Elméletileg egyáltalán lehetséges-e kellően alacsony teljesítményfelvétellel működő rendszereket tervezni? Ezzel a "tervezési kihívást" rejtő kérdéssel pályám során számtalan alkalommal találkoztam, kiváltképp az elmúlt öt évben, amelyben mikrokontroller-alapú, hordozható orvosi eszközökkel foglalkoztam...

A kérdés a félvezetőgyártó rendszermérnök szempontjából egyszerű nemmel válaszolható meg, de a kérdés ennél bonyolultabb. A hordozható alkalmazásokban a telepélettartam az egyik legfontosabb tényező, mivel a termék használati értékét az egyik legalapvetőbb módon befolyásolja. Ez kiemelt fontosságot kapott a hordozható, mobil elektronikus eszközök számtalan fajtájának elterjedésével, amelyek között olyan alkalmazások is előfordultak, ahol a rendkívül hosszú telepélettartam alapkövetelménynek számított. Míg azonban a hosszú telepélettartam a fogyasztók számára "mindössze" egy igen kellemes termékjellemző, addig az orvosi alkalmazásoknál egész más hangsúlyt kap, és feltétlen szükségként kezelendő. Két cukorbeteg szülő gyerekeként ennek a fontosságát közvetlen testközelből volt alkalmam több ízben is megérezni, esetemben a vércukorszint gyakori mérésének szükségessége okán.

A hosszú rendelkezésre állás fontossága orvosi elektronikai eszközöknél
De pontosan miért is döntő fontosságú az alacsony teljesítményfelvétel a hordozható orvosi eszközöknél, például a vércukorszintmérőknél? A hordozható, telepről táplált elektronikai termékek aktív és készenléti állapotok között váltanak működési módokat. Vegyük például a vércukorszintmérő egyes működési állapotait:

1. a mérőműszer készenléti állapotban van addig, amíg a használója egy tesztcsíkot bele nem helyez,
2. a tesztcsík behelyezése után a betegnek vérmintát kell helyeznie a készülék megfelelő részére,
3. a megfelelő helyre és mennyiségben lecseppentett véren a műszer mérést végez, a mért értéket kijelzőn megjeleníti és naplózza.

A rendszer villamos fogyasztása a működés minden fázisában odateszi a maga hozzájárulását a rendszer átlagos fogyasztásához és ezzel a telepélettartam meghatározásához. A mai, modern vércukorszintmérők idejük nagy részében készenléti üzemmódban vannak, az időt beépített, valós idejű órájuk alapján követik nyomon, és aktív állapotba csak a tesztcsík behelyezésekor kerülnek. Ez azt jelenti, hogy a rendszer akkor is vesz fel teljesítményt, ha nem használják. Ha a tesztcsík bekerült a műszerbe, a készülék beépített kijelzőjén általában megjelenik egy szimbólum, amely vérminta lehelyezésére utasítja a felhasználót. Felhasználója válogatja, hogy ez a második lépés milyen gyorsan történik meg: lehet akár pár másodperc, de néhány perc is, attól függően, hogy milyen gyors/rutinos felhasználóról beszélünk. Az is előfordulhat, hogy előbb következik be az előre beállított időtúllépés, mint ahogy a műszer megkapná a vérmintát.
A most ismertetett lépések során, például a vérminta lehelyezésére figyelmeztető szimbólum villogtatásához a mikrokontrollernek aktív állapotban kell lennie, így ennek az apró funkciónak is nagy befolyása lehetaz átlagos teljesítményfelvételre.
Az új mikrokontrollerek némelyike rendelkezik integrált, szegmenses felosztású, monokróm kijelzővel is, amely lehetőséget ad az egyes szegmensek villogtatására akkor is, amikor az MCU kisfogyasztású, készenléti állapotban van (lásd 1. ábra). Ez azt jelenti, hogy a vércukorszintmérő második működési fázisában az MCU lényegesen alacsonyabb fogyasztású működési állapotban maradhat, amely jótékony hatással van az oly fontos, átlagos eszközfogyasztásra is. Nemsokára ez a koncepció minden kétséget kizáróan általánosan elfogadott és használt lesz, amelynek több egyéb mellett két közvetlen pozitív hozadéka, hogy a cukorbetegek gyakrabban tudják vércukorszintjüket mérni, ennek következtében pedig a tesztcsíkok gyártóinak forgalma is megnő.
Mivel mindkét felmenőm cukorbeteg, egyetlen vércukorszintmérő készüléken osztoznak, amelytől még kevésbé tekinthető optimálisnak az eszköz telepélettartama. Nagyon bízom benne, hogy az orvosi alkalmazásokhoz kötődő, beágyazott rendszeres elektronika hozzájárul sok egyéb mellett ahhoz is, hogy minél biztosabb legyen a betegek állapotfelmérésére alkalmas műszerek rendelkezésre állása, és minél kifinomultabb ember-gép interfészen tárják eléjük a diagnózist.

