在醫(yī)療電子應(yīng)用中，傳感器用于響應(yīng)諸如體溫、蛋白質(zhì)、血壓或運(yùn)動(dòng)之類的激勵(lì)，并將數(shù)據(jù)傳遞給信號(hào)處理電路。根據(jù)具體應(yīng)用，可能還會(huì)利用顯示器（通常是LCD）將有用的信息傳達(dá)給用戶。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為單片機(jī)直接與傳感器相連并處理所接收數(shù)據(jù)提供了前提。
調(diào)理傳感器輸出信號(hào)的重要性
基于檢測性質(zhì)、安全以及衛(wèi)生方面的考慮，要求將醫(yī)療儀器的傳感器探針設(shè)計(jì)為可拋式。為此，需要基于“前端檢測、后端處理”的原則，巧妙地設(shè)計(jì)這些傳感器的探針。傳感器通過電屬性變化指示環(huán)境變化。設(shè)計(jì)人員通過信號(hào)調(diào)理電路將該變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。由于大多數(shù)傳感器提供的輸出都具有非線性成分，因而這種信號(hào)調(diào)理是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
例如，在室溫下使用溫度傳感器時(shí)，其精度可達(dá)±1 ℃。但在極熱或極冷環(huán)境下，其精度呈非線性下降。這種非線性的曲線通常為拋物線，可由一個(gè)經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到的公式表示。
圖1所示為補(bǔ)償前和補(bǔ)償后的典型傳感器精度曲線。從圖中可以觀察到，在傳感器的工作溫度范圍內(nèi)，調(diào)理電路是如何提供精確的線性溫度讀數(shù)的。根據(jù)供應(yīng)商的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以推導(dǎo)出表示傳感器電壓及其變化與不同溫度之間關(guān)系的公式。該公式提供的線性電壓變化為每攝氏度幾百微伏。然后，可以將該電壓放大后傳給模擬輸出傳感器，或者將該電壓連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分析和顯示。設(shè)計(jì)人員可以使用MCU或數(shù)字信號(hào)控制器通過固件對(duì)該公式進(jìn)行求解，獲得精度更高的溫度讀數(shù)。對(duì)于涉及到血壓、蛋白質(zhì)或光的其他類型傳感器，可以使用類似的技術(shù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。
模塊化設(shè)計(jì)支持可拋式儀器
醫(yī)療儀器的模塊化設(shè)計(jì)可以為用戶帶來許多好處，同時(shí)也給制造商帶來了便捷。儀器設(shè)計(jì)人員需要正確地將設(shè)計(jì)分割為信號(hào)檢測、數(shù)據(jù)采集與分析模塊幾部分。在可能情況下，應(yīng)將信號(hào)檢測模塊設(shè)計(jì)為可拋式。通過認(rèn)識(shí)2種不同系列的可拋式醫(yī)療儀器，可以理解這一點(diǎn)。一種是部分元器件可拋的醫(yī)療儀器；另一種是整臺(tái)儀器可拋的醫(yī)療儀器。對(duì)于部分元器件可拋的儀器而言，可以在每次使用后拋棄用于醫(yī)療數(shù)據(jù)采樣的傳感器探針。而整臺(tái)儀器可拋的醫(yī)療儀器可以在一次或多次使用后完全拋棄。
