浅谈便携式医学监护系统

　　1　便携式医学设备的基本组成

　　如果将任何一台便携式医学监护设备拆开,我们就会发现它们有5个基本的结构模块组成(参见图1):显示和触摸屏控制、电源管理、传感器接口和信号通道、数据通信接口、系统微控制器(μC)或数字信号处理器(DSP)。很显然,每个结构模块的性能是随不同系统而变化的,取决于不同病人的需要和系统所处的不同环境。

　　1.1　显示和触摸屏控制

　　显示技术和触摸屏控制技术的进步对病人监护仪的发展有着积极的影响,使得监护仪外观更小巧、精致,使用也更方便。使用触摸屏控制(TSC)技术实现了传统的物理键盘的功能,同时使显示的图像更大、更清晰。TSC可以很好地微调输入和输出数据的显示,并且可以保持“按键”大而易用。然而,应用TSC的一个技术挑战是对静电电荷(ESD)的处理,如果TSC电路不能消除静电能量,则静电能量会击穿和破坏中央微处理器/DSP。在设计TSC电路时,还需要考虑屏幕分辨率、转换类型和速度、总的功耗等。

　　1.2　传感器接口和信号通道

　　不管是读取体温、脉搏、血糖值还是其他的生物传感器测量值,设计合适的信号通道是很重要的。一般说来,仪表放大器(Instrumentation Amplifier)是信号通道中的第一级(见图2),如INA326,它是低功率放大器,具有低零漂、高直流精度的特点。在大多数应用中,我们所要检测的生物电信号是微伏级的,往往被毫伏级噪声所掩盖;同时,所检测的生物电信号具有交流特性,所以需要放大器具有良好的高通滤波性能。利用该放大器的自动调零或自动校准特性能进一步简化系统的补偿电路设计。

　　信号通道的第二级是低功耗、宽带宽的运算放大器,如高精度运算放大器OPA376。放大器的过零特性在整个输入共模范围内产生线性偏移信号,这就使得微控制器不需要运行额外的算法去校正漂移量。信号通道中的下一级应是性能优异的Δ-Σ型或逐次逼近型的模数转换器(ADC),像单周滤波器设置、命令启动转换等功能简化了ADC外围电路的设计。在多通道系统中,像全局同步等特性可以保证连贯的信号采集,可以在相同的时钟周期内进行多点信号源间的比较。在挑选元件并合理布局后,可得到纯净的、精确的、真正有意义的信号,并输入到系统微控制器/DSP中。

　　1.3　微控制器/DSP

　　医学监护设备会产生大量的未经处理的原始数据。存储和处理数据、记录变化情况、提供反馈值、支持向上连接到更大的系统、执行诊断算法,这些经常是系统控制器的关键功能。

　　针对功耗限制,平衡系统各部分间的处理需求是很重要的。希望系统具备DSP级的数据处理能力,但又要求微处理器是低功耗的,这在设计中会造成冲突。然而,通过利用新的DSP技术和供电技术,以及实行不同的电源工作模式(等待,休眠,唤醒等),能帮助系统在合理的功耗下获得高效的实时处理运算性能。如TI公司的MSP430微控制器,在将ADC、DAC、运放和超低功率电源整合在一起后,就是一个性能优异的片上系统,非常适合应用于心率监护仪、血压监护仪等许多便携式医学设备中。