可攜式醫療電子在近幾年出現可觀的成長，獲業界廣泛的採納，市場許多新設立的企業持續推出新的衍生產品。目前需要的是更好的可量產設計，提供較低的複雜度與可接受的效能水準，讓業者能壓低裝置的成本。在設計醫療裝置時，業者要考量的一些重要因素，包括選擇正確的元件來因應規格、功耗、成本、尺吋等方面的要求，以及通過美國食品及藥物管理局(FDA)的檢驗。
典型的可攜式醫療電子系統，內含的元件包括用來擷取資料的類比前端元件、用來調節訊號的放大器與濾波器、類比對數位轉換器、收集使用者回饋的按鈕、用來演算的微控制器以及用來連結液晶螢幕與USB連結埠的各種介面。傳統的設計方法，是把所有需要的元件置於電路板，然而這種方式會增加整體材料清單、PCB的複雜度以及設計週期。由於外界可輕易對解決方案進行逆向工程，因此這些類比元件會降低類比IP的防護力。可攜式醫療電子產品的設計與製造，由美國食品及藥物管理局(FDA)監管，這意謂產品的設計與製造必須準確依循明文規定的流程，其效能必須符合嚴格的紀錄、開發測試、產品測試以及現場維護等規定。FDA的條文中有一項就規定，可攜式醫療電子使用的元件，其生產線在未來5年不得中斷。研發業者因此可更容易減少BOM表元件數量，以通過FDA的檢驗。住家看護與診所經常用到的一些可攜式醫療電子裝置，包括血壓計、免接觸數位溫度計、血糖計、脈搏血氧濃度計。圖1與圖2顯示一個典型的血壓計以及一個運用傳統方法製造的免接觸數位溫度計。
圖1-使用傳統設計方法的血壓計
圖2-使用傳統設計方法的免接觸數位溫度計
傳統方法
典型的血壓計採用一個壓差感測器來量測手腕或手臂的血壓，這個感測器的輸出訊號僅有數微伏特(30-50µV)。輸出的血壓訊號必須用一個有理想CMRR(共模拒斥比)的高增益儀表放大器加以放大。通常理想的增益與CMRR分別為150 與100 dB。血壓訊號的振盪脈衝頻率，介於0.1至11Hz之間，幅度為數百微伏特。這些訊號振盪可運用帶通濾波器來擷取出來，濾波器的增益約為200，截止頻率為0.3至11Hz。一個速度達50Hz的10位元類比數位轉換器，可用來對血壓感測器與振盪器的訊號進行數位化。產品會用兩個計時器來計算心跳，以及建置安全計時器功能，安全計時器會讓受測者的血壓維持穩定一段時間，遵循美國醫療器材促進發展協會(AAMI)的規範。微控制器核心會運用振盪演算法來計算收縮壓與舒張壓的值，血壓計腕帶是利用脈衝調變元件驅動馬達來進行充氣與放氣。
典型的免接觸數位溫度計使用一個內含嵌入在薄膜上微機器的溫差熱電堆的傳感器，搭配熱電隅來量測熱電隅的溫度，並利用熱敏電阻來量測環境溫度。熱電隅會產生一個直流電壓，它的值與接頭的溫差有直接關係，熱電隅的輸出訊號僅有數µV。熱電隅輸出的訊號會透過這些低雜訊精準放大器來加以放大，運用熱敏電阻與外部精準參考電壓，做出一個分壓器。分壓器把熱敏電阻的電阻變化，參照溫度數值，轉換成電壓的變化。熱電隅與熱敏電阻的電壓，用來計算熱電隅與週圍溫度。系統會運用感測器製造商提供的多項式函數，或根據有預存讀數的查表，從電壓推算出溫度，週圍溫度加入到熱電隅溫度，就能算出最終溫度。
Segment LCD 驅動器、RTC、按壓式按鈕、EEPROM以及USB，是上述應用所需的其他週邊元件。