睡眠呼吸暫停綜合癥診斷儀就是部分元器件可拋的一個(gè)示例?？蓲伿教结樣蔁崦綦娮韬托盘?hào)調(diào)理電路組成，置于患者鼻腔或口部，向控制器發(fā)送呼吸氣流的溫度。根據(jù)傳感器的輸出，系統(tǒng)控制器會(huì)計(jì)算呼吸模式的參數(shù)。儀器的非易失性存儲(chǔ)器中保存有正常呼吸模式值及其正負(fù)偏差的列表。系統(tǒng)軟件會(huì)將測量到的傳感器探針值與正常呼吸模式進(jìn)行匹配(存在偏差)，然后將呼吸暫停風(fēng)險(xiǎn)值發(fā)送至顯示器。根據(jù)該信息，醫(yī)生可以對(duì)病情進(jìn)行診斷，以便進(jìn)行進(jìn)一步的檢測。
在另一個(gè)部分元器件可拋的儀器示例(血糖儀)中，使用具有特殊涂層的試紙來測量血液中的葡萄糖含量。最新型的血糖儀采用了庫侖測量技術(shù)，在這種技術(shù)中，試紙由于毛細(xì)管作用會(huì)吸收血樣，并將其送到含有葡萄糖氧化酶的電極上。使用亞鐵氰離子將酶氧化，根據(jù)通過電極的總電量，就可以得出血液中的葡萄糖濃度。在LCD上顯示出由MCU求得的通過血液的電流返回的葡萄糖值。
在醫(yī)療儀器中，校準(zhǔn)是一個(gè)關(guān)鍵的問題。舉例來說，由于一系列的因素（例如儀器校準(zhǔn)、環(huán)境溫度、試紙?zhí)幚?、血樣大小、濕度和試紙保存期限等），在正常工作期間，血糖儀的精度范圍為±10%～15%。儀器制造商可以采用高級(jí)MCU來處理這些可變因素，并通過顯示“結(jié)果可能有誤差”這一警告來提醒用戶。
如今血糖儀還可以收集額外的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)來分析患者的病情并給出針對(duì)性建議(一些血糖儀可以執(zhí)行數(shù)據(jù)分析，但不會(huì)記錄歷史數(shù)據(jù))。借助市場上推出的嵌入式半導(dǎo)體技術(shù)，基于模塊化原則重新對(duì)儀器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員可以通過創(chuàng)新的方式呈現(xiàn)血糖數(shù)據(jù)。
另一種部分元器件可拋的醫(yī)療設(shè)備是血乳酸測定儀。血乳酸測定儀讓運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)從業(yè)者可以精確地計(jì)算運(yùn)動(dòng)員的心率訓(xùn)練區(qū)間。血乳酸測定儀的工作原理與血糖儀相同——使用特定波長的光波，通過對(duì)小血樣運(yùn)用反射測光法來測定乳酸酶。
先進(jìn)的血乳酸測定儀的體積只有信用卡大小，使用試紙來處理小血樣，并可在1 min內(nèi)返回結(jié)果。這些儀器使用內(nèi)置的傳感器，具有自動(dòng)溫度補(bǔ)償功能。通過血乳酸檢測可以確定心率對(duì)不同鍛煉類型產(chǎn)生的不同響應(yīng)。由于鍛煉強(qiáng)度和心率之間的關(guān)系因鍛煉的類型而有所差異，所以應(yīng)根據(jù)心率對(duì)不同鍛煉的響應(yīng)來安排訓(xùn)練計(jì)劃。
未來，基于模塊化設(shè)計(jì)原則的高級(jí)技術(shù)，可能包括遠(yuǎn)程連接功能（可連接到醫(yī)生的診室）和鍵盤輸入功能(用于向儀器或PDA輸入數(shù)據(jù)，以將結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī)中)。通過使用儀器內(nèi)的存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)固件進(jìn)行修改，使之可以跟蹤檢測模式，甚至可以將其通過低成本LCD以簡單圖形的方式呈現(xiàn)出來。
