高性能模擬技術(shù)如何為智慧醫(yī)療發(fā)展提供“芯”動(dòng)力？

ADI公司

一、前言

隨著中國政府在2019年政府工作報(bào)告首次提出“智能+”，業(yè)界預(yù)測諸多傳統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合的智慧醫(yī)療服務(wù)無疑與日常生活最為息息相關(guān)。

事實(shí)上，根據(jù)全球人工智能專業(yè)調(diào)研機(jī)構(gòu)Tractica的預(yù)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(fù)合年增長率[2]。

全球高性能模擬技術(shù)提供商ADI中國區(qū)總裁Jerry Fan指出，人工智能應(yīng)用在中國最有可能發(fā)展起來的領(lǐng)域是醫(yī)療保健，一方面是中產(chǎn)階級醫(yī)療保健需求的崛起，另一方面是遠(yuǎn)程醫(yī)療。他認(rèn)為中國的醫(yī)療資源的分配非常不平衡，需要遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)代，模擬技術(shù)扮演數(shù)字化賦能關(guān)鍵先生

人工智能帶來的潛在增長也引起半導(dǎo)體企業(yè)的關(guān)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(dòng)化一起作為ADI的五大核心戰(zhàn)略。事實(shí)上，根據(jù)《2018世界人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書》[3]，中國AI企業(yè)所涉及的領(lǐng)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(lǐng)域最多，占22%。AI在醫(yī)療健康領(lǐng)域中主要的應(yīng)用方向?yàn)獒t(yī)學(xué)影像、輔助診斷、藥物研發(fā)、健康管理和疾病預(yù)測。

據(jù)相關(guān)調(diào)研機(jī)構(gòu)報(bào)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(shí)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(wù)水平懸殊等問題也在進(jìn)一步推動(dòng)著眾多醫(yī)療機(jī)構(gòu)走向智能化、信息化。

智能化時(shí)代，模擬技術(shù)正在扮演積極的關(guān)鍵角色。表1為福布斯首次發(fā)布的全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)100強(qiáng)榜單（Digital 100）[5]，其中，以高性能模擬技術(shù)見長的ADI榮登榜單，并作為前十名中僅有的兩家半導(dǎo)體技術(shù)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(lǐng)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(chǎn)品在醫(yī)療智能化浪潮中發(fā)揮著越來越關(guān)鍵的作用，模擬技術(shù)迎來了更為廣闊的發(fā)展空間。同時(shí)，隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，對高精度、高速度、低功耗模擬產(chǎn)品的需求不斷擴(kuò)大，而模擬產(chǎn)品在很大程度上決定了當(dāng)今數(shù)字設(shè)備的性能。云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展正在促進(jìn)醫(yī)療智能化的落地。在以計(jì)算力為核心的數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代，模擬技術(shù)和器件發(fā)揮著不可或缺的作用，起到了連接真實(shí)世界與數(shù)字世界的關(guān)鍵橋梁作用。這也是ADI能夠入選數(shù)字經(jīng)濟(jì)排行榜單的原因。

表1 福布斯全球數(shù)字經(jīng)濟(jì)100強(qiáng)榜單前十位入選企業(yè)

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

在2019年1月召開的國際消費(fèi)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(fù)雜的生命體征測量解決方案，以及用于各種生物醫(yī)學(xué)解決方案的算法。典型應(yīng)用是健康管理和家庭護(hù)理。簡而言之，ADI將全部所需的傳感器和前端都集成到一個(gè)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(guān)聯(lián)。

這個(gè)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(jìn)行心率連續(xù)監(jiān)測，使用加速度計(jì)ADXL362監(jiān)測運(yùn)動(dòng)和活動(dòng)，使用高精度生物電位/電化學(xué)前端AD5940測量皮膚電活動(dòng)和身體成分，使用低噪聲心率監(jiān)護(hù)儀AD8233測量心電圖，使用熱敏電阻測量皮膚溫度。手表內(nèi)部存儲器中可同時(shí)存儲多個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)，供日后進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測。

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

事實(shí)上，諸多行業(yè)巨頭近幾年也加快了在這一領(lǐng)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(shè)備Apple Watch與健康數(shù)據(jù)平臺Health Kit、谷歌的Google Fit等。而在國內(nèi)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”深入推進(jìn)信息化，以及“健康中國”建設(shè)的全面提速，可穿戴便攜移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備同樣掀起高潮，其關(guān)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(shè)備成為人工智能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

