醫(yī)療電子：讓關(guān)愛與科技共同延伸

李　健

摘要：本文通過匯集各方信息，對醫(yī)療半導(dǎo)體的技術(shù)需求和市場發(fā)展空間進(jìn)行了深入的探討，并提出未來醫(yī)療電子市場對半導(dǎo)體產(chǎn)品的發(fā)展需求。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療電子；半導(dǎo)體；信息采集；信息處理

區(qū)別于任何一項電子技術(shù)，醫(yī)療電子是一個全社會共同關(guān)注的話題。IBM最新的廣告宣傳稱，未來30％的數(shù)據(jù)容量來自于醫(yī)療信息。而IDC預(yù)計，到2011年世界上將產(chǎn)生1800,000,000TB數(shù)據(jù)，也就是1.8ZB，這其中的30％意味著每年產(chǎn)生的醫(yī)療信息將超過5ZB的容量，如何搜集和處理這些數(shù)據(jù)，無疑是未來醫(yī)療電子產(chǎn)品必須考慮的問題。

關(guān)愛如何延伸

如此大的醫(yī)療信息規(guī)模無疑催生著醫(yī)療電子市場的升溫，并且在這個經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響整個行業(yè)的特殊時期廣受半導(dǎo)體廠商關(guān)注，如果IBM的預(yù)言屬實，醫(yī)療電子甚至有潛質(zhì)超越通信和PC成為半導(dǎo)體最大的應(yīng)用領(lǐng)域。全球醫(yī)療電子市場的熱鬧，一方面得益于電子技術(shù)的進(jìn)步，另一方面受到以下一些社會變革所影響：(1)人口老齡化，世界老年人口比例從20年前的11％增加到2007年的20％。(2)人們生活水平提高帶來的對健康的關(guān)注度提升，人們對于增進(jìn)健康照顧的期望持續(xù)增加。(3)保險公司和雇主在醫(yī)療開銷的支付和保險范圍逐漸消減，但受保人或病患需繳納的醫(yī)療保健費用卻日益增加。(4)科技的進(jìn)步讓一些輕微的疾病可在家庭內(nèi)部進(jìn)行早期分析、預(yù)防與治療，遠(yuǎn)比去醫(yī)院便捷廉價。

隨著客觀環(huán)境的演變與人們保健觀念的變革，醫(yī)療電子將呈現(xiàn)以下幾種發(fā)展趨勢。

首先，原來只有在大醫(yī)院使用的大型醫(yī)療設(shè)備將呈現(xiàn)小型化、低成本化以及更便于使用等發(fā)展趨勢，以適應(yīng)基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)建設(shè)的需求。另一方面，大型設(shè)備正在向更高的性能發(fā)展，通道密度和速度更高，這不僅有助于更好地進(jìn)行診斷，還能提高設(shè)備的使用效率，既給醫(yī)院帶來經(jīng)濟(jì)效益又樹立了良好的形象。由于消費者對醫(yī)療保健服務(wù)有了更高的需求，對于替代2D單色圖像設(shè)備的高分辨率和3D成像應(yīng)用的需要將更為強(qiáng)烈。

其次、為了適應(yīng)醫(yī)療體系的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，互聯(lián)的數(shù)據(jù)平臺變得非常重要。數(shù)據(jù)平臺涉及對兩項技術(shù)的要求：通信和數(shù)據(jù)格式。只有建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)療設(shè)備之間以及與其他信息源之間才能實現(xiàn)互操作。在這方面，業(yè)界成立了一個名為Continua Health Alliance的產(chǎn)業(yè)組織，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)選擇、互用性指南的編寫等工作。此外，隨著醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，很多原來被認(rèn)為是醫(yī)療行業(yè)邊緣產(chǎn)業(yè)的例如與家用保健系統(tǒng)相關(guān)的保險業(yè)也將越來越多的參與到醫(yī)療事業(yè)的建設(shè)中來。但是，由于目前尚未實現(xiàn)廣泛的互操作性，因此對于醫(yī)療體系及信息技術(shù)行業(yè)而言，這是一項新興的發(fā)展目標(biāo)。