A betegek saját maguk által kezelt betegségeinek problémái
A krónikus betegségek kezelésével kapcsolatos egyik legfőbb probléma a beteg együttműködési hajlandósága, amelyről többek között Dél-Texasban betegápolóként dolgozó testvéremtől és édesanyámtól is sokat hallok. A cukorbetegeknek például gyakran kell cukorszintet mérniük, és szükség esetén maguknak az inzulint beadniuk. A beteg részéről az együttműködési készség egy igen összetett betegségkezelési kérdés, és sok orvosi tanulmánynak biztosít témát (keressenek rá bátran az angol nyelvű szakirodalomban a "compliance and diabetes" meghatározás alatt, és rögtön látni fogják, mire is gondolok).
A cukorbetegségnél és a hozzá hasonló, a beteg saját maga által kezelt betegségnél a kezelés és prevenció a páciens felelőssége is. Annak ellenére, hogy jól felfogott érdeke a saját, teljes együttműködése, néha mégis reménytelen küzdelemnek tűnik az előírások betartatása. Az adatnaplózási szolgáltatásokat támogató technológiák előnye, hogy nemcsak költséghatékonyabb és kedvezőbb energiafelhasználási feltételeket nyújtó működést biztosítanak, hanem egyúttal lehetőséget adnak a szakképzett gyógyászati szakembereknek bekapcsolódni a betegük gyógykezeléshez fűződő viszonyába.

Az adatnaplózás jótékony hatása
Az adatnaplózással nemcsak életfunkciókat és egészségi állapotot reflektáló, hanem kronológiai (dátum, időpont) adatok is rögzíthetőek, és bizonyos orvosi eszközök támogatják is ezeket. De vajon miért nem szerepel ez a funkció minden eszköz repertoárjában?
A legtöbb mai hordozható orvosi eszköz, amely rendelkezik adatnaplózási támogatással, külső EEPROM segítségével teszi mindezt. Ez azonban egyet jelent azzal, hogy az EEPROM-illesztéshez kötődő járulékos alkatrész- és munkatöbblet miatt drágább lesz a végtermék. Mi több, az adatnaplózás egy hagyományos formában történő implementálása többletenergia-igénnyel is jár, amely rövidebb telepélettartamot jelent ezen eszközöknél. Ez utóbbinak igen kellemetlen vonzata lehet például egy vércukorszintmérő eszköznél, amely ugyan képes az idő, dátum és mért érték naplózására, viszont hamarabb lemerül, és csökken a biztonságos rendelkezésre állás ideje.
Egy külső EEPROM-áramkör esetében 1 bájt (8 adatbit) beírásának ideje kb. 5 ms ideig tart. Ez idő alatt az EEPROM írási üzemmódhoz kötődő teljesítményigényével kell számolni, amely kb. 4 mA (inkrementális) áramot jelent. Több-bájtnyi adatmennyiségnél egyenes arányban nő a feldolgozási idő és a teljesítményfogyasztás, a hagyományos EEPROM ezenfelül még a készenléti állapoti teljesítményigényre nézve is többletfogyasztást jelent. EEPROM-áramkörtől függően a stand-by teljesítményfelvétel néhány száz nanoampertől egészen akár 5 mikroamperig is terjedhet.
Napjaink ún. vékonyréteges, "Thin Film Storage" (TFS) flash-memóriákkal mindezekkel szemben úgy lehet támogatni az adatnaplózás-funkciót, hogy az nem jár pluszköltségekkel, vagy az EEPROM-alkatrészek inkrementális teljesítményigényével. Néhány esetben a TFS az adatírási időt a hagyományos EEPROM-mal elérhetőnek mindössze 1%-ára is képes leszorítani. Továbbá, ha a TFS flash-memória magán a mikrokontrolleren kap helyet, plusz készenléti energiafelvétellel vagy külső alkatrészekkel sem kell számolni.

A 2. ábra egy TFS flash-memóriával integrált (esetünkben egy Freescale FlexMemory-családú) mikrokontroller és egy hagyományos elrendezésű, külső EEPROM-os mikrokontroller teljesítményprofilját veti össze. Mint az látható, a TFS flash-memóriás áramkör készenléti fogyasztása alacsonyabb, és az adatnaplózást sokkal gyorsabban végzi, ezzel pedig sokkal kedvezőbb átlagos fogyasztáshoz, valamint lényegesen hosszabb telepélettartamhoz segíti a teljes eszközt.

Zárógondolatok
A kezelés alatt állók együttműködési készségének esetleges hiánya komoly probléma maradhat a beteg egészségügyi állapotára és a kezelés költségvonzatára nézve is. A magam részéről remélem, hogy az orvosi elektronikai rendszerek fejlesztői meglátják a TFS flash-memóriákban rejlő lehetőségeket, és azon lesznek, hogy kihasználják annak előnyeit. Ezzel a saját érdeküket szem előtt tartó betegek gazdagabb információhoz juthatnak saját egészségügyi állapotukról, és minden bizonnyal nagyra értékelnék a műszerük hosszabb rendelkezésre állási idejét. A fejlett adatnaplózási képességeket támogató, új és a közeljövőben megjelenő orvosi műszerekkel - így vagy úgy - de mindenki csak nyerhet, legyen akár szakavatott egészségügyi dolgozó, vagy kezelés alatt álló beteg. Az innovatív megoldásokkal minden további nélkül kézben tartható költségek mellett érezhető életminőség-javulás érhető el.

A Freescale honlapja