不同于專業(yè)級醫(yī)療設(shè)備偏重高精度、高質(zhì)量的追求，移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備還要兼顧實(shí)用性，將小型化、低成本等場景化因素考慮進(jìn)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(yīng)用的高精度、低功耗片上計(jì)量儀，已在國內(nèi)國外的幾家代表性大客戶中取得里程碑式的進(jìn)展；在運(yùn)動(dòng)檢測的相關(guān)領(lǐng)域，ADI突破性的超低功耗3軸數(shù)字MEMS產(chǎn)品ADXL362在運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)監(jiān)測設(shè)備的理想解決方案；ADI低功耗、單導(dǎo)聯(lián)的心率監(jiān)護(hù)儀模擬前端AD8232，以及最新的AD8233（圖3），專為滿足新興的健身設(shè)備、便攜式/佩戴式監(jiān)控設(shè)備和遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)設(shè)備的ECG信號調(diào)理要求而設(shè)計(jì)。

作為大健康產(chǎn)業(yè)的一部分，小型便攜式、智能化的醫(yī)用設(shè)備、健康管理設(shè)備在智慧醫(yī)療的帶動(dòng)下蓬勃發(fā)展，尤其以運(yùn)動(dòng)、心律、血壓、血糖、睡眠等監(jiān)測為主的各類醫(yī)療設(shè)備較前幾年有了成熟發(fā)展，結(jié)合手機(jī)App產(chǎn)品的移動(dòng)應(yīng)用不但提高了此類設(shè)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(wù)類產(chǎn)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(chǎn)品形態(tài)和相應(yīng)的技術(shù)革新要求。

四、高性能模擬技術(shù)加碼智慧醫(yī)學(xué)影像，開啟高分辨率圖像診斷時(shí)代

業(yè)界普遍認(rèn)為智能影像診斷是“人工智能+醫(yī)療”較快落地的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是基于醫(yī)學(xué)影像的智能識別是適合AI技術(shù)發(fā)揮其所長的醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，目前全球該領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司達(dá)1000多家。

1895年Wilhelm Conrad R?tgen發(fā)現(xiàn)X射線為醫(yī)療成像領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)，也讓他獲得了第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，自那以后X射線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一門廣泛的科學(xué)學(xué)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(jīng)運(yùn)用完全不同的物理原理和處理技術(shù)，但都有一個(gè)共同點(diǎn)：采用模擬數(shù)據(jù)采集前端進(jìn)行信號調(diào)理，并將原始成像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到數(shù)字域。同樣的，盡管今天智能影像識別涉及醫(yī)學(xué)圖像分割、圖像配準(zhǔn)、圖像融合、圖像壓縮、圖像重建等多個(gè)領(lǐng)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(shí)現(xiàn)人工智能的關(guān)鍵源?！案呔?、高集成度的模擬前端，為數(shù)字平板X-光機(jī)、CT、高端彩色超聲設(shè)備等高質(zhì)量醫(yī)學(xué)圖像的智能診斷提供了可靠保證?！庇嵋銊傊赋觥?/p>

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(zhuǎn)換器模塊，作為業(yè)內(nèi)首款 256 通道、24 位電流數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊適于多通道、小電流采集數(shù)據(jù)的醫(yī)療CT（計(jì)算機(jī)斷層）、工業(yè)和安檢掃描儀，及光電二極管傳感器應(yīng)用。同時(shí)，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(shí)達(dá)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(yīng)當(dāng)時(shí)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(guān)心診斷準(zhǔn)確性外，隨著健康意識的加強(qiáng)越來越關(guān)心診斷過程的輻射劑量。因?yàn)樵谧龈鞣N檢查時(shí)，X射線對病人本身也會造成傷害。對于這點(diǎn)，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(shí)，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(gè)微小的功能模塊雖然深藏于復(fù)雜機(jī)器內(nèi)部，但其性能卻會對整個(gè)系統(tǒng)的最終圖像質(zhì)量產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。它的信號鏈包括一個(gè)檢測元件、一個(gè)低噪聲放大器（LNA）、一個(gè)濾波器和一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。在醫(yī)療成像領(lǐng)域的電子設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍、分辨率、精度、線性度和噪聲要求帶來了最嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

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

ADI的技術(shù)與產(chǎn)品貫穿了大健康全產(chǎn)業(yè)鏈，包括預(yù)防、診斷、治療以及管理階段，ADI也非?？春冕t(yī)療電子領(lǐng)域的技術(shù)前景，將持續(xù)關(guān)注并積極投資相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)。ADI醫(yī)療業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)也有生物醫(yī)學(xué)方面的專家，能夠幫助整個(gè)團(tuán)隊(duì)提供更契合于實(shí)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(shù)專家，會與客戶共同完成相關(guān)醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中性能及可靠性方面的設(shè)計(jì)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(shí)際問題，開創(chuàng)性地在業(yè)務(wù)模式和產(chǎn)品應(yīng)用形態(tài)等方面突破已有邊界。同時(shí)，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(dòng)中國醫(yī)療行業(yè)技術(shù)發(fā)展，助力早日實(shí)現(xiàn)人民健康長壽的“健康中國”目標(biāo)。

公司簡介

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

如需了解更多信息，請?jiān)L問：www.analog.com/cn