微控制器以外，包括傳感器、ADC、液晶螢幕驅動器/控制器、USB控制器、濾波器、放大器等，都屬於週邊元件。這些元件透過GPIO或專屬針腳連結至微控制器。使用這些週邊元件會遭遇到許多限制與約束，包括材料清單、印刷電路板的複雜性、FDA要求檢驗每個元件因而增加設計/開發時間、降低類比IP的防護力。
系統單晶片模式
系統單晶片提供一個設計可攜式醫療電子裝置的新方法，運用這些系統單晶片來設計產品，帶來許多加值功能。圖3與圖4顯示運用系統單晶片所開發的血壓計與免接觸數位溫度計。
圖3-採用系統單晶片的血壓計
圖4 – 運用系統單晶片開發的免接觸數位溫度計
在血壓計中運用系統單晶片(SoC)能大幅簡化設計流程，一個SoC整合了產品需要的高增益儀表放大器。運用整合式類比/數位濾波器，就能擷取出振盪脈衝訊號。SoC內的可調式ADC可用來執行資料數位化，內建的CPU核心提供必要的處理功能，能執行程式碼更長的演算法。這種元件還整合了分段式LCD數字螢幕來顯示訊息; 紀錄資料的EERPROM記憶體；紀錄時戳的即時時脈; 連結PC介面的全速USB；從CPU取得資料的DMA，以及取代按鈕的觸控元件。SoC內的計時器能用來計算心跳速度，以及處理安全功能。SoC亦支援大範圍的運作電壓，且消耗較少電流，因此更適合使用電池的裝置。SoC內的脈衝調變器可用來控制馬達。
SoC整合必要的放大器與ADC，在紅外線溫度計內用來偵測微伏特等級的變化。SoC內部有精準的參考電壓，能為感測器提供一個穩定且精準的參考訊源。SoC內建的其他功能包括Segment LCD 數字螢幕驅動器、EEPROM記憶體、RTC、USB 介面、以及觸控感測等。
如上所述，SoC整合了大多數的週邊元件。如此業者可立即省掉為數可觀的元件。使用這種晶片還能保護類比IP，因為所有類比元件都已整合在晶片內。較少的元件數量，意謂PCB更加簡化、開發時間與上市時程亦更為縮短。晶片內各種週邊元件的功耗，可透過不同模式來單獨管理，電源管理的工作變得簡單且有效率。這些晶片的可調整彈性，在重新設計或變換解決方案時，能協助降低成本與作業時間。更重要的是運用系統單晶片，由於減少使用材料，因此讓FDA 檢驗的程序更為簡單。血糖計、脈動測氧器、可攜式ECG心電圖裝置等，這些可攜式醫療電子設備都可採用SoC。
舉例來說，Cypress的PSoC 3/5產品(可編程系統單晶片)是針對各種可攜掌上型裝置量身打造，例如血壓計、血糖計、以及脈動測氧器等。PSoC3/5 結合 8051/ARM cortex M3核心，速度分別為33MIPS與100 DMIPS，還有放大器、專屬數位濾波器模塊、可設式Delta Sigma類比數位轉換器、整合式LCD驅動器，最高能驅動736個數字段、能偵測接觸按鈕/手指接近的電容感測元件、2KB 的EEPROM、全速式USB 2.0、以及許多其他功能，因此建構出真正單晶片的解決方案。再搭配 PSoC Creator IDE，針對每項功能提供預先編程的可調式IP模組，為產品設計師提供所有必要的工具，開發出微型化、高度可編程的最終產品，並達到極短的設計週期。PSoC 3/5元件的低功耗特性，更適合支援掌上型醫療/生活休閒等電子產品。
結論