在一些儀器中，電極是可拋式的，去纖顫器就是這樣的儀器。它根據(jù)患者胸部感應(yīng)襯墊接收的反饋來產(chǎn)生精確控制的電擊。因?yàn)槊恳幻攵挤浅ｊP(guān)鍵，所以去纖顫器每次都需要正確地計(jì)算出首次電擊的精確能量。去纖顫器或者通過胸壁表面上的電極施加電擊，或者在體內(nèi)直接對(duì)心肌施加電擊，以恢復(fù)心臟的電脈沖，使心律恢復(fù)正常。電壓、電流、波形時(shí)序和傳輸方式都會(huì)對(duì)患者心臟施加的能量產(chǎn)生影響。
一些去纖顫器采用了雙相波形設(shè)計(jì)和智能電路，以產(chǎn)生比傳統(tǒng)的單相波形系統(tǒng)更小的電流。這些雙相儀器設(shè)定為可以在相對(duì)較低的峰值電流下有效工作。為了提高能效，去纖顫器需要采用低電容設(shè)計(jì)，以便有效地產(chǎn)生與患者個(gè)人阻抗相適應(yīng)的波形。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，儀器需要執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，精確地計(jì)算可產(chǎn)生正確電量的波形。設(shè)計(jì)人員可以使用支持DSP指令并具有必要信號(hào)調(diào)理外設(shè)的數(shù)字信號(hào)控制器來設(shè)計(jì)模塊化的去纖顫器。
心電圖儀(ECG)是一種非侵入性的檢測儀器，用于測量心臟中的電活動(dòng)。貼在手臂、腿部和胸部預(yù)定位置的電傳感器可以記錄電活動(dòng)并幫助評(píng)估心臟功能。根據(jù)傳感器的輸出，儀器會(huì)顯示心臟的心律圖。異常圖樣可以揭示心律擾亂(例如部分心壁供血不足)或心臟病發(fā)作情況?；谀K化設(shè)計(jì)原則，ECG傳感器上的引腳可以設(shè)計(jì)為與可拋式電極相連接。
可拋式儀器中的MCU
設(shè)計(jì)人員可以考慮部署基于閃存的功耗管理MCU，它們能夠在休眠模式下驅(qū)動(dòng)LCD，同時(shí)維持所需的功能特性。通過使用這些MCU，可以設(shè)計(jì)出整臺(tái)儀器可拋的儀器。例如，驗(yàn)孕棒中的傳感器可以檢測尿液中稱為人絨毛膜促性腺激素(HCG)的孕激素，并在LCD中顯示結(jié)果(通常為“懷孕”或“未懷孕”)。再例如緊湊式血糖儀，它具有內(nèi)置顯示器，安裝在試紙小瓶上。使用血糖儀進(jìn)行檢測操作簡單——從小瓶中取出試紙，將其插入儀器頂部，然后進(jìn)行檢測。當(dāng)試紙用完時(shí)，即可以拋棄這種血糖儀。
一些MCU具有10位ADC，可為阻式觸摸屏提供接口。此類觸摸屏省去了專用鍵盤和其他定位設(shè)備，提高了儀器的易用性。例如，血糖儀或血乳酸測定儀甚至可以通過觸摸屏交互地顯示有百分之幾的讀數(shù)處于目標(biāo)范圍內(nèi)(基于高讀數(shù)和低讀數(shù)的頻率)。如圖2所示。
這些示例顯示了最新型MCU的強(qiáng)大功能，支持可拋式儀器中的許多居家檢測功能?？梢灶A(yù)期，未來的市場將會(huì)出現(xiàn)一系列以前所未有的低成本推出的可拋式醫(yī)療檢測儀器。
可與一系列傳感器相連的、功能強(qiáng)大的低成本MCU讓可拋式儀器成為現(xiàn)實(shí)。此外，經(jīng)濟(jì)的數(shù)字信號(hào)控制器可以簡化傳感器輸出的復(fù)雜數(shù)學(xué)分析，不僅能夠提供健康狀況診斷，而且可以保證儀器本身的正常運(yùn)作?；谶@些控制器的儀器其體積會(huì)越來越小，并且發(fā)展為只需要用戶進(jìn)行簡單校準(zhǔn)，或不需要進(jìn)行任何校準(zhǔn)。總之，這些控制器支持著低成本醫(yī)療儀器的發(fā)展，隨著醫(yī)療檢測功能價(jià)值的上升，儀器的成本卻在不斷下降。