)配(pei)備(bei)有(you)通(tong)信(xin)端(duan)口(kou)（IR/無線）

，可將實時測量的數據傳輸到PC或胰島素泵，為實施長期的治療提供輔助作用。

可以看到，基於應用場景的考慮
，便攜式醫療設備大多是電池供電、尺寸小、易於操作的手持設備，無論多麼小巧的便攜式醫療設備也是一個“五髒俱全”的精密電子產品。因此
，工程師在設計這類產品時並不會感到輕鬆，這裏麵有很多設計技巧。

便攜式醫療設備市場分析

在過去幾年中，便攜式醫療設備（PMD）的使用日益廣泛，多種因素的組合
，包括技術進步、降低公共衛生成本的壓力以及讓更廣泛的患者群體能夠獲得衛生解決方案的願望，都在推動PMD市場的增長。

Research And Markets的研究發現，2022年全球便攜式醫療設備市場的收入將達到573億美元。在2022年至2027年的預測期內，市場將以9.2%的穩健複合年增長率成長。到2027年，便攜式醫療設備市場的總市值將達到969.3億美元。按產品類型劃分

，到2027年

，用於診斷和監測目的的產品對市場的貢獻率接近44%
，預計將主導整個便攜式醫療設備市場。2022年至2027年，亞太地區便攜式醫療設備市場的複合年增長率將達到10.4%。

圖1：全球便攜式醫療和保健設備市場預計到2030年將達到1,374.3億美元（圖源：Data Bridge Market Research）

Data Bridge Market Research的分析表明
，2022年便攜式醫療和保健設備市場為645.8億美元，預計到2030年將達到1,374.3億美元，2023年至2030年期間，複合年增長率為9.9%。其qi中zhong，可ke穿chuan戴dai設she備bei和he其qi他ta便bian攜xie式shi技ji術shu的de日ri益yi普pu及ji是shi推tui動dong市shi場chang增zeng長chang的de關guan鍵jian因yin素su之zhi一yi，將jiang這zhe些xie設she備bei用yong於yu遠yuan程cheng監jian測ce患huan者zhe的de健jian康kang狀zhuang況kuang還hai能neng有you效xiao降jiang低di醫yi療liao成cheng本ben。

便攜式醫療設備設計挑戰與解決方案

便(bian)攜(xie)式(shi)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)當(dang)前(qian)麵(mian)臨(lin)的(de)挑(tiao)戰(zhan)是(shi)
，它(ta)不(bu)僅(jin)要(yao)具(ju)備(bei)遠(yuan)程(cheng)連(lian)接(jie)功(gong)能(neng)，同(tong)時(shi)還(hai)需(xu)要(yao)保(bao)持(chi)所(suo)有(you)采(cai)集(ji)數(shu)據(ju)的(de)質(zhi)量(liang)和(he)響(xiang)應(ying)能(neng)力(li)，當(dang)然(ran)
，便(bian)攜(xie)性(xing)也(ye)要(yao)做(zuo)重(zhong)點(dian)考(kao)慮(lv)。之(zhi)所(suo)以(yi)有(you)“便攜式”醫療設備這一說法，主要相對醫院使用的大型醫療設備而言

，醫院的設備大多是輪式的
，搬動起來比較困難。今天的“便攜式”醫療設備不僅方便運輸，甚至很多還是“可穿戴”的。這些變化給設計師的設計工作帶來了諸多挑戰。

如果我們對便攜式醫療設備進行“解剖”就會發現，有幾個功能塊是大多數便攜式家用和消費型醫療設備通用的
，即：生物傳感器、傳感器輸入的放大和模數轉換、電池和電源管理、低功耗微控製器或數字信號處理器（DSP）
、用戶界麵或顯示
、人機界麵（HMI）以及數據接口（無線和有線）。

圖2：便攜式醫療設備主要係統構成框圖

（圖源：網絡）

微控製器(MCU)/DSP

便攜式醫療設備可生成大量原始數據，保存和處理數據

、識別變化、提供反饋


、zhichiyudaxingxitongdelianjieyijizhixingzhenduansuanfadenenglitongchangshixitongweikongzhiqidezhongyaogongneng。raner
，chaodigonghaohegaoxingnengwangwangshixianghumaodunde，zaiciguochengzhong，yipinghengdefangshikaolvxitongchuliyaoqiuhegonghaoyueshushifeichangzhongyaode。

如英飛淩PSoC 62係列是Arm Cortex-M4和Arm Cortex-M0+CPU的組合體，該產品基於超低功耗40nm平台
，具有低功耗閃存技術
、可編程數字和模擬資源以及一流的CAPSENSE用於觸摸和接近應用的技術。PSoC 62具有高達2MB的閃存，使醫療/保健設備能夠在一個低功耗平台上實現多種功能，包括健康診斷的傳感器融合、圖形顯示和直觀的用戶界麵等。在安全性方麵，內置了硬件加密加速器、內存和外圍保護單元。是一款專為可穿戴設備、便攜式醫療設備、智能家居等應用而設計的低功耗微控製器。

