医疗电子：让关爱与科技共同延伸

李　健

摘要：本文通过汇集各方信息，对医疗半导体的技术需求和市场发展空间进行了深入的探讨，并提出未来医疗电子市场对半导体产品的发展需求。

关键词：医疗电子；半导体；信息采集；信息处理

区别于任何一项电子技术，医疗电子是一个全社会共同关注的话题。IBM最新的广告宣传称，未来30％的数据容量来自于医疗信息。而IDC预计，到2011年世界上将产生1800,000,000TB数据，也就是1.8ZB，这其中的30％意味着每年产生的医疗信息将超过5ZB的容量，如何搜集和处理这些数据，无疑是未来医疗电子产品必须考虑的问题。

关爱如何延伸

如此大的医疗信息规模无疑催生着医疗电子市场的升温，并且在这个经济危机影响整个行业的特殊时期广受半导体厂商关注，如果IBM的预言属实，医疗电子甚至有潜质超越通信和PC成为半导体最大的应用领域。全球医疗电子市场的热闹，一方面得益于电子技术的进步，另一方面受到以下一些社会变革所影响：(1)人口老龄化，世界老年人口比例从20年前的11％增加到2007年的20％。(2)人们生活水平提高带来的对健康的关注度提升，人们对于增进健康照顾的期望持续增加。(3)保险公司和雇主在医疗开销的支付和保险范围逐渐消减，但受保人或病患需缴纳的医疗保健费用却日益增加。(4)科技的进步让一些轻微的疾病可在家庭内部进行早期分析、预防与治疗，远比去医院便捷廉价。

随着客观环境的演变与人们保健观念的变革，医疗电子将呈现以下几种发展趋势。

首先，原来只有在大医院使用的大型医疗设备将呈现小型化、低成本化以及更便于使用等发展趋势，以适应基层医疗机构建设的需求。另一方面，大型设备正在向更高的性能发展，通道密度和速度更高，这不仅有助于更好地进行诊断，还能提高设备的使用效率，既给医院带来经济效益又树立了良好的形象。由于消费者对医疗保健服务有了更高的需求，对于替代2D单色图像设备的高分辨率和3D成像应用的需要将更为强烈。

其次、为了适应医疗体系的网络化建设，从长远发展来看，互联的数据平台变得非常重要。数据平台涉及对两项技术的要求：通信和数据格式。只有建立相应的标准，医疗设备之间以及与其他信息源之间才能实现互操作。在这方面，业界成立了一个名为Continua Health Alliance的产业组织，进行标准选择、互用性指南的编写等工作。此外，随着医疗事业的发展，很多原来被认为是医疗行业边缘产业的例如与家用保健系统相关的保险业也将越来越多的参与到医疗事业的建设中来。但是，由于目前尚未实现广泛的互操作性，因此对于医疗体系及信息技术行业而言，这是一项新兴的发展目标。

再次，随着人口老龄化问题的加剧，家用监护式的应用也是一个发展趋势。除了现在已经有较多应用的家用血糖、血压检测外，预计未来心电图等设备也将走入家庭，这会有更多的参与者进来，也会开拓出不同的业务模式。特别是测量血糖、血压等的便携式设备，能够在家中方便地提供健康监测并提供预防性措施。这将会导致对低功耗低成本便携医疗电子设备的强劲需求。

最后，在全球市场，科学家和商业企业近年来在生物医疗领域投入巨资，这也是高性能高可靠性医疗电子设备增长的另一个应用领域。Maxim医疗电子市场总监Tohn Di Cristina强调，医疗设备研发的趋势是逐步“接近”病人，主要表现在两个方面：一个是诊断测试设备从临床实验室进入医生办公室或病床边；另一方面是家庭监护设备的普及。这一发展趋势能够为病人带来诸多好处，不仅改善医院的服务质量、减少病人花费；而且，医疗监护仪器进入家庭，病人足不出户即可了解自己的健康状况，无需频繁地出入医院。为了满足这些需求，需要减小设备尺寸，有些情况下还要求设备具有便携性，此外，还需要具备连接或数据传输功能，将患者的数据发送到卫生保健中心。

科技如何应对

医疗设备正在给家庭医疗保健市场带来一场革命，使人们不必离开住处就可以诊断各种健康状况。对于家用医疗设备，主要的挑战包括：尺寸(便于携带)、功耗(电池使用时间更长)、易用性(智能设备)、网络(由专科医生进行数据分析等)和成本(对于终端用户来说价格可接受)。技术进步使便携式自助医疗保健系统得以实现，这类系统帮助人们监测诸如血压、血糖和体温等生命体征。家庭医疗监察和监测系统使人们能够控制自己的健康状况，不过这些医疗设备必须在最重要的时刻快速、高效地工作。随着便携式医疗传感器的发展，就非侵入式护理而言，更长的电池寿命和更小的外形尺寸变得更关键了。需要小的解决方案尺寸和低功耗的医疗设备的例子包括：血液分析系统、脉动血氧计、数字x射线和数字体温计等。

为帮助系统制造商克服这些挑战，半导体制造企业需要在以下方面帮助他们解决这些挑战：信号调理产品，如放大器／转换器／处理器(包括集成解决方案)；电源解决方案：有线／无线通信解决方案(蓝牙、SIM收发器等)。所有这些都非常关键。为提供这些解决方案，半导体制造商需要建立强的核心技术，而且还需要具有良好的系统理解能力，因为这有助于他们设计出满足市场需求的产品。

