高性能模擬技術如何為智慧醫(yī)療發(fā)展提供“芯”動力？

ADI公司

一、前言

隨著中國政府在2019年政府工作報告首次提出“智能+”，業(yè)界預測諸多傳統(tǒng)產業(yè)智能化升級的步伐將大大加快。而對于普通民眾來說，“智能+”與醫(yī)療產業(yè)緊密結合的智慧醫(yī)療服務無疑與日常生活最為息息相關。

事實上，根據(jù)全球人工智能專業(yè)調研機構Tractica的預測，全球醫(yī)療人工智能市場在2025年將超過340億美元[1]。另一組數(shù)據(jù)也顯示了智能醫(yī)療在中國的迅猛發(fā)展態(tài)勢——人工智能醫(yī)療市場規(guī)模從2016年的96.61億元、2017的136.5億元飆升至2018年的204億元，保持了40%以上的復合年增長率[2]。

全球高性能模擬技術提供商ADI中國區(qū)總裁Jerry Fan指出，人工智能應用在中國最有可能發(fā)展起來的領域是醫(yī)療保健，一方面是中產階級醫(yī)療保健需求的崛起，另一方面是遠程醫(yī)療。他認為中國的醫(yī)療資源的分配非常不平衡，需要遠程醫(yī)療這樣的方式將集中在一線城市的醫(yī)療資源輸送到偏遠地區(qū)。此外，中國龐大的人口基數(shù)以及老齡化的社會現(xiàn)狀對醫(yī)療保健資源有著迫切需求。

二、醫(yī)療智能+時代，模擬技術扮演數(shù)字化賦能關鍵先生

人工智能帶來的潛在增長也引起半導體企業(yè)的關注，ADI就將醫(yī)療的數(shù)字化作為其多元化核心戰(zhàn)略之一，與汽車無人駕駛、5G、能源、工業(yè)自動化一起作為ADI的五大核心戰(zhàn)略。事實上，根據(jù)《2018世界人工智能產業(yè)發(fā)展藍皮書》[3]，中國AI企業(yè)所涉及的領域包括醫(yī)療健康、金融、商業(yè)、教育和安防等，其中醫(yī)療健康領域最多，占22%。AI在醫(yī)療健康領域中主要的應用方向為醫(yī)學影像、輔助診斷、藥物研發(fā)、健康管理和疾病預測。

據(jù)相關調研機構報告顯示[4]，未來十年，醫(yī)療健康行業(yè)的創(chuàng)業(yè)投資也將迎來自己的黃金時代。中國作為世界人口大國，醫(yī)療資源分配不均、城鄉(xiāng)醫(yī)療服務水平懸殊等問題也在進一步推動著眾多醫(yī)療機構走向智能化、信息化。

智能化時代，模擬技術正在扮演積極的關鍵角色。表1為福布斯首次發(fā)布的全球數(shù)字經濟100強榜單（Digital 100）[5]，其中，以高性能模擬技術見長的ADI榮登榜單，并作為前十名中僅有的兩家半導體技術提供商之一，排在第7位。

究其原因在于，隨著智能化在醫(yī)療領域需求的不斷滲透，基于各種高性能傳感器的模擬信號鏈產品在醫(yī)療智能化浪潮中發(fā)揮著越來越關鍵的作用，模擬技術迎來了更為廣闊的發(fā)展空間。同時，隨著數(shù)字技術的進步，對高精度、高速度、低功耗模擬產品的需求不斷擴大，而模擬產品在很大程度上決定了當今數(shù)字設備的性能。云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等產業(yè)的發(fā)展正在促進醫(yī)療智能化的落地。在以計算力為核心的數(shù)字經濟時代，模擬技術和器件發(fā)揮著不可或缺的作用，起到了連接真實世界與數(shù)字世界的關鍵橋梁作用。這也是ADI能夠入選數(shù)字經濟排行榜單的原因。

表1 福布斯全球數(shù)字經濟100強榜單前十位入選企業(yè)

三、從移動醫(yī)療到智慧醫(yī)療，高精度、低功耗數(shù)據(jù)采集是關鍵

在2019年1月召開的國際消費電子展（CES2019）上，ADI演示了生命體征監(jiān)測手表如何基于多傳感器平臺提供復雜的生命體征測量解決方案，以及用于各種生物醫(yī)學解決方案的算法。典型應用是健康管理和家庭護理。簡而言之，ADI將全部所需的傳感器和前端都集成到一個電池供電的可變平臺中，以幫助客戶提取重要的人體健康數(shù)據(jù)，并與ADI公司一系列解決方案相關聯(lián)。