圖3：PSoC 62係列係統框圖

（圖源：英飛淩）

從架構來看，Analog Devices的MAX32690微控製器是一個帶FPU微控製器和BLE 5的片上係統（SoC），具有Arm Cortex-M4F CPU
、大型閃存和SRAM存儲器以及新一代Bluetooth 5.2。該設備將處理能力與可穿戴設備應用所需的連接性結合起來。RISC-V內核可處理時序關鍵控製器任務
，使程序員無需擔心藍牙中斷延遲。加密工具箱（CTB）提供高級安全功能，包括用於快速橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）的MAA
、高級加密標準（AES）引擎、TRNG、SHA-256哈希和安全引導加載程序。內部代碼和SRAM空間可以通過兩個四位SPI就地執行（SPIXF和SPIXR）接口擴展到片外，每個接口最多512MB。

圖4：MAX32690微控製器係統簡化框圖

（圖源：Analog Devices）

便攜式醫療設備的關鍵設計考慮是低功耗
，這是出於需要延長電池壽命的考量。其他要求還包括更快的上市時間、低成本
、可靠性
、小尺寸以及更高的集成度。Microchip公司的SmartFusion FPGA將便攜式醫療設備設計人員所需的所有功能結合到一個芯片中
，創造了一個真正的可編程SoC解決方案，比傳統的固定功能微控製器具有更大的靈活性。

SmartFusion設備的核心是嵌入式ARM Cortex-M3處理器內核。通過其硬件乘法器和除法器
，這款32位RISC處理器提供了高性能：約125 Dhrystone MIPS。便攜式醫療設計必須與各種生物傳感器直接連接
，SmartFusion FPGA的可編程模擬部分或模擬前端（AFE）包含所需的元件，如模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC）。

每個SmartFusion FPGA最多包含三個12位逐次逼近寄存器（SAR）ADC，能夠在12位模式下以500Ksps（10位模式下550ksps，8位模式下600ksps）運行。為了處理另一個方向的信號，每個設備都配備了一個一階∑-ΔDAC，以500Ksps的速度提供有效的12位分辨率。除了MCU
、FPGA和可配置模擬之外，SmartFusion FPGA還集成了大量閃存和SRAM存儲器以及全麵的時鍾生成和管理電路。處理器及其外圍設備通過多層高性能總線（AHB）矩陣（ABM）互連。ABM還為處理器及其外圍設備提供了與FPGA結構和嵌入式模擬功能通信的路徑。

圖5：SmartFusion FPGA係統框圖

（圖源：Mouser）

電池和電源管理

duibianxieshiyiliaoshebeieryan，jiandandexitongyingonghaofeichangdikeyishiyongyicixingdianchi
，jiaodadexitongzexushiyonggezhongbutongchicundekechongdiandianchihedianchizu。dangxuyaoshiyongyiliaoxitongshi，bingbuzongshiyoushijiandengdaichongdian。dongtaidianyuanlujingguanliheqitagongnengkeyizaixiangxitonggongdiandetongshidulidiweidianchichongdian

，erwuxuzaiyunxingqiandengdaidianchichongdian。bianxieshiyiliaoshebeideshiyongshoumingkenengcongshutian
、數月，甚至到數年不等，因此，電源優化設計頗具挑戰性。

MAX14663是帶電纜檢測的便攜式醫療設備電源管理解決方案，集成了一個高效的單電池鋰離子開關充電器
，適用於空間有限的便攜式應用（比如便攜式血糖儀）。MAX14663嵌入了專利ModelGauge，能準確估計可充電鋰離子電池的可用容量。此外，還集成了升壓轉換器和LED電流吸收器，用於為OLED顯示器或LED背光供電。內部電纜檢測電路使MAX14663能夠識別是否存在未通電/未連接的USB電纜。便攜式係統可以使用該信息來智能地選擇其操作模式，從而提升精度並降低測量誤差。MAX14663還hai包bao括kuo一yi種zhong超chao低di功gong耗hao密mi封feng模mo式shi，可ke顯xian著zhu降jiang低di待dai機ji電dian流liu，並bing在zai長chang時shi間jian儲chu存cun期qi間jian保bao持chi電dian池chi電dian量liang。該gai模mo式shi延yan長chang了le電dian池chi的de保bao質zhi期qi，並bing通tong過guo立li即ji開kai箱xiang使shi用yong改gai善shan了le客ke戶hu體ti驗yan。

圖6：MAX14663典型應用功能框圖

（圖源：Analog Devices）

數據接口

現在，便攜式醫療電子設備的數據接口已經從有線RS232接口轉變為有線和無線以太網連接
、短距離和長距離無線連接。新的接口可以實現建築物中所有設備的聯網
，包括患者家中的設備。

