政府和醫療機構正努力將醫療看護的決定權交到病患手裡。為了讓病患有更多時間待在家裡，而不是整天留在醫院或醫生的辦公室，醫界已開始使用攜帶方便並可遠距連線的醫療監控系統，包括血糖計到可攜式心電圖系統等所有的相關儀器。

《圖一　可攜式醫療監控系統》

可攜式醫療產品的發展重點在於使其更便於攜帶並具備遠程連線能力，並能迅速蒐集資料及確保資料品質。過去「可攜式」指有輪子，且能通過房門不被阻擋的設備。但今日這項概念已經改變，許多醫療裝置現在都能隨處移動，有些甚至能穿戴在身上。這當然會帶來許多如產品體積和內部電路設計的挑戰。

所有可攜式醫療監控裝置都是由下列5個基本建構要素組成 ，如圖二：

《圖二　可攜式醫療電子產品的主要功能方塊》 - BigPic:659x451

隨著系統不同，這些要素的效能顯然也有差異。

顯示器

可視性 (visibility) 是顯示裝置的重要效能之一，選擇正確的背光源解決方案可以增強這方面的效能，這對病患讀取畫面上的體溫值、心電圖或其它數據都有幫助。可攜式系統的電源是由電池提供，因此無論背光解決方案採用電感設計或是以電荷泵浦為基礎的較簡易架構，它們只要提供寬廣的輸入電壓範圍，就能為系統省下額外的穩壓電路。若要讓設計更有彈性，便須採用可支援不同電池升降壓的解決方案；當然，解決方案體積和總電源效率對系統都很重要，使用高整合與先進封裝的元件有助於提高系統效率和降低成本。

觸控螢幕控制不僅能簡化可攜式電子產品的使用，還能免除傳統的按鍵以大幅縮小產品體積。觸控螢幕控制可用來提供螢幕功能選單、輸入/輸出資料顯示微調，以及在螢幕上顯示更大和更容易使用的觸控按鍵。選擇觸控螢幕控制解決方案時，必須注意它的靜電承受能力。如果觸控螢幕控制電路無法消除靜電突波能量，這股能量就會通過電路而造成中央微控制器或DSP損壞。觸控螢幕控制的其它考量包括解析度與螢幕尺寸的關係、轉換方式與速度，以及總耗電量。

感測器界面與訊號鏈

無論讀取體溫、脈博、血糖或其它生物特徵的感測器，關鍵都在於使用適當的訊號鏈。儀錶放大器是訊號鏈的第一級電路，如圖二。例如INA326就是一款微功耗放大器，不僅輸入電壓偏移和溫度漂移很小，還提供高直流精確度和強大交流效能。在多數設計裡，電路必須從數毫伏的雜訊中取出強度僅數微伏的訊號。由於目標訊號具有交流特性，這類電路需要一個能與高通濾波機制配合的放大器。它們還能使用自動歸零或自動校準功能，進一步簡化系統補償要求。

第二級電路通常是低耗電運算放大器，例如具有高頻寬、Rail-to-Rail輸入和輸出、以及優異精準度的OPA376放大器。零交越 (zero-crossover) 之類的功能可以確保整個輸入共模範圍的訊號偏移為線性，這樣微控制器就不用執行其它演算法來修正訊號位移或偏移。

訊號鏈的第三級電路是由效能良好的Δ-Σ或SAR類比數位轉換器 (ADC) 構成，它們可以提供單週期濾波穩定和根據命令進行轉換 (convert-on-command) 等功能，以便簡化類比數位轉換器周圍電路設計，同時提高轉換速度和支援更大的來源端阻抗。多通道系統還能透過全域同步功能 (global synchronization) 協調各個通道的訊號擷取作業，這樣就能在同樣的時脈週期內比較多組訊號源。

