醫療電子：讓關愛與科技共同延伸

李　健

摘要：本文通過匯集各方信息，對醫療半導體的技術需求和市場發展空間進行了深入的探討，并提出未來醫療電子市場對半導體產品的發展需求。

關鍵詞：醫療電子；半導體；信息采集；信息處理

區別于任何一項電子技術，醫療電子是一個全社會共同關注的話題。IBM最新的廣告宣傳稱，未來30％的數據容量來自于醫療信息。而IDC預計，到2011年世界上將產生1800,000,000TB數據，也就是1.8ZB，這其中的30％意味著每年產生的醫療信息將超過5ZB的容量，如何搜集和處理這些數據，無疑是未來醫療電子產品必須考慮的問題。

關愛如何延伸

如此大的醫療信息規模無疑催生著醫療電子市場的升溫，并且在這個經濟危機影響整個行業的特殊時期廣受半導體廠商關注，如果IBM的預言屬實，醫療電子甚至有潛質超越通信和PC成為半導體最大的應用領域。全球醫療電子市場的熱鬧，一方面得益于電子技術的進步，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注度提升，人們對于增進健康照顧的期望持續增加。(3)保險公司和雇主在醫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療保健費用卻日益增加。(4)科技的進步讓一些輕微的疾病可在家庭內部進行早期分析、預防與治療，遠比去醫院便捷廉價。

隨著客觀環境的演變與人們保健觀念的變革，醫療電子將呈現以下幾種發展趨勢。

首先，原來只有在大醫院使用的大型醫療設備將呈現小型化、低成本化以及更便于使用等發展趨勢，以適應基層醫療機構建設的需求。另一方面，大型設備正在向更高的性能發展，通道密度和速度更高，這不僅有助于更好地進行診斷，還能提高設備的使用效率，既給醫院帶來經濟效益又樹立了良好的形象。由于消費者對醫療保健服務有了更高的需求，對于替代2D單色圖像設備的高分辨率和3D成像應用的需要將更為強烈。

其次、為了適應醫療體系的網絡化建設，從長遠發展來看，互聯的數據平臺變得非常重要。數據平臺涉及對兩項技術的要求：通信和數據格式。只有建立相應的標準，醫療設備之間以及與其他信息源之間才能實現互操作。在這方面，業界成立了一個名為Continua Health Alliance的產業組織，進行標準選擇、互用性指南的編寫等工作。此外，隨著醫療事業的發展，很多原來被認為是醫療行業邊緣產業的例如與家用保健系統相關的保險業也將越來越多的參與到醫療事業的建設中來。但是，由于目前尚未實現廣泛的互操作性，因此對于醫療體系及信息技術行業而言，這是一項新興的發展目標。

再次，隨著人口老齡化問題的加劇，家用監護式的應用也是一個發展趨勢。除了現在已經有較多應用的家用血糖、血壓檢測外，預計未來心電圖等設備也將走入家庭，這會有更多的參與者進來，也會開拓出不同的業務模式。特別是測量血糖、血壓等的便攜式設備，能夠在家中方便地提供健康監測并提供預防性措施。這將會導致對低功耗低成本便攜醫療電子設備的強勁需求。

最后，在全球市場，科學家和商業企業近年來在生物醫療領域投入巨資，這也是高性能高可靠性醫療電子設備增長的另一個應用領域。Maxim醫療電子市場總監Tohn Di Cristina強調，醫療設備研發的趨勢是逐步“接近”病人，主要表現在兩個方面：一個是診斷測試設備從臨床實驗室進入醫生辦公室或病床邊；另一方面是家庭監護設備的普及。這一發展趨勢能夠為病人帶來諸多好處，不僅改善醫院的服務質量、減少病人花費；而且，醫療監護儀器進入家庭，病人足不出戶即可了解自己的健康狀況，無需頻繁地出入醫院。為了滿足這些需求，需要減小設備尺寸，有些情況下還要求設備具有便攜性，此外，還需要具備連接或數據傳輸功能，將患者的數據發送到衛生保健中心。

