看德州仪器医疗产品新星 掌握医疗电子未来发展前沿

13 5月 2017

      德州仪器于2010年3月24日推出面向 ECG 与 EEG 应用的全面集成的模拟前端 (AFE) 系列的首款产品,以充分满足便携式与高端心电图 (ECG) 、脑电图 (EEG)设备、患者监护以及消费医疗应用等需求。

      市场机遇与需求

      全球医疗保健市场正从传统的医疗保健系统向现代电子医疗健康系统转变,随着世界人口老龄化的出现,它已导致全球医疗保健支出增加。而在欠发达的国家医疗保健缺失尤为严重。日趋严重的人口老龄化造成的医疗服务需求增加,已呈现高压状态。

      在世界范围内,日新月异的医疗电子市场连续25年增长,很有可能成为未来半导体市场的主要驱动力。在美国,美国国会众议院刚刚通过了奥巴马政府提议的医疗改革议案和“预算协调”议案。根据参众两院最终版本医改案,美国政府今后10年将投入9400亿美元,把3200万人纳入医保体系。将覆盖率从85%提升至95%,接近全民医保,美国医疗保健支出占GDP的15%以上。欧洲紧随其后,到2010年保健支出有望从20年的2万亿美元增长到31万亿美元。而在印度这样的发展中国家,也计划将公共保健支出所占GDP的比例,由过去的1%提高到了3%。

      而在我国,从2008年中国国际医疗电子技术大会了解到,随着中国GDP规模的逐年增长,中国的医疗保健支出所占GDP的比例由1995年的3.7%提高到了2007年的5.6%。2008年33%的医疗半导体收入来自消费类医疗设备,用于个人医疗电子设备的投资有望以10%以上的速度增长。

      ECG与EEG的市场概述

      随着医疗保健市场的发展,医疗设备对便携式的要求越来越高,越来越多的 ECG 产品要求具备更多的功能和更低的功耗,例如通过便携式媒体存储电子病历、无线/有线传输等。而对于高端心电图 (ECG) 和脑电图 (EEG)设备来说,由于以前高功耗的大型设计方案限制了 ECG 与 EEG 设备的便携性。

      ECG与EEG设备对模拟信号的需求也是相对比较苛刻的,心电信号是很微弱的,如果它传到体表,通过体表采集,这个信号就更加微弱了。而且我们还会有各种动作,身体除了心脏还有其它器官,身体会有经典值、极化电压、外界干扰等等,在采集信号时都会被认为是干扰,大的直流偏移和多种干扰信号的出现会导致 ECG 信号的测量面临挑战。

      由于信号的微弱,ECG设备的功耗级别又是纳瓦级的,因此对芯片级的噪声要求越来越严格,功耗反而越来越放宽。这是可以理解的,植入式设备在体内要供电的,所以对功耗要求很高很高。但医院的大型设备是有电源的,所以对功耗要求低一些。

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      ADS1298特性

      TI所推出的ADS1298产品,由于其低功耗与高集成度的特性,可开发出低成本的紧凑型便携式设备,几乎可以应用于所有医疗设备中,例如:消费类医疗设备、医疗器械、医疗成像设备以及诊断、病人监控与治疗设备。

      而在心电和脑电设备上,功能实现上最重要的部分就是芯片层面或者板级层面的模拟前端。王胜介绍说“采集类的系统,不管医疗还是其它的要求都非常严,只要采集情况非常好,ADC和数字域的处理就会相对简单一些。”TI推出的ADS1298就可以满足这些要求。心电图基本上是多点测量,如果只测身体某一点的电势,基本分析不出整个心脏的活动规律,而ADS1298正是一款多通道系统。8通道、24bit的ADS1298具有便携性、紧凑性和经济性的特点,并能够以高精度实现ECG和EEG的测量功能。

      ADC不仅有模拟前端还有模拟调节电路,ADC绝大部分情况下就是放大器,做信号的调理,这是最基本的功能模块。ADS1298也是一样的,它是8通道可编程增益放大器,放大倍数是3、4、6、8、12倍。除此以外,王胜还强调ADS1298还有很多其它的功能模块在里面,这些功能模块专门针对EEG、ECG设备特定要求里增加的功能,比如说人体会产生很多干扰信号,就会有些针对这些不同信号外加一个类似共模的偏置电压,例如一个右腿驱动放大器。

      这款ADS1298集成性非常强,除了8个低噪声可编程增益放大器和右腿驱动放大器以外,还集成了8 个低噪声ΔΣ转换器、电极检测、Wilson C 终端、测试信号、振荡器、温度传感器和电压参考,在功能上,它基本上能把典型的ECG、EEG所需的前端模拟电路所有功能集于一身。

      如此多功能的的组件被集成在一个非常小的设计板面,正是因为它把这些东西集于一身的同时就实现了小体积的设计目标,正好满足了医疗设备对便携性的需求。目前来看放大器、振荡器等这些都可以用分离器件来做,但这样很难控制它的精度和功耗,更难控制把所有的分离器件集成在很小的范围之内。但是TI的芯片做到了,你不用特别关心分离电路如何实现,对用户来说,所需要的功能都在里面,性能也能够保证。典型的应用目标,器件数量可以降低95%。

      而对于功耗来说,由于现在对低功耗的要求越来越高,所以TI的产品在功耗上也进行了研究与探索。TI的产品基本可以降低95%左右,因为TI的通道典型功耗是0.75mW,一般来讲的产品是100、200mW的功耗,所以TI降低功耗是非常明显的。

      对于降低的这95%,比较的依据,王胜也特意给出了说明,“首先,统计不是百分之百严格;第二,我们通过不同区域的客户,包括中国、欧美典型设计总结出来的。这些设计有基于TI的,当然不完全基于TI的,也有基于其它厂商功能器件,也可能是其它厂商集成在一起的,综合这些信息,典型数量有一个范围,尺寸空间有一个范围,功耗有一个范围,我们也有一个范围,比如不同增益数,也有一个系统稳定情况下的一个综合数目。所以,我们很负责任,很保守给了这个数字。”

      ADS1298这款产品功能集成了,功耗降低了,体积又小了,那很多人都会疑问,这样好的东西,肯定也会很贵吧。王胜解释到“在成本上,同样功能的实现,客户需要花的钱是30—50美金,而我们可以降低接近一半左右。为什么呢?第一,它设计简单了;第二,它的精度提高了;第三,客户付出的成本代价降低了。而在可靠性方面,大家都非常熟悉TI,TI有技术层面的优势,工艺层面的优势,实际上这些功能模块都是我们非常熟悉的,我们只管放在一起,实现了具体目标的应用,同时某些电路设计上的特点,把整体功耗降低,而不是各个部件简单累加,所以,可靠性没有问题。”

      未来的发展

      ADS1298只是这系列产品的首款,TI不会只负载这一款产品,TI还会有4通道的和6通道的,这是24bit。同时TI还会推出兼容16bit的,所以这是一系列的产品。客户针对不同系列目标和标准进行不同的选择,而这款专门针对ECG、EEG的模拟前端,可以给客户节省大量的设计时间和设计成本。

(来源:互联网)

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