Silicon Labs為便攜式醫療設備提供了多種緊湊型無線解決方案，例如尺寸為4x4 x 0.3 mm的EFR32BG22藍牙低功耗（BLE）SoC。BG22是無線Gecko係列平台的一部分，擁有優秀的超低傳輸和接收功率和高性能。其中的BGM220S是RF認證的低功耗藍牙模塊
，配有天線
，尺寸為6 x 6 mm。出色的RF技術與低功耗Arm Cortex-M33內核的組合提供了出色的能源效率，可使鈕扣電池壽命延長到多達十年。此外，緊湊型模塊和SoC可以靈活地設計更小、更吸引人的設備
，為內存和電池留出更大的空間。該SoC的目標應用包括藍牙網狀網絡低功耗節點
、便攜式醫療保健和健身設備、智能門鎖等。

圖7：EFR32BG22係統框圖

（圖源：Silicon Labs）

顯示技術

作為一名設計工程師，顯示器選擇是高度優先的，顯示模塊通常代表BOM表上第一、第di二er或huo第di三san個ge昂ang貴gui的de項xiang目mu。便bian攜xie式shi醫yi療liao設she備bei中zhong的de顯xian示shi器qi選xuan擇ze也ye必bi須xu遵zun循xun低di功gong耗hao睡shui眠mian模mo式shi，大da多duo數shu顯xian示shi器qi驅qu動dong器qi都dou會hui具ju有you超chao低di功gong耗hao模mo式shi
，並bing且qie能neng夠gou通tong過guo使shi用yongPWM背光控製來降低亮度，或者在OLED技術的情況下，隻需使用正確的命令或寄存器設置。

觸摸屏控製（TSC）是實現便攜式醫療設備便利性的關鍵因素，它取代了傳統的鍵盤，大大減小了設備的整體尺寸。TSC實現了菜單驅動的功能選擇

、輸入輸出數據顯示的微調和放大，顯著增強了設備的易用性。所選解決方案的靜電（ESD）處理能力是實施TSC時需要考慮的重要因素。

傳感器接口和信號鏈技術

正確的信號鏈對於溫度、脈搏、血糖讀數和其他生物傳感器非常重要。在大多數應用中，設計者試圖在毫伏噪聲中找到微伏級信號。由於目標信號的AC特性
，需要有一個與高通濾波方案配合良好的放大器

，以及性能優異的模數轉換器。現在，市場上一些集成度較高的MCU產品早已將這些功能吸收到產品中，構成了功能強大的SoC解決方案，比如前麵介紹的Microchip公司的SmartFusion FPGA。

結語

便攜式醫療設備的特點在於其低功耗
、可(ke)靠(kao)性(xing)和(he)經(jing)濟(ji)高(gao)效(xiao)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)技(ji)術(shu)。它(ta)們(men)有(you)助(zhu)於(yu)早(zao)期(qi)發(fa)現(xian)各(ge)種(zhong)疾(ji)病(bing)，包(bao)括(kuo)糖(tang)尿(niao)病(bing)和(he)心(xin)血(xue)管(guan)疾(ji)病(bing)
，這(zhe)些(xie)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)的(de)使(shi)用(yong)減(jian)少(shao)了(le)用(yong)戶(hu)的(de)就(jiu)診(zhen)次(ci)數(shu)。將(jiang)便(bian)攜(xie)式(shi)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)用(yong)於(yu)醫(yi)療(liao)保(bao)健(jian)行(xing)業(ye)，可(ke)以(yi)簡(jian)化(hua)和(he)改(gai)善(shan)患(huan)者(zhe)的(de)護(hu)理(li)過(guo)程(cheng)，它(ta)們(men)將(jiang)來(lai)自(zi)醫(yi)院(yuan)或(huo)醫(yi)生(sheng)辦(ban)公(gong)室(shi)的(de)護(hu)理(li)帶(dai)到(dao)用(yong)戶(hu)家(jia)中(zhong)，為(wei)患(huan)者(zhe)提(ti)供(gong)更(geng)多(duo)的(de)便(bian)利(li)。

如ru今jin，便bian攜xie式shi醫yi療liao設she備bei在zai全quan球qiu監jian測ce和he管guan理li醫yi療liao狀zhuang況kuang方fang麵mian發fa揮hui著zhe至zhi關guan重zhong要yao的de作zuo用yong。越yue來lai越yue多duo的de設she備bei通tong過guo新xin技ji術shu的de助zhu力li，比bi如ru集ji成cheng新xin的de無wu線xian通tong信xin技ji術shu，從cong而er產chan生sheng更geng智zhi能neng、直觀、lianwangdeshebeishenzhishikechuandaishebei。erzhexieshebeizhengzaiguangfandicanyudaoduirenmenjiankangdejiancehezhuizongguocheng，youdeshenzhihaichengweifuzhudezhenduangongju。jiyuzhexiebianhua
，bianxieshiyiliaoshebeidexitongshejiyeyaojingenshichangqushi，zaigonghao、係統性能
、連接性、成本以及尺寸上都要有充分的考量，設計人員的工作任重而道遠。

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