科技如何應對

醫療設備正在給家庭醫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。對于家用醫療設備，主要的挑戰包括：尺寸(便于攜帶)、功耗(電池使用時間更長)、易用性(智能設備)、網絡(由?？漆t生進行數據分析等)和成本(對于終端用戶來說價格可接受)。技術進步使便攜式自助醫療保健系統得以實現，這類系統幫助人們監測諸如血壓、血糖和體溫等生命體征。家庭醫療監察和監測系統使人們能夠控制自己的健康狀況，不過這些醫療設備必須在最重要的時刻快速、高效地工作。隨著便攜式醫療傳感器的發展，就非侵入式護理而言，更長的電池壽命和更小的外形尺寸變得更關鍵了。需要小的解決方案尺寸和低功耗的醫療設備的例子包括：血液分析系統、脈動血氧計、數字x射線和數字體溫計等。

為幫助系統制造商克服這些挑戰，半導體制造企業需要在以下方面幫助他們解決這些挑戰：信號調理產品，如放大器／轉換器／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(藍牙、SIM收發器等)。所有這些都非常關鍵。為提供這些解決方案，半導體制造商需要建立強的核心技術，而且還需要具有良好的系統理解能力，因為這有助于他們設計出滿足市場需求的產品。

半導體行業發展迅速，其工藝技術不斷更新。然而，新技術投資越來越昂貴，特別是從90nm到65nm，再到45nm／40nm。由此帶來的挑戰是保持成本足夠低的情況下為醫療電子行業提供新技術。面對以更低成本提供更高性能的壓力，醫療設備生產商希望供應商能夠充分理解其要求并提供支持IP重用的平臺。這將可以降低開發風險和投資成本并縮短開發周期，從而加快產品開發過程。賽靈思公司亞太區市場及應用總監張宇清認為，內嵌處理器的FPGA非常合適作為醫療電子系統中的高度整合的一體化系統核心。例如賽靈思的Virtex-5 FXT平臺提供兩個業界標準的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、高性能數據分析、高速數據傳輸的設備開發非常理想，已經廣泛應用在醫療系統中，包括PCI express接口、SATA接口，以太網接口：高速數據緩存和高速查表：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產品更是廣泛地用在所有醫療設備領域，包含便攜式的醫療設備，例如便攜超聲設備和各種手持終端。采用賽靈思FPGA，開發人員還可以集成自己開發的專用IP。

有些醫療測量需要模擬電路連

續運行，每秒鐘有成千上萬、甚至成百萬個讀數。還有些應用每天僅需要一個讀數。就這些非經常性的測試而言，模擬電路只須加一次電，進行測量，然后在一天的其余時間里處于空閑狀態。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，以在休眠時實現低功耗運行。

Maxim Tohn Di Cristina介紹，家庭監護設備通常采用電池供電，用于這類醫療儀器的IC需要具備低功耗、小尺寸和高集成度。對醫學成像系統IC的要求是成像處理的通道數越來越多，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功耗的限制，這為便攜式醫療設備的設計帶來了巨大挑戰。為此，Maxim根據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，針對個人便攜式監護產品提供完備的模擬前端：對于超聲成像設備，提供高度集成并具有優異性能的低功耗模擬接收器件以及用于發送通道的高壓產品，另外，根據用戶要求，Maxim還將推出診斷、監控IC，不斷提升用戶最終產品的使用價值。

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

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

最容易忽視的是，醫療設備具有其獨特的要求。除了更長的壽命周期和更嚴格的可靠性外，還要符合許多特殊標準，諸如IEC60601－1和IEC60601－2(如電流隔離)。據ADI公司亞太醫療事業資深業務經理周文勝介紹，ADI在滿足醫療應用的產品長壽命周期上具有長期的傳統和清晰的策略，采用非常嚴格的質量控制過程來實現產品的可靠性。對于如IEC60601－1標準要求的電流隔離這樣的醫療標準，ADI開發出了iCoupler系列產品來對數字信號或電源進行隔離。最新的產品是全球首款單封裝USB隔離器ADμM4160，它可以實現病人與設備之間的隔離。ADI在一年多以前成立了醫療團隊、推動醫療電子業務的發展。一方面繼續加大通用器件的投資，提高器件的精度，滿足醫療設備的發展需求：同時也對隔離芯片和MEMS等前沿技術進行投入，滿足未來醫療電子設備的需求。另一方面，提供更高集成度的方案。如針對CW(連續波)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、數據轉換和解調功能的芯片，以滿足從日常產前保健到高級心臟成像等越來越復雜的診斷要求。