這個演示手表demo基于ADI公司的傳感器、模擬前端和微處理器，利用傳感器ADPD1081進行心率連續(xù)監(jiān)測，使用加速度計ADXL362監(jiān)測運動和活動，使用高精度生物電位/電化學前端AD5940測量皮膚電活動和身體成分，使用低噪聲心率監(jiān)護儀AD8233測量心電圖，使用熱敏電阻測量皮膚溫度。手表內部存儲器中可同時存儲多個參數(shù)數(shù)據(jù)，供日后進行數(shù)據(jù)檢索和離線分析，手表的配置、存儲和保留數(shù)據(jù)利用Windows桌面VSM列表進行監(jiān)測。

基于移動互聯(lián)網和物聯(lián)網技術的智慧醫(yī)療設備發(fā)展，可以預見的是大規(guī)模物聯(lián)網涉及醫(yī)療物聯(lián)網（IoMT）生態(tài)系統(tǒng)，將包含數(shù)以百萬計甚至數(shù)十億的低能耗、高性能醫(yī)療健康監(jiān)測設備、臨床可穿戴設備和遠程傳感器。醫(yī)生依靠這些儀器，能實時不斷地采集病人的數(shù)據(jù)指標，如生命體征、身體活動等信息，有效地管理或調整治療方案。此外，普通人也可以利用IoMT設備來幫助檢測自己的飲食和健身狀況，預防疾病的發(fā)生。

事實上，諸多行業(yè)巨頭近幾年也加快了在這一領域及健康醫(yī)療數(shù)據(jù)平臺的布局，例如蘋果的可穿戴設備Apple Watch與健康數(shù)據(jù)平臺Health Kit、谷歌的Google Fit等。而在國內，隨著“互聯(lián)網+醫(yī)療”深入推進信息化，以及“健康中國”建設的全面提速，可穿戴便攜移動醫(yī)療設備同樣掀起高潮，其關注度、需求度都在不斷提升，有望步入新一輪快速發(fā)展期。圖2所示為可穿戴設備成為人工智能的關鍵環(huán)節(jié)。

不同于專業(yè)級醫(yī)療設備偏重高精度、高質量的追求，移動醫(yī)療設備還要兼顧實用性，將小型化、低成本等場景化因素考慮進去，這些都是 ADI 醫(yī)療電子創(chuàng)新整體解決方案最能發(fā)揮優(yōu)勢的用武之地。ADuCM350是ADI用于支持多種便攜式醫(yī)療保健應用的高精度、低功耗片上計量儀，已在國內國外的幾家代表性大客戶中取得里程碑式的進展；在運動檢測的相關領域，ADI突破性的超低功耗3軸數(shù)字MEMS產品ADXL362在運動檢測喚醒模式下功耗僅為300nA，其超低功耗的特征正是可穿戴運動監(jiān)測設備的理想解決方案；ADI低功耗、單導聯(lián)的心率監(jiān)護儀模擬前端AD8232，以及最新的AD8233（圖3），專為滿足新興的健身設備、便攜式/佩戴式監(jiān)控設備和遠程健康監(jiān)護設備的ECG信號調理要求而設計。

作為大健康產業(yè)的一部分，小型便攜式、智能化的醫(yī)用設備、健康管理設備在智慧醫(yī)療的帶動下蓬勃發(fā)展，尤其以運動、心律、血壓、血糖、睡眠等監(jiān)測為主的各類醫(yī)療設備較前幾年有了成熟發(fā)展，結合手機App產品的移動應用不但提高了此類設備的銷售量，還積累了海量的生活化數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)服務類產業(yè)逐漸增多。此外，慢性病管理需求日益增多，在監(jiān)測手段和方法上催生了新的產品形態(tài)和相應的技術革新要求。

四、高性能模擬技術加碼智慧醫(yī)學影像，開啟高分辨率圖像診斷時代

業(yè)界普遍認為智能影像診斷是“人工智能+醫(yī)療”較快落地的應用領域，特別是基于醫(yī)學影像的智能識別是適合AI技術發(fā)揮其所長的醫(yī)學應用領域，目前全球該領域的創(chuàng)業(yè)公司達1000多家。

