在血壓計、心電圖(ECG)和氧氣感測器等單一功能設備成功進軍消費電子市場後，目前業界對於整合上述各種監測性能以及其它更多功能的病患監測照護設備也越來越有興趣了。
醫療市場一般可分為三個主要範疇：家庭、臨床與成像應用。家用醫療產品主要是一些具有較低性能要求的低成本以及可攜式系統。診所與醫院級的設備通常需要更高性能而且也更加昂貴。而成像系統通常是體積龐大的大型主機系統，並正迅速向可攜式和車載系統演變(除了超音波設備以外)。
這些系統大多是類比感測器測量系統，但適用於諸如血壓、體溫與心率檢測等生物監測功能。這些生物檢測感測器是專為測量溫度、壓力、光線與流體等實體事件而設計。測量結束後，這些系統將訊號轉換成相應的電壓或電流，然後再為這些訊號進行調變與數位化，以便於進行處理與分析。在控制端，訊號可再被轉換回電流或電壓，並應用於啟動器中，以便控制氣流、氧氣或溫度等參數。
典型的高階病患監測系統具有五項基本子系統：心電圖；脈搏血氧濃度；血壓；體溫；以及呼吸，如圖1。一般來說，各系統中最關鍵的元件就是感測器電路。
圖說：典型的高階病患監測系統具有五項基本子系統：心電圖、脈博血氧濃度、血壓、體溫以及呼吸。
每個模組使用不同的感測器和訊號調節電路。例如，心電圖使用電極測量來自心臟的電脈衝。而脈搏血氧計(測血氧濃度SpO2)使用發光二極體與光感測器，以測量血氧含量。血壓通常採用壓電阻式壓力轉換器來測量。為了簡化操作，其中幾項生物測量模組還可能利用共通的數位、電源與I/O子系統。
血壓
在血壓生物檢測模組中，壓力感測器電路是最關鍵的功能。在此，採用精密的放大器來檢測從感測器而來的微弱訊號，並將訊號放大至適合ADC處理的電平。
訊號放大後，通常採用一個主動濾波器以濾除較高頻率或不需要的雜訊。這時必須採用低雜訊、低漂移和高增益的放大器以減少測量誤差，並確保讀取結果的準確度。見圖2系統架構圖。
在醫療應用中，最常用的壓阻矽式壓力感測器是惠斯登電橋(Wheatstone bridge)。壓力感測元件包含電阻器和蝕刻隔膜結構，以提供隨壓力而變化的電輸出訊號。當隔膜受壓力下而運動時，應力集中在矽元素的特定區域。
其結果是較小電壓因應施加於隔膜上的壓力而持續改變。接著，採用精密運算放大器將該電橋訊號進行放大，再將放大後的訊號送至ADC進行轉換。
當建議採用一款放大器時，值得一問的關鍵問題是：所需的精密度和電壓為何？醫院級設備與可攜式家庭系統的需求不同，而各種壓力感測器對於靈敏度與電壓的要求也不盡相同。一般要按照可搭配感測器的要求來選擇放大器。
心電圖(ECG)
在心電圖應用中必須使用到幾種精密放大器和儀表放大器。圖3顯示一種帶有12個導程(lead)的診斷(或臨床)用心電圖。這些導程元件的關鍵構造是電極增益放大器、高通濾波器(通常是0.5Hz)、低通濾波器(約150Hz)和右腳(right-leg)驅動電路。對於心電圖來說，每個電極都需要一個精密儀表放大器來擷取疊加在300mV至700mV共模電壓上的極小訊號。
一般來說，這種放大器能以更高的供電電壓來實現高增益，而不至於限制放大器存在由身體導入的高共模電壓情況中。該放大器既可以是分離式的儀表放大器，也可作為整合式儀表放大器，但通常必須二階和三階主動濾波放大器來設置一個非常特定的頻段(0.5Hz-150Hz)，才能擷取到心電圖的QRS波訊號。這些主動濾波器放大器通常是具有合適頻寬的低雜訊、5V放大器。此外，右腳驅動回饋功能也需要低雜訊且低功耗的放大器。
在諸如12導程的心電監測設備等多通道系統中，採用多工器(multiplexer)對訊號進行切換以便共用同一個ADC的做法很常見。對於這種多工器的典型關鍵要求是低導通阻抗以及低電荷注入。
通常必須先選擇一款特定的多工器來搭配濾波器放大器和ADC的電壓要求。為了實現多種配置作業，具有自動導程偵測功能的多通道心電圖也很常見。一般來說，在這種電路中還會採用低導通阻抗的開關。
對於3導程的可攜式心電圖應用來說，CMOS製程的低功耗儀表放大器可能是更好的選擇。由於CMOS輸入自然地了高阻抗輸入，因而省去了外部緩衝器，以節省成本。選擇一款更優質的輸入放大器可提供具有非常精準的基線補償電壓的主動回饋、低至1/ f的雜訊、極低偏移以及低溫漂移。
脈搏血氧計(SpO2)
氧氣經由人體血液中的血紅素輸送，而這也是必須加以檢測的關鍵訊號之一。脈搏血氧計利用了這樣的一個事實：血液在含氧和去氧時對於某些特定波長光的吸收能力有些差異。
就成人的血紅素來說，用於標識血液中吸收含氧濃度差異的波長約為805nm。因此，我們將使用兩個──分別高於和低於805nm──的波長來計算出含氧紅血球細胞的比例。通常情況下使用660nm和940nm兩種波長。
這時還需要一個高阻抗、低偏置電流的運算放大器來處理以上述兩種波長接收光電二極體的輸出訊號，如圖4。該ADC還需要16位元元件的高速輸送量。在將直流(DC)與背景雜訊清除掉後，即可對脈衝訊號進行放大。透過充分的過採樣、濾波和訊號處理，能夠消除掉較小訊號造成的移動偽影(movement artifact)等干擾雜訊，從可順利量測的脈搏速率。
先進醫療電子的未來
先進的醫療系統現在需要各種放大器、多工器、轉換器、參考電壓、介面和電源產品。除了嚴苛的雜訊與增益要求以外，可攜式儀器還需要最低功耗以及最嚴密的電池管理。而對於非可攜式的儀器來說，除了精確的測量性能以外，還需要可靠的隔離以及患者保護功能。
針對所有的情況提供一種普適的最佳解決方案並不容易。因此，在選擇關鍵元件時，必須對於功耗、元件可用性、所需的解析度、可攜性、雜訊以及其它因素進行通盤的考量。瞭解所選元件的用意將可確保系統在其使用期限內能更安全地發揮效用。
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