再次，隨著人口老齡化問題的加劇，家用監(jiān)護(hù)式的應(yīng)用也是一個發(fā)展趨勢。除了現(xiàn)在已經(jīng)有較多應(yīng)用的家用血糖、血壓檢測外，預(yù)計未來心電圖等設(shè)備也將走入家庭，這會有更多的參與者進(jìn)來，也會開拓出不同的業(yè)務(wù)模式。特別是測量血糖、血壓等的便攜式設(shè)備，能夠在家中方便地提供健康監(jiān)測并提供預(yù)防性措施。這將會導(dǎo)致對低功耗低成本便攜醫(yī)療電子設(shè)備的強(qiáng)勁需求。

最后，在全球市場，科學(xué)家和商業(yè)企業(yè)近年來在生物醫(yī)療領(lǐng)域投入巨資，這也是高性能高可靠性醫(yī)療電子設(shè)備增長的另一個應(yīng)用領(lǐng)域。Maxim醫(yī)療電子市場總監(jiān)Tohn Di Cristina強(qiáng)調(diào)，醫(yī)療設(shè)備研發(fā)的趨勢是逐步“接近”病人，主要表現(xiàn)在兩個方面：一個是診斷測試設(shè)備從臨床實驗室進(jìn)入醫(yī)生辦公室或病床邊；另一方面是家庭監(jiān)護(hù)設(shè)備的普及。這一發(fā)展趨勢能夠為病人帶來諸多好處，不僅改善醫(yī)院的服務(wù)質(zhì)量、減少病人花費；而且，醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器進(jìn)入家庭，病人足不出戶即可了解自己的健康狀況，無需頻繁地出入醫(yī)院。為了滿足這些需求，需要減小設(shè)備尺寸，有些情況下還要求設(shè)備具有便攜性，此外，還需要具備連接或數(shù)據(jù)傳輸功能，將患者的數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)生保健中心。

科技如何應(yīng)對

醫(yī)療設(shè)備正在給家庭醫(yī)療保健市場帶來一場革命，使人們不必離開住處就可以診斷各種健康狀況。對于家用醫(yī)療設(shè)備，主要的挑戰(zhàn)包括：尺寸(便于攜帶)、功耗(電池使用時間更長)、易用性(智能設(shè)備)、網(wǎng)絡(luò)(由?？漆t(yī)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等)和成本(對于終端用戶來說價格可接受)。技術(shù)進(jìn)步使便攜式自助醫(yī)療保健系統(tǒng)得以實現(xiàn)，這類系統(tǒng)幫助人們監(jiān)測諸如血壓、血糖和體溫等生命體征。家庭醫(yī)療監(jiān)察和監(jiān)測系統(tǒng)使人們能夠控制自己的健康狀況，不過這些醫(yī)療設(shè)備必須在最重要的時刻快速、高效地工作。隨著便攜式醫(yī)療傳感器的發(fā)展，就非侵入式護(hù)理而言，更長的電池壽命和更小的外形尺寸變得更關(guān)鍵了。需要小的解決方案尺寸和低功耗的醫(yī)療設(shè)備的例子包括：血液分析系統(tǒng)、脈動血氧計、數(shù)字x射線和數(shù)字體溫計等。

為幫助系統(tǒng)制造商克服這些挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體制造企業(yè)需要在以下方面幫助他們解決這些挑戰(zhàn)：信號調(diào)理產(chǎn)品，如放大器／轉(zhuǎn)換器／處理器(包括集成解決方案)；電源解決方案：有線／無線通信解決方案(藍(lán)牙、SIM收發(fā)器等)。所有這些都非常關(guān)鍵。為提供這些解決方案，半導(dǎo)體制造商需要建立強(qiáng)的核心技術(shù)，而且還需要具有良好的系統(tǒng)理解能力，因為這有助于他們設(shè)計出滿足市場需求的產(chǎn)品。

