醫療電子的技術挑戰

摘要：部分行業領先廠商介紹了醫療電子對模擬、MCU、連接器和軟件等的挑戰。本文網絡版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/192726.htm

關鍵詞：醫療電子；模擬；MCU；連接器

DOI： 10.3969/ j.issn.1005-5517.2013.12.002

醫療對高性能模擬混合信號的挑戰

ADI公司亞太區醫療行業市場經理王勝指出，醫療設備種類眾多，其要求也各不相同，但其共性都包括：高集成度，低功耗，小體積，系統級方案以及專業的技術和商務服務，當然，合理的價格也是成功的必要因素之一。

便攜醫療領域的各類電子醫療設備要求電子元器件更高的集成度，更小的尺寸以及更低的功耗；高端醫療設備要求更快的速度，更高的精度，更緊湊的高集成度，當然更好的穩定性和安全性以及合理的價格控制已成為共性的需求。

除了傳統的個人醫療電子設備如血壓計、血糖儀等因其技術和市場都已很成熟，從而受到全球消費者的認可外，其他新的技術和應用也將帶動未來的便攜式消費類醫療電子設備市場的發展。例如，針對個人和家庭應用的生命體征信號檢測等。在2013年，值得關注的的變化是在越來越多的傳統的非醫療保健類的消費電子產品中嵌入生命體征信號檢測的功能。

目前，中國本土醫療設備制造商正逐步向中高端高技術附加值的方向開發產品，如高端彩超、多層CT以及高端監護類產品等去擴大國內外的市場份額，我們期望能看到越來越多的接近并達到同行業最高技術水平和產品性能的本土品牌不斷涌現。但我們認為這些成功絕不是技術盲目效仿的結果，而是能夠找到自身的技術優勢和特點，針對特定的細分市場而開發出具有技術和性能競爭優勢的產品。單一的低成本已不再是贏得市場的唯一法寶，其在技術、產品定位和市場策略方面的創新同樣至關重要。當然，我們必須把握開發成本相對較低，項目開發及執行效率較高的優勢，也要迎合市場發展的新需求，例如移動及便攜式的發展，確實擴大新產品的投入，爭取早進入，早引領，并獲得快回報。

醫療設備制造商要想進入市場并在市場上保持長期增長，進而不斷增加市場份額， 通常有兩個方面需要注意：其一是要有核心技術，其二是要有良好的市場策略和營銷渠道。而兩者都要與時俱進，不斷地進行創新。

醫療保健是趨勢

Maxim Integrated戰略市場事業部醫療設備應用總監John DiCristina指出，全球范圍內醫療保健的費用支出很高且在不斷增長。如果能夠使醫療保健系統更接近病患，并最終走入家庭，將有效降低醫療保健成本、提高收益、提升生活質量，這種可預測性醫療保健系統將是發展的趨勢。讓越來越多的人擁有現代化醫療保健產品，因此對便攜性的要求也越來越高。在醫療保健市場，醫療設備聯網越來越普及，數據可以處處共享，安全就成了大問題，醫療設備生產商將更多的注意力轉向安全保護，確保患者隱私、數據的真實性、患者安全以及設備生產商自身保護。

高精度模擬的重要性

高技術硬件（如集成電路，IC）的哪些特征會在不斷變化的醫療市場中取得競爭優勢呢？“在我看來，答案非常簡單，但不很明顯。”Exar高性能模擬產品應用工程副總裁 Craig Swing說。我們生活在一個數字世界，但人類不是數字。人類是模擬生物，我們有5種感官：視覺、聽覺、嗅覺、味覺和觸覺，這才是模擬的核心。數字仿真如視頻、音頻和許多觸摸屏應用程序等許多東西，仍通常需要系統里的某種模擬數字電路（ADC），或數字模擬電路（DAC），才使其工作。這就意味著要采用數字處理中必要的數字電路系統，將模-數電路（ADC）和數-模電路（DAC）以及必要的原本為模擬電路的緩沖或感應放大器集成在一起，去開發未來市場中占據主導地位的專用標準產品（ASSP）。這就是為什么Exar使用最先進的連接、電源、數據壓縮、模擬信號鏈的核心競爭力來開發下一代應用特定標準產品，為我們的客戶開發新一代的醫療設備！

