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臨床級、方便、高效,便攜式醫療設備進入尋常百姓家

作者:時間:2023-04-28來源:Mouser收藏

什么是年輕人眼中的幸福生活?根據中國青年報的問卷調查,健康平安排在第一要素,獲選率達到60.2%。而在應對老齡化社會挑戰時,相關政策都把身體健康放在首位。在這個大背景下,便攜式出現巨大的需求缺口。中國醫療器械行業協會在相關點評文章中指出,未來幾年中國便捷式的年復合增長率將大大提升,市場呈現明顯的藍海屬性。

本文引用地址:http://www.xhg04.com/article/202304/446095.htm

實際上不僅是國內市場,便攜式在全球范圍內都有巨大的商機。根據Data Bridge Market Research的分析報告,2022年全球便攜式醫療和保健設備市場規模為645.8億美元,預計到2030年將達到1,374.3億美元,2023年-2030年期間的年復合增長率為9.9%。

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圖1:全球便攜式醫療和保健設備市場規模

(圖源:Data Bridge Market Research)

讓便攜式醫療設備達到臨床級

從功能用途來看,便攜式醫療設備主要用于跟蹤急性、康復和慢性病例中的患者生理狀況,包括體溫、心電、心率、血氧、心肺音、睡眠等,然后從設備端或者App端實時獲取患者的健康數據。

從設備種類上看,當前便攜式醫療設備的可選項已經非常豐富。傳統臨床使用的血糖儀(BGM)、連續血糖監測儀(CGM)、血壓監測儀、脈搏血氧計、胰島素泵、心臟監測系統、癲癇管理系統等都已經實現了便攜式。此外疫情帶動的家用呼吸機、家用制氧機、可穿戴健康設備等也屬于這一范疇。

我們選取連續血糖監測儀(CGM)來進行具體的研究。下圖是TI給出的一份CGM的方案框圖,看起來器件非常多,實際上我們可以大致將其歸納為三個功能單元。

三個功能單元分別是:

●  信息采集單元

●  信息處理和傳輸單元

●  電池供電單元

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圖2:TI CGM框圖

(圖源:TI)

那么,如果我們將不同單元內的器件再歸類就可以得出:信息采集單元主要由傳感器和數模轉化器件組成;信息處理和傳輸單元主要由MCU、DSP、I/O、無線連接器件組成;電池供電單元則包括了各種電池和電源管理器件。因此,我們得到一張如下圖所示的便攜式醫療設備方框圖。

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圖3:便攜式醫療設備方框圖

(圖源:貿澤電子)

當前,便攜式醫療設備具備方便快捷、高精度、低功耗等顯著特點,后續主要的發展趨勢是更低功耗、小型化、更高信息安全性,以及達到臨床級的檢測精度。這些特點和趨勢對三大功能單元中的元器件都提出了很高的要求,并推動便攜式醫療設備和可穿戴設備的深度融合,進一步提升了設備的滲透率?,F在很多人配戴的智能手表便能夠提供醫療級的血氧檢測和準醫療級的血壓檢測等功能。

由于產品功能的特殊性,在所有特點和趨勢中,高精度始終都是醫療設備的首要設計考慮因素。對于便攜式醫療設備同樣如此,測量的質量和完整性直接影響到用戶對相關設備的評價以及未來的市場成長性。

在這里我們為大家推薦一款可用于打造臨床級便攜式醫療設備的模擬前端(AFE),來自制造商TI,貿澤電子網站上該器件的料號為AFE4960YBGT。

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圖4:AFE4960模擬前端

(圖源:貿澤電子)

AFE4960是一款具有集成式呼吸和起搏信號檢測功能的雙通道ECG模擬前端,可配置為2通道ECG接收器、1通道ECG接收器或呼吸阻抗通道。所有信號鏈輸出均由一個ADC轉換為定義明確的時隙,并在128采樣FIFO中存儲為24位字,可通過SPI或I2C接口讀出。

在ECG信號鏈方面,AFE4960模擬前端支持高達2.048kHz的單通道ECG采集和高達1.36kHz/通道的2通道ECG采集;在Bio-Z信號鏈方面,AFE4960模擬前端在30kHz至100kHz的激勵頻率范圍內測量生物阻抗,采用正弦波激勵或方波激勵。

除了高性能和高精度,如下圖所示,高集成也是AFE4960模擬前端一大顯著優勢。作為一套高集成度解決方案,該器件可以靈活連接多達4個電極,可用于實現3引線ECG系統,如果兩個并聯AFE同步運行則可用于實現5引線ECG。此外,該器件還提供SPITM、I2C接口等接口資源。

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圖5:AFE4960模擬前端方框圖

(圖源:TI)

出色的性能使得該器件可用于打造臨床級可穿戴設備,比如用于住院和門診監測的無線貼片、手持式ECG監護儀、便攜式多導聯ECG,以及IEC60601-2-47:2012/(R)2016和IEC60601-2-27:2011(R)2016兼容系統。此外,AFE4960模擬前端也可用于打造遠程醫療設備,使得患者可以居家監測自己的健康狀態。

