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臨床級、方便、高效,便攜式醫(yī)療設(shè)備進入尋常百姓家

貿(mào)澤電子 ? 來源:貿(mào)澤電子 ? 2023-04-28 14:22 ? 次閱讀
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╱便攜式醫(yī)療╱

什么是年輕人眼中的幸福生活?根據(jù)中國青年報的問卷調(diào)查,健康平安排在第一要素,獲選率達到60.2%。而在應(yīng)對老齡化社會挑戰(zhàn)時,相關(guān)政策都把身體健康放在首位。在這個大背景下,便攜式醫(yī)療設(shè)備出現(xiàn)巨大的需求缺口。中國醫(yī)療器械行業(yè)協(xié)會在相關(guān)點評文章中指出,未來幾年中國便捷式醫(yī)療設(shè)備的年復(fù)合增長率將大大提升,市場呈現(xiàn)明顯的藍海屬性。

實際上不僅是國內(nèi)市場,便攜式醫(yī)療設(shè)備在全球范圍內(nèi)都有巨大的商機。根據(jù)Data Bridge Market Research的分析報告,2022年全球便攜式醫(yī)療和保健設(shè)備市場規(guī)模為645.8億美元,預(yù)計到2030年將達到1,374.3億美元,2023年-2030年期間的年復(fù)合增長率為9.9%。

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圖1:全球便攜式醫(yī)療和保健設(shè)備市場規(guī)模

(圖源:Data Bridge Market Research)

讓便攜式醫(yī)療設(shè)備達到臨床級

從功能用途來看,便攜式醫(yī)療設(shè)備主要用于跟蹤急性、康復(fù)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(shè)備端或者App端實時獲取患者的健康數(shù)據(jù)。

從設(shè)備種類上看,當(dāng)前便攜式醫(yī)療設(shè)備的可選項已經(jīng)非常豐富。傳統(tǒng)臨床使用的血糖儀(BGM)、連續(xù)血糖監(jiān)測儀(CGM)、血壓監(jiān)測儀、脈搏血氧計、胰島素泵、心臟監(jiān)測系統(tǒng)、癲癇管理系統(tǒng)等都已經(jīng)實現(xiàn)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(shè)備等也屬于這一范疇。

我們選取連續(xù)血糖監(jiān)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(nèi)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(shù)模轉(zhuǎn)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(yī)療設(shè)備方框圖。

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圖3:便攜式醫(yī)療設(shè)備方框圖

(圖源:貿(mào)澤電子

當(dāng)前,便攜式醫(yī)療設(shè)備具備方便快捷、高精度、低功耗等顯著特點,后續(xù)主要的發(fā)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(yī)療設(shè)備和可穿戴設(shè)備的深度融合,進一步提升了設(shè)備的滲透率。現(xiàn)在很多人配戴的智能手表便能夠提供醫(yī)療級的血氧檢測和準醫(yī)療級的血壓檢測等功能。

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

在這里我們?yōu)榇蠹彝扑]一款可用于打造臨床級便攜式醫(yī)療設(shè)備的模擬前端(AFE),來自制造商TI,貿(mào)澤電子網(wǎng)站上該器件的料號為AFE4960YBGT。

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圖4:AFE4960模擬前端

(圖源:貿(mào)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(zhuǎn)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(nèi)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(yōu)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(xiàn)3引線ECG系統(tǒng),如果兩個并聯(lián)AFE同步運行則可用于實現(xiàn)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(shè)備,比如用于住院和門診監(jiān)測的無線貼片、手持式ECG監(jiān)護儀、便攜式多導(dǎo)聯(lián)ECG,以及IEC60601-2-47:2012/(R)2016和IEC60601-2-27:2011(R)2016兼容系統(tǒng)。此外,AFE4960模擬前端也可用于打造遠程醫(yī)療設(shè)備,使得患者可以居家監(jiān)測自己的健康狀態(tài)。