整體而言，採用SoC的可攜式醫療電子設備讓設計工作更為簡化、保護IP智產，並提供許多嶄新與獨特的方法來解決問題，並讓FDA檢驗的流程更簡單。上述的解決方案範例顯示系統單晶片如何能簡化設計流程。在這些優勢下，運用系統單晶片的設計不僅更誘人，對於許多可攜式醫療裝置而言亦是更好的替代方案。
典型的可攜式醫療電子系統，內含的元件包括用來擷取資料的類比前端元件、用來調節訊號的放大器與濾波器、類比對數位轉換器、收集使用者回饋的按鈕、用來演算的微控制器以及用來連結液晶螢幕與USB連結埠的各種介面。傳統的設計方法，是把所有需要的元件置於電路板，然而這種方式會增加整體材料清單、PCB的複雜度以及設計週期。由於外界可輕易對解決方案進行逆向工程，因此這些類比元件會降低類比IP的防護力。可攜式醫療電子產品的設計與製造，由美國食品及藥物管理局(FDA)監管，這意謂產品的設計與製造必須準確依循明文規定的流程，其效能必須符合嚴格的紀錄、開發測試、產品測試以及現場維護等規定。FDA的條文中有一項就規定，可攜式醫療電子使用的元件，其生產線在未來5年不得中斷。研發業者因此可更容易減少BOM表元件數量，以通過FDA的檢驗。住家看護與診所經常用到的一些可攜式醫療電子裝置，包括血壓計、免接觸數位溫度計、血糖計、脈搏血氧濃度計。圖1與圖2顯示一個典型的血壓計以及一個運用傳統方法製造的免接觸數位溫度計。
圖1-使用傳統設計方法的血壓計
圖2-使用傳統設計方法的免接觸數位溫度計
傳統方法
典型的血壓計採用一個壓差感測器來量測手腕或手臂的血壓，這個感測器的輸出訊號僅有數微伏特(30-50µV)。輸出的血壓訊號必須用一個有理想CMRR(共模拒斥比)的高增益儀表放大器加以放大。通常理想的增益與CMRR分別為150 與100 dB。血壓訊號的振盪脈衝頻率，介於0.1至11Hz之間，幅度為數百微伏特。這些訊號振盪可運用帶通濾波器來擷取出來，濾波器的增益約為200，截止頻率為0.3至11Hz。一個速度達50Hz的10位元類比數位轉換器，可用來對血壓感測器與振盪器的訊號進行數位化。產品會用兩個計時器來計算心跳，以及建置安全計時器功能，安全計時器會讓受測者的血壓維持穩定一段時間，遵循美國醫療器材促進發展協會(AAMI)的規範。微控制器核心會運用振盪演算法來計算收縮壓與舒張壓的值，血壓計腕帶是利用脈衝調變元件驅動馬達來進行充氣與放氣。
典型的免接觸數位溫度計使用一個內含嵌入在薄膜上微機器的溫差熱電堆的傳感器，搭配熱電隅來量測熱電隅的溫度，並利用熱敏電阻來量測環境溫度。熱電隅會產生一個直流電壓，它的值與接頭的溫差有直接關係，熱電隅的輸出訊號僅有數µV。熱電隅輸出的訊號會透過這些低雜訊精準放大器來加以放大，運用熱敏電阻與外部精準參考電壓，做出一個分壓器。分壓器把熱敏電阻的電阻變化，參照溫度數值，轉換成電壓的變化。熱電隅與熱敏電阻的電壓，用來計算熱電隅與週圍溫度。系統會運用感測器製造商提供的多項式函數，或根據有預存讀數的查表，從電壓推算出溫度，週圍溫度加入到熱電隅溫度，就能算出最終溫度。
Segment LCD 驅動器、RTC、按壓式按鈕、EEPROM以及USB，是上述應用所需的其他週邊元件。
微控制器以外，包括傳感器、ADC、液晶螢幕驅動器/控制器、USB控制器、濾波器、放大器等，都屬於週邊元件。這些元件透過GPIO或專屬針腳連結至微控制器。使用這些週邊元件會遭遇到許多限制與約束，包括材料清單、印刷電路板的複雜性、FDA要求檢驗每個元件因而增加設計/開發時間、降低類比IP的防護力。