半导体行业发展迅速，其工艺技术不断更新。然而，新技术投资越来越昂贵，特别是从90nm到65nm，再到45nm／40nm。由此带来的挑战是保持成本足够低的情况下为医疗电子行业提供新技术。面对以更低成本提供更高性能的压力，医疗设备生产商希望供应商能够充分理解其要求并提供支持IP重用的平台。这将可以降低开发风险和投资成本并缩短开发周期，从而加快产品开发过程。赛灵思公司亚太区市场及应用总监张宇清认为，内嵌处理器的FPGA非常合适作为医疗电子系统中的高度整合的一体化系统核心。例如赛灵思的Virtex-5 FXT平台提供两个业界标准的PowerPC 440处理器模块，加上高性能DSP和高速SesDes，对于需要高分辨率图像处理、高性能数据分析、高速数据传输的设备开发非常理想，已经广泛应用在医疗系统中，包括PCI express接口、SATA接口，以太网接口：高速数据缓存和高速查表：高性能滤波器、Beamforming(波束)、FFT和其他核心算法；ADC／DAC接口和各种复杂控制；图像处理和显示。低成本FPGA例如Spartan-3／3A／3E／3AN系列，以及CeolRunner CPLD产品更是广泛地用在所有医疗设备领域，包含便携式的医疗设备，例如便携超声设备和各种手持终端。采用赛灵思FPGA，开发人员还可以集成自己开发的专用IP。

有些医疗测量需要模拟电路连

续运行，每秒钟有成千上万、甚至成百万个读数。还有些应用每天仅需要一个读数。就这些非经常性的测试而言，模拟电路只须加一次电，进行测量，然后在一天的其余时间里处于空闲状态。运行在低功率“休眠”模式。IC必须提供低功率休眠或打盹模式，以在休眠时实现低功耗运行。

Maxim Tohn Di Cristina介绍，家庭监护设备通常采用电池供电，用于这类医疗仪器的IC需要具备低功耗、小尺寸和高集成度。对医学成像系统IC的要求是成像处理的通道数越来越多，性能的提高需要占用更宽的频带，而另一方面还需考虑系统功耗的限制，这为便携式医疗设备的设计带来了巨大挑战。为此，Maxim根据用户的特定要求提供小尺寸、低成本、高性能(低噪声、宽带等)解决方案，针对个人便携式监护产品提供完备的模拟前端：对于超声成像设备，提供高度集成并具有优异性能的低功耗模拟接收器件以及用于发送通道的高压产品，另外，根据用户要求，Maxim还将推出诊断、监控IC，不断提升用户最终产品的使用价值。

医疗设备的一个大问题是，它们的设计和开发可能常常花费数年时间，用大量时间进行临床试验和办理审批手续。医疗设备制造商必须确保他们设计中使用的产品能得到IC制造商的无限期支持，因为任何设计更改可能都需要重新取得合格证、导致产品推迟交付并极大地增加成本。IC的可靠性当然是极为重要的，但是，同样重要的是，能够可靠地供应产品。关于产品淘汰，凌力尔特(Linear)混合信号产品产品市场经理Alison Steer介绍，该公司有一个非常稳定的策略，尽自己所能做每一件事情，以持续支持已投产器件。诸如核磁其振成像(MRI)和数字x射线成像等诊断成像系统在成像方面不断取得显著进步，使得放射诊断的准确度不断改进。高速模数转换器(ADC)位于这些接收器系统的核心部位，它们的性能决定了最大可实现的分辨率。高分辨率ADC提供更高的对比度，可为用户产生详细的图像。Linear双通道高速ADC系列提供业界最低的通道至通道串扰(-110dB)，被用来提高电动外科工具等精密医疗设备的冗余度。

另一个未来的趋势是，就贵重的医疗设备而言，便携性是在医院环境中提高效率、降低库存成本的必要条件。现在，以太网供电(PoE)正在给便携式设备带来很多好处、因为以太网供电在单对双绞电缆(通常为CATS)上同时传送数据和提供电力，从而最大限度地减少了杂乱无毒的电缆，并使设备易于搬迁。因为CATS供货稳定，而且不需要电工安装，配线安装也不昂贵，因此使得搬迁设备很容易，维护和检修也很方便。此外，PoE能够非常容易地为远程地点供电和管理远程地点，同时，通过将电池放置在同一个地点集中控制，可以经济地提供备用电源。设备电源可以远程循环，以加载固件或复位设备。

最容易忽视的是，医疗设备具有其独特的要求。除了更长的寿命周期和更严格的可靠性外，还要符合许多特殊标准，诸如IEC60601－1和IEC60601－2(如电流隔离)。据ADI公司亚太医疗事业资深业务经理周文胜介绍，ADI在满足医疗应用的产品长寿命周期上具有长期的传统和清晰的策略，采用非常严格的质量控制过程来实现产品的可靠性。对于如IEC60601－1标准要求的电流隔离这样的医疗标准，ADI开发出了iCoupler系列产品来对数字信号或电源进行隔离。最新的产品是全球首款单封装USB隔离器ADμM4160，它可以实现病人与设备之间的隔离。ADI在一年多以前成立了医疗团队、推动医疗电子业务的发展。一方面继续加大通用器件的投资，提高器件的精度，满足医疗设备的发展需求：同时也对隔离芯片和MEMS等前沿技术进行投入，满足未来医疗电子设备的需求。另一方面，提供更高集成度的方案。如针对CW(连续波)和PW(脉冲波)多普勒超声推出了八通道超声接收器AD9276和AD9277，在单个芯片中集成了CW多普勒信号处理的增益、滤波、数据转换和解调功能的芯片，以满足从日常产前保健到高级心脏成像等越来越复杂的诊断要求。