這些ASSP開始與核心放大器、DAC、ADC模擬電路一樣獨立存在。但經過精心規劃，這些細胞可以結合必要的數字電路，使系統工作。這可能聽上去像SoC（片上系統）技術，但其實不是。所以往往SoC開發者專注于數字電路作為系統的中心部分，在我看來，這不會為許多下一代醫療IC贏得未來。為什么？因為人類是模擬的，如果你正確使用模擬，其余的會隨之而來。因此，對于高技術醫療IC，SoC開發和ASSP開發之間是有區別的。SoC開發更關注數字電路，而ASSP開發則更專注于滿足消費者，病人和醫療監督者需求的模擬電路。

需要注意的另外一件事情是，接口模擬人類需求所需要的模擬電路系統既可歸入高頻類，也可分入高精密應用類。高精密應用有時在實現上可使用低成本的數字工藝和電路技術，但這些需要在開發超大規模復雜電路上予以投入，以減輕工藝上所帶來的噪音和電壓不精確等負面影響。因此，要在性能最優和成本最低方面做到優化，通常情況下，純粹的模擬解決方案就可獲得最佳的效果。這可以在集成電路級上實現，有時，如果將數種集成電路技術（模擬和數字）集成到同一個組件之內，也可以在MCM（多芯片模塊）上實現。這對于高頻應用而言同樣正確。通常，這些會涉及到低噪聲、高帶寬放大器。從SoC的觀點來看，在實現上存在難度；但如果從ASSP的角度來看的話，高頻應用的模擬電路是可以開發出來的，因為在此情況下，各種模擬功能變成了使系統為消費者、患者以及醫療機構工作“必須要有”（must have）的電路。

總之，醫療設備與IC硬件都在以加速度擴張來滿足市場需要，Exar致力于提供模擬解決方案，結合數字電路，豐富人類體驗！

可穿戴產品對MCU的挑戰

Silicon Labs公司微控制器產品市場總監Daniel Cooley談到，要創造出能成功地滿足所有這些挑戰的可穿戴計算設備，需要開發人員考慮以下設備特性和功能。

為了以經濟的價格來提供這些產品特性，便攜式醫療設備、健康和健身追蹤器的開發人員必須在設計中將分立式元器件的數量降至最低，以降低系統成本。半導體供應商也承擔了提供功能豐富的嵌入式控制解決方案的任務，要在嚴格的功耗和成本預算內實現性能和可靠性的提升。這些便攜式醫療設備的設計核心正是節能型的微控制器（MCU），如Silicon Labs基于ARM技術的EFM32 Gecko MCU，它在超低供電電流下可帶來優異的處理性能。

像所有的便攜式電池供電設備一樣，個人醫療設備和可穿戴活動監測器需要極致的能效來使電池壽命最大化。一些設備使用可充電電池，而其他的產品則設計為使用高性價比的用戶可置換的鋰離子或AAA電池即可運行數周或數月。例如Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU就是這類電池供電便攜式應用的理想選擇，因為它們在所有能耗模式下都提供行業領先的能效。

易用性也是便攜式醫療/健康追蹤器產品的根本要求，因為它可減少由操作員失誤所致的測量錯誤。這類用戶友好型設備應該要求最簡易的用戶交互，以實現正常的操作、一種簡單化的用戶輸入（例如更少的按鈕和流暢的軟件菜單）和大型容易查看的顯示（如帶背光的大型液晶顯示器）。為了支持這些功能，MCU必須提供現場可編程非易失性存儲器（通常為系統內可編程閃存），以及靈活的I/O配置來充分利用有限的管腳。

個人醫療市場廣泛使用了通用串行總線（USB）接口，來支持標準化的數據和信息傳輸，而不受限于哪家設備制造商。個人醫療設備制造商可從各種各樣的、帶片上USB控制器的8位和32位MCU中選擇，也可考慮各種單芯片、“即插即用”橋接解決方案，它們支持從USB轉接到UART、從USB轉接到SMBus和I2C、甚至從USB轉接到I2S（使終端產品能夠容易地添加音頻功能）。USB橋接極大地簡化了USB在個人醫療設備設計的實現流程。橋接芯片通常用所有必需的USB軟件實現了預編程，消除了開發人員必須具有很深的專業知識來實現復雜的USB規范這一局限。

數據的無線傳輸將使個人醫療、保健和健身應用的連接變得更容易和更方便。RF發射器和接收器與MCU協同一致工作，能為多樣化的便攜式/可穿戴設備應用提供無線連接。此外，無線MCU——如Silicon Labs基于ARM的 Ember ZigBee SoC這樣的單芯片器件，集成了一個MCU內核并帶一個RF收發器——現在就能廣泛地提供給醫療/健康追蹤器的開發人員。無論使用何種連接方式或系統架構，通信協議棧在MCU中將需要更多的代碼空間。因此，在更小占位面積的器件中具有更大的內存將是日益增長的需求。