半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展迅速，其工藝技術(shù)不斷更新。然而，新技術(shù)投資越來越昂貴，特別是從90nm到65nm，再到45nm／40nm。由此帶來的挑戰(zhàn)是保持成本足夠低的情況下為醫(yī)療電子行業(yè)提供新技術(shù)。面對以更低成本提供更高性能的壓力，醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)商希望供應(yīng)商能夠充分理解其要求并提供支持IP重用的平臺。這將可以降低開發(fā)風(fēng)險和投資成本并縮短開發(fā)周期，從而加快產(chǎn)品開發(fā)過程。賽靈思公司亞太區(qū)市場及應(yīng)用總監(jiān)張宇清認(rèn)為，內(nèi)嵌處理器的FPGA非常合適作為醫(yī)療電子系統(tǒng)中的高度整合的一體化系統(tǒng)核心。例如賽靈思的Virtex-5 FXT平臺提供兩個業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的PowerPC 440處理器模塊，加上高性能DSP和高速SesDes，對于需要高分辨率圖像處理、高性能數(shù)據(jù)分析、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備開發(fā)非常理想，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)療系統(tǒng)中，包括PCI express接口、SATA接口，以太網(wǎng)接口：高速數(shù)據(jù)緩存和高速查表：高性能濾波器、Beamforming(波束)、FFT和其他核心算法；ADC／DAC接口和各種復(fù)雜控制；圖像處理和顯示。低成本FPGA例如Spartan-3／3A／3E／3AN系列，以及CeolRunner CPLD產(chǎn)品更是廣泛地用在所有醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，包含便攜式的醫(yī)療設(shè)備，例如便攜超聲設(shè)備和各種手持終端。采用賽靈思FPGA，開發(fā)人員還可以集成自己開發(fā)的專用IP。

有些醫(yī)療測量需要模擬電路連

續(xù)運行，每秒鐘有成千上萬、甚至成百萬個讀數(shù)。還有些應(yīng)用每天僅需要一個讀數(shù)。就這些非經(jīng)常性的測試而言，模擬電路只須加一次電，進(jìn)行測量，然后在一天的其余時間里處于空閑狀態(tài)。運行在低功率“休眠”模式。IC必須提供低功率休眠或打盹模式，以在休眠時實現(xiàn)低功耗運行。

Maxim Tohn Di Cristina介紹，家庭監(jiān)護(hù)設(shè)備通常采用電池供電，用于這類醫(yī)療儀器的IC需要具備低功耗、小尺寸和高集成度。對醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)IC的要求是成像處理的通道數(shù)越來越多，性能的提高需要占用更寬的頻帶，而另一方面還需考慮系統(tǒng)功耗的限制，這為便攜式醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計帶來了巨大挑戰(zhàn)。為此，Maxim根據(jù)用戶的特定要求提供小尺寸、低成本、高性能(低噪聲、寬帶等)解決方案，針對個人便攜式監(jiān)護(hù)產(chǎn)品提供完備的模擬前端：對于超聲成像設(shè)備，提供高度集成并具有優(yōu)異性能的低功耗模擬接收器件以及用于發(fā)送通道的高壓產(chǎn)品，另外，根據(jù)用戶要求，Maxim還將推出診斷、監(jiān)控IC，不斷提升用戶最終產(chǎn)品的使用價值。