系統單晶片模式
系統單晶片提供一個設計可攜式醫療電子裝置的新方法，運用這些系統單晶片來設計產品，帶來許多加值功能。圖3與圖4顯示運用系統單晶片所開發的血壓計與免接觸數位溫度計。
圖3-採用系統單晶片的血壓計
圖4 – 運用系統單晶片開發的免接觸數位溫度計
在血壓計中運用系統單晶片(SoC)能大幅簡化設計流程，一個SoC整合了產品需要的高增益儀表放大器。運用整合式類比/數位濾波器，就能擷取出振盪脈衝訊號。SoC內的可調式ADC可用來執行資料數位化，內建的CPU核心提供必要的處理功能，能執行程式碼更長的演算法。這種元件還整合了分段式LCD數字螢幕來顯示訊息; 紀錄資料的EERPROM記憶體；紀錄時戳的即時時脈; 連結PC介面的全速USB；從CPU取得資料的DMA，以及取代按鈕的觸控元件。SoC內的計時器能用來計算心跳速度，以及處理安全功能。SoC亦支援大範圍的運作電壓，且消耗較少電流，因此更適合使用電池的裝置。SoC內的脈衝調變器可用來控制馬達。
SoC整合必要的放大器與ADC，在紅外線溫度計內用來偵測微伏特等級的變化。SoC內部有精準的參考電壓，能為感測器提供一個穩定且精準的參考訊源。SoC內建的其他功能包括Segment LCD 數字螢幕驅動器、EEPROM記憶體、RTC、USB 介面、以及觸控感測等。
如上所述，SoC整合了大多數的週邊元件。如此業者可立即省掉為數可觀的元件。使用這種晶片還能保護類比IP，因為所有類比元件都已整合在晶片內。較少的元件數量，意謂PCB更加簡化、開發時間與上市時程亦更為縮短。晶片內各種週邊元件的功耗，可透過不同模式來單獨管理，電源管理的工作變得簡單且有效率。這些晶片的可調整彈性，在重新設計或變換解決方案時，能協助降低成本與作業時間。更重要的是運用系統單晶片，由於減少使用材料，因此讓FDA 檢驗的程序更為簡單。血糖計、脈動測氧器、可攜式ECG心電圖裝置等，這些可攜式醫療電子設備都可採用SoC。
舉例來說，Cypress的PSoC 3/5產品(可編程系統單晶片)是針對各種可攜掌上型裝置量身打造，例如血壓計、血糖計、以及脈動測氧器等。PSoC3/5 結合 8051/ARM cortex M3核心，速度分別為33MIPS與100 DMIPS，還有放大器、專屬數位濾波器模塊、可設式Delta Sigma類比數位轉換器、整合式LCD驅動器，最高能驅動736個數字段、能偵測接觸按鈕/手指接近的電容感測元件、2KB 的EEPROM、全速式USB 2.0、以及許多其他功能，因此建構出真正單晶片的解決方案。再搭配 PSoC Creator IDE，針對每項功能提供預先編程的可調式IP模組，為產品設計師提供所有必要的工具，開發出微型化、高度可編程的最終產品，並達到極短的設計週期。PSoC 3/5元件的低功耗特性，更適合支援掌上型醫療/生活休閒等電子產品。
結論
整體而言，採用SoC的可攜式醫療電子設備讓設計工作更為簡化、保護IP智產，並提供許多嶄新與獨特的方法來解決問題，並讓FDA檢驗的流程更簡單。上述的解決方案範例顯示系統單晶片如何能簡化設計流程。在這些優勢下，運用系統單晶片的設計不僅更誘人，對於許多可攜式醫療裝置而言亦是更好的替代方案。