助聽器剛剛興起

安森美半導體消費類健康產品線高級經理Jakob Nielsen說，對于中國本土企業的特點，以助聽器為例，當前中國市場對聽力方案的需求剛剛興起（例如為數眾多的較小公司目前正推廣多種多樣的助聽器方案，同時也在開發具有更多功能及優勢的下一代助聽器）。此外，有些公司專注于因應人工耳蝸需求，這些人工耳蝸通常旨在用于患有嚴重聽力障礙的兒童。中國本土的助聽器制造商可以采用像安森美半導體這樣領先半導體供應商提供的先進預配置DSP系統，快速地從設計轉向生產，加快產品上市，在市場競爭中占有利位置。

嚴苛環境對連接器的挑戰

為鄉村診所制造醫療電子診斷和監控設備的設計工程師面對開發用于嚴苛環境中的產品的挑戰，比如極端的溫度和非傳統震動、振動。這些情況通常在醫院設置環境中并不存在。

在設計耐受嚴苛條件的設備時，醫療系統互連產品的選擇是一個關鍵的考慮事項。領先的互連產品制造商采取的一個方法是堆疊具有極低側高（0.7mm高）的PCB板對板連接器，具有窄的占位面積（2.5mm寬），這樣的互連產品通常具有高保持力、雙觸點系統，提供強大的電氣信號完整性鎖定。

領先的互連產品供應商提供的堆疊連接器材料是額定溫度高達260℃的高溫LCP塑料，并且鍍有閃亮的金層（最小4μ”），這是用于嚴苛環境的最好的信號觸點鍍層材料。另一個關鍵的互連特性是小間距，范圍為 0.2mm。

由于醫療設備設計人員需要在更薄、更小的空間中裝入越來越多的功能，具備這些特性的連接器至關重要，因而連接器密度和熱管理成為挑戰。

與傳統的沖壓成型連接器相比，微機電系統（MEMS）技術正在幫助減少60%的空間需求，微型柔性板對板（flex-to-board）和板對板應用中的MEMS技術已經經過測試，可以耐受最高60G震動/振動。此外，這項技術能夠提供最高5A的連接電流，實現低功率。當處于嚴苛應用中時，這些特性可讓醫療設備運行良好。

醫療電子的三個變化及挑戰

風河智能系統部門總經理Santhosh Nair 稱，相對于席卷全球的物聯網大潮，醫療電子領域對這種技術似乎有點滯后。值得欣慰的是，這個情況已經開始改觀了。這主要體現在以下幾個方面：第一，移動健康的概念和相關產品開始引起人們的關注；第二，隨著BYOD（Bring Your Own Device，自帶設備）在各個領域的興起，有些醫院也開始接受一些患者把個人平常在家使用的健康護理設備帶入醫院來使用；第三，醫療設備開始呈現集中化（Consolidation）的跡象，以便節省空間和能耗。

醫療電子領域接納物聯網概念之所以相對滯后，也是有其客觀原因的。這些原因依然是必須逾越的挑戰。

第一大挑戰就是基礎設施的更新。盡管無線網絡覆蓋率越來越高，電子產品越來越普及，但與之配套的醫療環境基礎設施仍然是傳統上比較老舊的。大多數廠商都比較熱衷于人們直接看到的終端醫療設備的研發制造，對于處于后臺的基礎設施方面的投資熱情還不高。

第二大挑戰是產品整個生命周期的成本仍然難以管理控制。醫療影像設備、血液透析機、心臟除顫器等設備每年都有很大的采購量，但這些設備的更新換代卻很慢，有些型號十幾年都沒有換，因為法規非常嚴格，而制造商也不愿意冒風險去改變任何功能，更別說利用軟件來實現設備的更新換代了！這跟一般消費電子產品幾個月就換代的周期相比是極大的反差。

第三大挑戰是信任度問題。醫療行業對電子系統的信任度相對滯后。其實，能源、航空等重要領域也是如此。相比之下，銀行業就走得比較靠前，ATM早就十分普及了，許多業務都可以在網上辦理。面對面的金融服務已經過度到比較復雜的理財業務了。

你可以想象，不論是醫務人員還是患者，她們日常生活都習慣了使用智能手機、平板電腦，在醫院或者健康護理的時候卻不得不使用款式老舊的醫療設備，那種反差是多么明顯。大家一定都希望醫療設備也可以盡快跟上時代的進步。