無線讓便攜式醫(yī)療充滿想象

在我們給出的便攜式醫(yī)療設(shè)備方框圖里有提到,無線傳輸器件是其中的重要一環(huán)。

無線連接極大地豐富了便攜式醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用場景。通過無線網(wǎng)絡(luò),設(shè)備能夠和智能手機上的App互聯(lián),方便用戶查詢指標以及解讀指標;通過無線網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)平臺互聯(lián),設(shè)備也能夠接入到遠程醫(yī)療平臺,可以顯著提升醫(yī)生和患者的溝通效率,并擴大相關(guān)設(shè)備適用疾病的范圍。

不過,我們也有提到,便攜式醫(yī)療設(shè)備需要持續(xù)優(yōu)化功耗以提升使用體驗,因此無線通信方案需要兼?zhèn)涞凸暮透咝阅堋T诖?,我們?yōu)榇蠹彝扑]CC2651R3 SimpleLink 2.4GHz無線MCU,依然是來自制造商TI,大家可以在貿(mào)澤電子官網(wǎng)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(mào)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(xié)議。

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圖7:CC2651R3系統(tǒng)框圖

(圖源:TI)

在低功耗方面,CC2651R3經(jīng)過了專門的優(yōu)化,具有由Arm Cortex-M0驅(qū)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(xiàn)為7.1mA TX(0dBm時)和9.5mA TX(+5dBm時)。

正如系統(tǒng)框圖所展示的,CC2651R3還是一款高集成的器件,擁有豐富的系統(tǒng)外設(shè),比如12位ADC、8位DAC、UART、SSI、I2C等。當(dāng)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(yī)療設(shè)備進行精準信息采集的第一環(huán)節(jié),不同功能的設(shè)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(yī)療設(shè)備的發(fā)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(shù)字溫度傳感器便是這樣一款器件,貿(mào)澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為20011957-00。

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圖8:TSYS03數(shù)字溫度傳感器

(圖源:貿(mào)澤電子)

TSYS03是一款微型數(shù)字傳感器,提供出廠校準的高精度(±0.5℃,0℃至+60℃時)溫度數(shù)據(jù),并支持根據(jù)要求調(diào)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(nèi)部包含一個耐用的溫度傳感器元件、一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個微控制器,支持通過I2C接口管理數(shù)據(jù)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(yīng)用于醫(yī)療探頭和患者監(jiān)護設(shè)備,TSYS03還可用于消費類產(chǎn)品和電器、工業(yè)控制和食品監(jiān)視以及車輛電池監(jiān)視等豐富場景。

便攜式醫(yī)療不可忽視數(shù)據(jù)安全

我們在上述內(nèi)容中主要關(guān)注的是便攜式醫(yī)療設(shè)備的設(shè)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?shù)确矫嬲归_了討論。

然而,我們也必須要意識到,隨著便攜式醫(yī)療設(shè)備從臨床進入尋常百姓家,以及設(shè)備和大數(shù)據(jù)深度融合,數(shù)據(jù)安全問題會是產(chǎn)業(yè)需要面對的嚴峻挑戰(zhàn)。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(guī)的配套,以適應(yīng)全新的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。

國務(wù)院辦公廳在《關(guān)于進一步完善醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系的意見》(發(fā)布于2023年3月)中指出,加快健康醫(yī)療數(shù)據(jù)安全體系建設(shè),強化數(shù)據(jù)安全監(jiān)測和預(yù)警,提高醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)數(shù)據(jù)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(jù)保護、硬件可信根等安全方案,為敏感數(shù)據(jù)提供隔離、安全的運行環(huán)境,并在便攜式醫(yī)療設(shè)備的信息處理、傳輸、存儲等環(huán)節(jié)提供全方位的保護。為了推動便攜式醫(yī)療設(shè)備行業(yè)高速、穩(wěn)定、健康地向前發(fā)展,貿(mào)澤電子將和大家攜手一起把好數(shù)據(jù)安全關(guān),并持續(xù)提出更全面的硬件防護方案。

審核編輯 :李倩

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原文標題:臨床級、方便、高效,便攜式醫(yī)療設(shè)備進入尋常百姓家

文章出處:【微信號:貿(mào)澤電子,微信公眾號:貿(mào)澤電子】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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