無線讓便攜式醫療充滿想象

在我們給出的便攜式醫療設備方框圖里有提到,無線傳輸器件是其中的重要一環。

無線連接極大地豐富了便攜式醫療設備的應用場景。通過無線網絡,設備能夠和智能手機上的App互聯,方便用戶查詢指標以及解讀指標;通過無線網絡和大數據平臺互聯,設備也能夠接入到遠程醫療平臺,可以顯著提升醫生和患者的溝通效率,并擴大相關設備適用疾病的范圍。

不過,我們也有提到,便攜式醫療設備需要持續優化功耗以提升使用體驗,因此無線通信方案需要兼備低功耗和高性能。在此,我們為大家推薦CC2651R3 SimpleLink? 2.4GHz無線MCU,依然是來自制造商TI,大家可以在貿澤電子官網上搜索料號CC2651R31T0RKPR找到它。

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圖6:CC2651R3 SimpleLink? 2.4GHz無線MCU

(圖源:貿澤電子)

CC2651R3能夠很好地滿足我們上面提到的高性能和低功耗特性。在高性能方面,這顆無線MCU以功能強大的48MHz Arm Cortex-M4為主處理器,配合352KB閃存程序存儲器和32KB超低漏電流SRAM,接收靈敏度高達-104dBm(在低功耗藍牙為125kbps時),輸出功率高達+5dBm,并帶溫度補償。該器件可支持Zigbee、低功耗藍牙5.2、SimpleLink TI 15.4-stack以及其他專有2.4GHz協議。

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圖7:CC2651R3系統框圖

(圖源:TI)

在低功耗方面,CC2651R3經過了專門的優化,具有由Arm Cortex-M0驅動的軟件定義無線電,支持多個物理層和射頻標準。因此,其MCU在有源模式下的功耗僅為2.91mA,運行CoreMark時的功耗為61μA/MHz,并能夠在0.8μA待機模式下提供RTC和32KB RAM保留功能。在無線電功耗上,該器件的表現為7.1mA TX(0dBm時)和9.5mA TX(+5dBm時)。

正如系統框圖所展示的,CC2651R3還是一款高集成的器件,擁有豐富的系統外設,比如12位ADC、8位DAC、UART、SSI、I2C等。當然,還必須要提到的是,這款器件具有超長的生命周期,10至15年或者更久。

提升采集精度的溫度傳感器

傳感器是便攜式醫療設備進行精準信息采集的第一環節,不同功能的設備便需要不同的傳感器進行信息捕捉,比如呼吸機需要流量傳感器,血壓計需要壓力傳感器,額溫槍需要溫度傳感器,等等。

從便攜式醫療設備的發展趨勢來看,對傳感器主要提出了三大要求,分別是高精度、低功耗和小體積。TE的Measurement Specialties TSYS03數字溫度傳感器便是這樣一款器件,貿澤電子官網上該器件的料號為20011957-00。

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圖8:TSYS03數字溫度傳感器

(圖源:貿澤電子)

TSYS03是一款微型數字傳感器,提供出廠校準的高精度(±0.5℃,0℃至+60℃時)溫度數據,并支持根據要求調整高精度溫度范圍。雖然采用的是TDFN8(2.5mm x 2.5mm)和XDFN6(1.5mm X 1.5mm)這樣的小型封裝,但器件內部包含一個耐用的溫度傳感器元件、一個模數轉換器和一個微控制器,支持通過I2C接口管理數據通信。TSYS03擁有出色的低功耗特性,工作電流<5μA,待機電流<0.3μA。

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圖9:TSYS03精度特性

(圖源:TE)

除了可應用于醫療探頭和患者監護設備,TSYS03還可用于消費類產品和電器、工業控制和食品監視以及車輛電池監視等豐富場景。

便攜式醫療不可忽視數據安全

我們在上述內容中主要關注的是便攜式醫療設備的設計問題和使用體驗,因此圍繞高性能、低功耗、小體積和無線傳輸等方面展開了討論。

然而,我們也必須要意識到,隨著便攜式醫療設備從臨床進入尋常百姓家,以及設備和大數據深度融合,數據安全問題會是產業需要面對的嚴峻挑戰。在這方面,除了方案商從軟硬件方面做增強,也需要政策和法律法規的配套,以適應全新的產業形態。

國務院辦公廳在《關于進一步完善醫療衛生服務體系的意見》(發布于2023年3月)中指出,加快健康醫療數據安全體系建設,強化數據安全監測和預警,提高醫療衛生機構數據安全防護能力,加強對重要信息的保護。

在硬件層面,電子元器件能夠通過加解密、密鑰生成、憑據保護、硬件可信根等安全方案,為敏感數據提供隔離、安全的運行環境,并在便攜式醫療設備的信息處理、傳輸、存儲等環節提供全方位的保護。為了推動便攜式醫療設備行業高速、穩定、健康地向前發展,貿澤電子將和大家攜手一起把好數據安全關,并持續提出更全面的硬件防護方案。



關鍵詞: Mouser 醫療設備

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