1895年Wilhelm Conrad R?tgen發(fā)現(xiàn)X射線為醫(yī)療成像領域奠定了基礎，也讓他獲得了第一個諾貝爾物理學獎，自那以后X射線技術已經發(fā)展成為一門廣泛的科學學科。盡管走到人工智能的今天，現(xiàn)代醫(yī)療成像系統(tǒng)已經運用完全不同的物理原理和處理技術，但都有一個共同點：采用模擬數(shù)據(jù)采集前端進行信號調理，并將原始成像數(shù)據(jù)轉換到數(shù)字域。同樣的，盡管今天智能影像識別涉及醫(yī)學圖像分割、圖像配準、圖像融合、圖像壓縮、圖像重建等多個領域，而其中最本源的還是數(shù)字圖像采集——高性能、高分辨率的醫(yī)療影像采集成像依然是實現(xiàn)人工智能的關鍵源。“高精度、高集成度的模擬前端，為數(shù)字平板X-光機、CT、高端彩色超聲設備等高質量醫(yī)學圖像的智能診斷提供了可靠保證。”俞毅剛指出。

例如，ADI推出的最新一代ADAS1135（圖4）為256通道、24位電流數(shù)字轉換器模塊，作為業(yè)內首款 256 通道、24 位電流數(shù)字轉換器模塊適于多通道、小電流采集數(shù)據(jù)的醫(yī)療CT（計算機斷層）、工業(yè)和安檢掃描儀，及光電二極管傳感器應用。同時，ADI還推出了可用于醫(yī)療、工業(yè)和安保CT掃描儀數(shù)據(jù)采集的128通道多版本ADAS1134。

具有單芯片集成256通道、16位分辨率、22μs線路掃描速度等性能的ADAS1256 COF（Chip-On-Flex）（圖5）解決方案也必須一提。由于功耗與噪聲不能同時達到最低的要求，所以功耗模式的切換功能就能使得用戶自行選擇適應當時需求的最佳功耗和噪聲模式，為此該芯片還提供了9種功耗模式。此外，對于病人來說，除了關心診斷準確性外，隨著健康意識的加強越來越關心診斷過程的輻射劑量。因為在做各種檢查時，X射線對病人本身也會造成傷害。對于這點，ADAS1256 COF解決方案降低探測器本身的噪聲，所以在X射線劑量很少時，低噪聲的探測器也能夠接收并清晰呈現(xiàn)圖像。ADI最近又推出了新一代更高掃描速度、更低噪聲、更低功耗的新一代解決方案ADAS1258。

數(shù)字采樣模擬前端這個微小的功能模塊雖然深藏于復雜機器內部，但其性能卻會對整個系統(tǒng)的最終圖像質量產生至關重要的影響。它的信號鏈包括一個檢測元件、一個低噪聲放大器（LNA）、一個濾波器和一個模數(shù)轉換器（ADC）。在醫(yī)療成像領域的電子設計中，數(shù)據(jù)轉換器的動態(tài)范圍、分辨率、精度、線性度和噪聲要求帶來了最嚴苛的挑戰(zhàn)。

五、貫穿大健康生態(tài)全產業(yè)鏈，共同推動智慧醫(yī)療行業(yè)發(fā)展

ADI的技術與產品貫穿了大健康全產業(yè)鏈，包括預防、診斷、治療以及管理階段，ADI也非常看好醫(yī)療電子領域的技術前景，將持續(xù)關注并積極投資相關技術和產品開發(fā)。ADI醫(yī)療業(yè)務團隊也有生物醫(yī)學方面的專家，能夠幫助整個團隊提供更契合于實際用戶的解決方案。據(jù)悉，ADI本地還有對醫(yī)療行規(guī)有深入理解的技術專家，會與客戶共同完成相關醫(yī)療標準規(guī)范中性能及可靠性方面的設計挑戰(zhàn)。

ADI希望通過不斷投入，和客戶一起幫助最終的患者和醫(yī)生解決他們面臨的實際問題，開創(chuàng)性地在業(yè)務模式和產品應用形態(tài)等方面突破已有邊界。同時，ADI也將以更開放的心態(tài)與全生態(tài)鏈合作伙伴通力合作，共同推動中國醫(yī)療行業(yè)技術發(fā)展，助力早日實現(xiàn)人民健康長壽的“健康中國”目標。

公司簡介

Analog Devices, Inc. 是全球領先的高性能模擬技術公司，致力于解決最棘手的工程設計難題。我們使客戶能夠利用無與倫比的技術進行檢測、測量、供電、連接和解譯，智能地在現(xiàn)實和數(shù)字領域之間架起橋梁，從而了解我們周圍的世界。

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