醫(yī)療設(shè)備的一個大問題是，它們的設(shè)計和開發(fā)可能常常花費數(shù)年時間，用大量時間進(jìn)行臨床試驗和辦理審批手續(xù)。醫(yī)療設(shè)備制造商必須確保他們設(shè)計中使用的產(chǎn)品能得到IC制造商的無限期支持，因為任何設(shè)計更改可能都需要重新取得合格證、導(dǎo)致產(chǎn)品推遲交付并極大地增加成本。IC的可靠性當(dāng)然是極為重要的，但是，同樣重要的是，能夠可靠地供應(yīng)產(chǎn)品。關(guān)于產(chǎn)品淘汰，凌力爾特(Linear)混合信號產(chǎn)品產(chǎn)品市場經(jīng)理Alison Steer介紹，該公司有一個非常穩(wěn)定的策略，盡自己所能做每一件事情，以持續(xù)支持已投產(chǎn)器件。諸如核磁其振成像(MRI)和數(shù)字x射線成像等診斷成像系統(tǒng)在成像方面不斷取得顯著進(jìn)步，使得放射診斷的準(zhǔn)確度不斷改進(jìn)。高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)位于這些接收器系統(tǒng)的核心部位，它們的性能決定了最大可實現(xiàn)的分辨率。高分辨率ADC提供更高的對比度，可為用戶產(chǎn)生詳細(xì)的圖像。Linear雙通道高速ADC系列提供業(yè)界最低的通道至通道串?dāng)_(-110dB)，被用來提高電動外科工具等精密醫(yī)療設(shè)備的冗余度。

另一個未來的趨勢是，就貴重的醫(yī)療設(shè)備而言，便攜性是在醫(yī)院環(huán)境中提高效率、降低庫存成本的必要條件。現(xiàn)在，以太網(wǎng)供電(PoE)正在給便攜式設(shè)備帶來很多好處、因為以太網(wǎng)供電在單對雙絞電纜(通常為CATS)上同時傳送數(shù)據(jù)和提供電力，從而最大限度地減少了雜亂無毒的電纜，并使設(shè)備易于搬遷。因為CATS供貨穩(wěn)定，而且不需要電工安裝，配線安裝也不昂貴，因此使得搬遷設(shè)備很容易，維護(hù)和檢修也很方便。此外，PoE能夠非常容易地為遠(yuǎn)程地點供電和管理遠(yuǎn)程地點，同時，通過將電池放置在同一個地點集中控制，可以經(jīng)濟(jì)地提供備用電源。設(shè)備電源可以遠(yuǎn)程循環(huán)，以加載固件或復(fù)位設(shè)備。

最容易忽視的是，醫(yī)療設(shè)備具有其獨特的要求。除了更長的壽命周期和更嚴(yán)格的可靠性外，還要符合許多特殊標(biāo)準(zhǔn)，諸如IEC60601－1和IEC60601－2(如電流隔離)。據(jù)ADI公司亞太醫(yī)療事業(yè)資深業(yè)務(wù)經(jīng)理周文勝介紹，ADI在滿足醫(yī)療應(yīng)用的產(chǎn)品長壽命周期上具有長期的傳統(tǒng)和清晰的策略，采用非常嚴(yán)格的質(zhì)量控制過程來實現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性。對于如IEC60601－1標(biāo)準(zhǔn)要求的電流隔離這樣的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，ADI開發(fā)出了iCoupler系列產(chǎn)品來對數(shù)字信號或電源進(jìn)行隔離。最新的產(chǎn)品是全球首款單封裝USB隔離器ADμM4160，它可以實現(xiàn)病人與設(shè)備之間的隔離。ADI在一年多以前成立了醫(yī)療團(tuán)隊、推動醫(yī)療電子業(yè)務(wù)的發(fā)展。一方面繼續(xù)加大通用器件的投資，提高器件的精度，滿足醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展需求：同時也對隔離芯片和MEMS等前沿技術(shù)進(jìn)行投入，滿足未來醫(yī)療電子設(shè)備的需求。另一方面，提供更高集成度的方案。如針對CW(連續(xù)波)和PW(脈沖波)多普勒超聲推出了八通道超聲接收器AD9276和AD9277，在單個芯片中集成了CW多普勒信號處理的增益、濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和解調(diào)功能的芯片，以滿足從日常產(chǎn)前保健到高級心臟成像等越來越復(fù)雜的診斷要求。