對中國本土企業來說，中國已經是全球制造大國，說明中國是有能力開發和制造出讓全世界滿意的設備，當然包括醫療設備。中國要把已有的競爭優勢發揮出來，就必須補上自己的\"短板\"，這就是從產品設計到制造都遵循國際標準與規范。盡快獲得國際規范認證，是中國醫療設備提升并進入國際市場的敲門磚。

部分廠商的產品和方案

ADI

AD8232：單導聯心率監護模擬前端

ADI針對各類生命體征監護應用推出了一款低功耗、單導聯、心率監護儀模擬前端（AFE） AD8232，專為滿足新興的健身設備、便攜式/佩戴式監控設備和遠程健康監護設備的ECG信號調理要求而設計。AD8232 AFE將健身和醫療監護的價值和性能提升到一個新的水平。中衛萊康科技發展有限公司基于ADI單導聯心率監護儀模擬前端AD8232設計實現的主打產品：“心博士”遠程心電監測儀，目前該產品已具備實時心電監測和血壓、血糖、血脂和運動數據上傳及管理功能。

Maxim

就可穿戴醫療部分，Maxim的體征監測服（FIT shirt）代表了未來醫療保健的一個發展趨勢。該體征監測服能夠以三導聯心電圖方式監測心電信號；此外還集成加速計，能夠監測活動量，報告脈搏速率；內部還包含溫度傳感器，能夠監測體溫。所有監測數據通過藍牙上傳到智能手機，這就是第一代體征監測服。現在正在研發第二代體征監測服，將包含更多的Maxim產品：將使用Maxim自己的加速計、自己的藍牙RF芯片，還將在產品內增加安全功能。Maxim不僅會增加藍牙無線接口，還會增加近場通信接口。

村田MEMS傳感器創“主動智能生活”概念

智能醫療領域，村田的MEMS設計和制造技術造就了體積小，功耗低的性能，這使村田在內置式醫療領域占有領先地位。

“主動安全檢測”是村田在醫療領域不得不提的一個主張。突發性疾病，如心臟病，往往給治療帶來了被動性，即使是在病房里，從病情發生到處理，這之間的滯后性也可能隨時為生命安全直接造成威脅。因此，在臨床上，我們更需要提前對各種突發性的疾病進行早起預防。例如借助心臟沖擊掃描：村田高精度的MEMS加速度傳感器，可通過感知人體的心跳引起的機械振動為醫生快速精確地提供患者的心率，每博輸出量，呼吸率，心率變異性等指標。這針對心臟瓣膜病，冠心病等的早期檢測，能提供重要的參考數據。再比如高風險的植入式心臟起搏器的應用，通過村田獨有的3D傳感器技術，實現了對于患者人體運動狀態的檢測并動態調整搏動輸出量。換言之，傳統的心臟起搏器，通過每分鐘固定輸出一個搏動量來支持心臟病患者的心臟搏動需求。但通過村田的MEMS加速度傳感器，可以感知患者的不同運動狀態諸如奔跑，上下樓梯，睡眠，下蹲等，進而根據這些運動狀態所需要的心臟搏動能力，動態調整每分鐘的輸出量。此外，村田還有能夠在手術以及治療過程中更靈活方便地調節角度變化以及捕捉動態影像的傾角傳感器，以及用于眼壓監測、腦壓監測等領域的元器件。

安森美

安森美半導體的可穿戴醫療設備研發活動著重于三類關鍵領域：聽力健康、病人監測及疼痛管理。這些領域的特征是需要小巧、可穿戴、采用電池供電的設備，都包含兩項關鍵技術特征：超低電平的信號感測、信號處理及控制。

在助聽器領域，安森美提供公開可編程的DSP方案及預配置DSP系統，這兩種方案的特征包括領先業界的性能參數，如24位高精度計算及超高音頻保真度。安森美的可編程DSP方案可使客戶能夠使用全集成開發環境，應用他們自己獨特的音頻處理算法。

風河

風河已經推出了自己的物聯網軟件平臺--Wind River Intelligent Device Platform （IDP）。

IDP定位于物聯網中設備的中樞（ Gateways and Hubs），提供互連性、可管理性和安全性等智能設備必備的功能特性，讓包括醫療設備在內的各類產品開發商可以快速推出自己的應用解決方案。

物聯網在醫療電子設備領域起步相對較晚，原因之一是這個領域擁有大量積累的現有設備不具備上網能力，更談不上智能化。GE公司提出了一個很好的概念--1% 的力量，就是給傳統醫療設備增加網絡和智能化功能，只要原有設備價值的1%，就可以釋放出巨大的潛力。風河公司的IDP（Intelligent Device Platform）可以承擔起智能網絡中樞的作用，成為傳統孤立設備進入網絡世界的橋梁。