透過適當的設計和零件選擇，設計人員可將乾淨、精確和真正有意義的訊號送到系統微控制器或DSP。

微控制器/DSP

醫療監控裝置會產生大量的原始資料，至於資料儲存和變動趨勢分析、變化記錄、訊息回授、大型系統連結以及診斷演算法的執行，通常都是由系統控制器負責。

在系統處理需求和功耗限制間取得平衡對產品的成敗影響很大。設計人員既要DSP的資料處理能力，又須滿足MSP430之類低耗電微控制器的功耗預算限制，這兩者的設計目標卻彼此衝突。儘管如此，設計人員只要採用較新的DSP技術和電源供應架構，同時運用所提供的數種不同功耗和待機模式，就能以低成本發展出高效能系統；當然，這也表示系統必須利用部份處理頻寬來管理功耗。當MSP430這類控制器於待機、休眠和喚醒過程負責系統管理的同時，DSP協助驅動整個系統，提供兼顧兩邊需求的最佳環境。當DSP只在執行處理作業時才進入正常操作模式，系統平均功耗就能維持在很低的狀態，只有當DSP正常操作時才會產生較多耗電量。設計人員還能使用較大的電容或其它儲能裝置以滿足DSP峰值功率需求，使系統斷電時間最少，運行時間最長。利用MSP430FG461x等最新微控制器的效能及整合度，廠商已能發展出具有即時處理能力和超低耗電的先進應用。

電池與電源管理

較簡易的系統可以使用普通電池，因為它們的電力需求較少，不需花太多成本更換電池。較大型系統則能使用不同類型和體積的充電電池。一些如動態電源路徑管理等的功能可以讓系統從不同的電池充電路徑取得電力，這表示電池用盡的裝置只要接上電源就能立即使用，不需等待充電完成。這項特性對醫療系統很重要，因為它們必須能配合突發狀況使用。另一項重要功能是追蹤電池的真正阻抗，而不僅止於簡單地測量電壓或計算電荷數目。由於電池電壓並非線性下降，因此追蹤電壓並不能得到真正的電池壽命讀數，這種誤差在放電週期時間達到60%-70%時特別嚴重。計算電荷法的缺點是它無法將電池老化列入考慮，也無從判斷電池使用一段時間後的新容量；它只能假設，而非確實知道電池狀態。阻抗追蹤技術則能讓系統精確計算剩餘使用時間，而且整個電池壽命期間的誤差都不會超過1%，這能讓系統使用電池的所有可用電力，進而提供更長運行時間。

醫療電子裝置必須盡可能確保系統運作正常，這使電池驗證成為一項重要功能，因為這項功能能檢查加密後的裝置編號，確保系統所用的電池符合原廠要求。使用不合格的電池可能影響系統運行時間，甚至造成火災。

工程師在設計初期就應確定電源需求，這能協助他們做出適當的系統層級取捨，滿足應用產品對攜帶方便性和即時處理效能的要求。

資料界面

醫療電子產品的資料界面已從RS232線路升級到有線和無線乙太網路連線，以及近距和遠距無線連結。醫院可以利用這些新界面連接院內和病患家裡的所有設備。

病患只要隨身帶著無線感測器模組，那麼當他從醫院回家後，無線感測器就會連結到家庭保全系統所連接的一台監視器，並與遠端的醫生連線。整個系統會連接到乙太網路或醫療服務中心，讓醫院隨時都能接收和監控病患狀態，而不會影響他們的居家隱私。這類應用可使用藍芽之類的無線界面，或是德州儀器Chipcon產品線的Zigbee和其它超低耗電無線解決方案，它們會透過SmartRF技術把家裡和業界的相關設備連接在一起。除了耗電量外，資料速率和連線距離也是選擇無線界面時的重要考量。雖然2.4GHz解決方案可於全世界使用，同時提供高資料速率、高負載週期和多通道能力，低頻訊號卻能提供更遠的傳輸距離。當病患需利用多組通道進行全身監控時，多半已無法離開家裡或只能躺在床上。此時系統就不需傳輸訊號太遠，而是要提供最高資料速率；如果系統只需監控少數幾個感測器，那麼傳輸距離或許就比資料速率重要。無論如何，最後選擇的解決方案都必須符合整個系統的功率預算要求。

結語

未來會出現許多新技術，例如人們只要站在家用全身掃描儀的前面，就能透過液晶螢幕讓醫生看病。這些虛擬醫生可能在世界任何地方，病患則在家裡、辦公室或渡假地點。其實可攜式醫療裝置和監控系統現已能在病患需要的時間和地點提供醫療支援。要讓醫療產品製造商發展這些創新產品，就要為這些電子裝置提供適當的基礎設施和半導體元件。半導體廠商想要獲致最大成果，就必須考慮可攜式醫療產品的功能與需求、為它們制定效能規格、並瞭解這類產品的空間和功率預算限制。這能協助醫療產品製造商減少設計修改，並且從一開始就製作出最佳的設計。

＜作者為德州儀器終端產品市場工程師＞