【導讀】醫療電子技術不斷發展，不同的醫療設備具有不同的技術發展趨勢。如何選擇恰當的半導體器件實現系統設計，以滿足便攜式醫療電子產品在功耗、性能和價格等方面的要求，已成為醫療設備制造廠商面臨的關鍵挑戰。本文就為大家分享如何選擇IC元器件。
隨著人們對自身健康狀況的日益關注，便攜式超聲波診斷設備、血壓計、血糖計等個人健康監護設備開始獲得市場青睞。醫療電子技術不斷發展，不同的醫療設備具有不同的技術發展趨勢。即便同類設備，也會因為產品的具體應用而有不同的技術要求和發展方向。例如，超聲臨床設備要求低噪聲、寬動態范圍等高性能指標；而便攜系統則要對性能和功耗進行權衡，為了滿足便攜性需求，要求器件具有低功耗和高集成度特性。便攜式保健產品則要求保持良好的可重復性，產品在整個工作溫度范圍、工作電壓和使用周期內具有極低的漂移。
如何選擇恰當的半導體器件實現系統設計，以滿足便攜式醫療電子產品在功耗、性能和價格等方面的要求，已成為醫療設備制造廠商面臨的關鍵挑戰。半導體技術的進步有力促進了醫療電子設備向低功耗、小尺寸、高集成度的方向發展。半導體廠商需要全面分析具體系統的規格要求和不同參數在系統中的重要性，以便提供高性價比的解決方案。
降低系統功耗
圖1(圖1必須放)所示為通用便攜式醫療設備的原理框圖，該系統需要大量的功能電路：從采集傳感器輸出的模擬前端到顯示結果的顯示器控制、電池充電、電源管理等。基于這種架構的便攜式醫療設備要求低功耗和較寬的工作電壓范圍(直接由電池供電)，為了簡化設計、減小產品尺寸，要求器件具有極小的封裝外形。
圖1. 通用便攜式醫療設備原理框圖。圖中黃色區域可由MAX1359單芯片數據采集子系統實現。
為了滿足系統功能要求，Maxim開發出多種產品，從基于低功耗微處理器的數據采集器到有效延長電池壽命的低功耗電源管理電路。為了簡化系統設計、減少器件數量、降低系統功耗，Maxim推出了高度集成的混合信號微處理器，以及智能化更高的電池和電源管理芯片。
提高測量精度
便攜式醫療設備需要頻繁測量溫度，以便修正傳感器的溫度特性。溫度測量器件有多種選擇，例如：熱敏電阻、PN結、提供線性輸出的集成電路等。器件的選擇取決于尺寸、成本、功耗以及精度等多項指標。提高傳感器的精度是改善便攜式醫療產品設計的關鍵。
以血糖儀的檢驗系統為例，該系統利用電化學反應檢測病人的血糖度，測試精度對溫度的變化非常敏感。因此，需要對環境溫度進行測量以修正室溫測量參數。另外，還需要避免儀器工作在超出精度范圍限制的溫度之外，這一點對于便攜產品尤其重要，因為這些產品常常工作在炎熱或寒冷的室外環境。
圖1所示通用系統框圖同樣適合血糖儀測量，傳感器端口用于連接血糖電化學反應測試條，溫度傳感器用于測量環境溫度，該傳感器可以采用外部器件，也可以使用芯片內部的傳感器，或者對兩者的溫度都進行測量。
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降低系統成本
單芯片溫度傳感器是低成本應用的理想選擇。為了降低系統成本，可以利用芯片的內部溫度傳感器進行校準，補償血糖傳感器所處位置的外部溫度。系統可利用測量值修正傳感器溫度，提供精確讀數。溫度讀數對應于二極管的實際結溫，對于連續監測溫度變化的系統，可以直接使用溫度讀數。對于需要獲得封裝外部溫度的應用，需要對讀數進行調整才能得到更準確的數值。
校準的關鍵因素在于，保證溫度傳感器測量的是葡萄糖測試反應發生處的溫度，即葡萄糖測試條所處位置。測試設備應該考慮到任何影響產品精度的溫度偏差。
MAX1359是16位數據采集系統，采用節省空間的40引腳TQFN封裝，3.3V供電時僅消耗1.7mA的電流，用于實現模擬接口、信號采集和數據轉換功能，非常適合于便攜式醫療設備應用。MAX1359數據采集系統可實現圖1中黃色標記的功能模塊。
MAX1359數據采集系統內部的二極管結可用于校準數據采集子系統，利用二極管的I-V特性測量溫度，為了提高測量精度，將校準系數存儲在數據采集系統內部，修正讀數誤差，以獲得最高精度。校準系數可以存儲在芯片內部，也可以存儲在主處理器的非易失存儲器中，上電時裝載到芯片內。
MAX1359的內部溫度檢測器可以測量內部二極管結的溫度，也可以測量外部溫度傳感器的溫度，存儲在芯片內部的兩個常數(GS、OS)用于修正內部結溫變化以及其他電路偏離理想狀態時所產生的誤差。
MAX1359測量的是內部結溫。該模型中，將溫度特性轉換成等效電路(注：工廠可以將芯片置于恒溫油槽，將TA和Tc強制在相同溫度對芯片進行校準)。一旦芯片安裝在電路板上(圖2，MAX1359的Tj將取決于以下因素：
* PCB溫度
* PCB周圍的環境溫度
* PCB封裝的導熱性
* MAX1359的功耗
* PCB的耗散功率
* 產品工作的環境溫度
* 產品與周圍環境的隔熱層
圖2. 安裝在電路板上的MAX1359的溫度模型
上述因素直接影響MAX1359內部溫度Tj與MAX359外部測量點溫度的差異，這意味著利用器件測量的Tj只是實際溫度Text的估算值Test，值得慶幸的是，可以通過一些測試手段縮小Tj與Text之間的誤差。
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可以利用一個簡單流程修正產品規格的偏差，圖5所示的工作表給出了修正流程。修正系數(GS、OS)儲存在MAX1359內部(TEMP_CAL寄存器)，可通過SPI總線從芯片內部讀取這些數值。利用下式計算修正后的數據：
Testimate (℃) = Tmeas (℃) x Gs + Os (℃)
利用修正系數將測量值Tj轉換為實際溫度的估算值，測量產品的溫差需要兩個參數：MAX1359估算的溫度值(見圖5中的C)和產品外部的實際溫度(見圖3中的A)。實際溫度由高精度傳感器、測試儀表得到。根據A和C可以計算出D值，產品的溫差(通常在0℃~+6℃之間)。
圖3. 跟據存儲的校準系數計算溫差的修正值
需要按照該流程進行重復測試，以確保獲得的參數在不同測試環境、同一系列的儀器下保持穩定。如果不能得到穩定的溫差值，則需針對每臺設備提供定制參數。在能夠獲得穩定參數的情況下，可以將數值直接存儲到硬件電路，以便固件調用。如果不能得到穩定的數值，則需將數值存儲到每臺設備的非易失性存儲器內。利用D值計算經過校準的外部溫度(K，產品工作溫度)。
