醫(yī)療電子發(fā)展面臨兩大挑戰(zhàn)：便攜化與低功耗

摘要：醫(yī)療電子產(chǎn)品走向便攜式和小型化成為現(xiàn)實(shí)。隨著醫(yī)療電子領(lǐng)域越來越受到關(guān)注，市場上提供的半導(dǎo)體方案也越來越多。對于醫(yī)療設(shè)備制造商來說，如何進(jìn)行合理的選擇呢？邁瑞公司的產(chǎn)品經(jīng)理認(rèn)為，醫(yī)療產(chǎn)品便攜化給設(shè)計(jì)帶來的最大挑戰(zhàn)是產(chǎn)品功耗問題。

標(biāo)簽：便攜式醫(yī)療設(shè)備  家用醫(yī)療市場  移動(dòng)手術(shù)

全球人口老齡化、人們生活水平提高和偏遠(yuǎn)地區(qū)對醫(yī)療服務(wù)需求增加等因素正促使傳統(tǒng)醫(yī)療方式的變革，移動(dòng)性和便攜性逐步成為影響醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵。另一方面，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)醫(yī)療創(chuàng)新的步伐以前所未有的速度向前邁進(jìn)，在快速處理計(jì)算、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)步的帶動(dòng)下，醫(yī)療電子產(chǎn)品走向便攜式和小型化成為現(xiàn)實(shí)。

醫(yī)療電子市場是一個(gè)穩(wěn)定的市場，它不像消費(fèi)類電子產(chǎn)品那樣容易形成泡沫并快速破滅，雖然該產(chǎn)業(yè)的投資回報(bào)期較長，但它可能為參與者提供比其它商業(yè)領(lǐng)域更穩(wěn)定和更持久的回報(bào)。據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)Espicom預(yù)計(jì)，2010年全球醫(yī)療器材市場將突破2，000億美元，其中，醫(yī)療電子將占45%，達(dá)到900億美元的規(guī)模。巨大的市場前景和穩(wěn)定的回報(bào)吸引了眾多廠商的投入，從半導(dǎo)體廠商到EMS、OEM公司，他們期待能從醫(yī)療電子市場中挖掘出金礦。

便攜醫(yī)療電子市場的熱點(diǎn)應(yīng)用

SteveKennelly：便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品對于芯片方案的要求是具備更強(qiáng)大計(jì)算能力的同時(shí)擁有低功耗的特性。

便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品的出現(xiàn)緣起家庭醫(yī)療護(hù)理趨勢的興起和消費(fèi)者對自身健康關(guān)注度的增加。“越來越多的人開始主動(dòng)關(guān)心他們身體健康的狀態(tài)，這導(dǎo)致了個(gè)人消費(fèi)者對醫(yī)療保健和簡單診斷產(chǎn)品的需求。”Microchip公司醫(yī)療產(chǎn)品事業(yè)部高級戰(zhàn)略和產(chǎn)品市場經(jīng)理SteveKennelly舉例說，比如血糖儀、血氧計(jì)、疾病控制和診斷監(jiān)視系統(tǒng)等設(shè)備開始走向便攜化，這正是應(yīng)對了目前這些產(chǎn)品開始進(jìn)入家庭的趨勢。

TI公司MSP430資深市場拓展工程師鮑震表示，目前在便攜醫(yī)療電子領(lǐng)域比較熱的應(yīng)用主要是帶液晶顯示的體溫計(jì)（溫槍）、血糖儀、血氧計(jì)、生化分析儀、胰島素注射和心臟除顫儀等產(chǎn)品，“其中，血壓計(jì)是便攜醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用最廣的一個(gè)市場。”鮑震主要負(fù)責(zé)MSP43016位超低功耗MCU在中國區(qū)醫(yī)療市場的推廣。

鮑震指出，便攜醫(yī)療設(shè)備進(jìn)入家庭與人們生活水平的提高密切相關(guān)，“目前在歐美地區(qū)，血壓計(jì)和血糖儀等檢測產(chǎn)品已經(jīng)成為家庭必備的一種醫(yī)療設(shè)備，而中國目前還有形成這樣的環(huán)境，預(yù)計(jì)隨著沿海城市和內(nèi)地大城市逐步開始消費(fèi)這些產(chǎn)品，這個(gè)市場會(huì)慢慢起來，這與生活的富裕程度有關(guān)。”他補(bǔ)充說，目前在中國便攜醫(yī)療電子市場比較熱的應(yīng)用是手持式溫槍，“這是S RS之后興起來的需求，市場用量非常大。”

除了基本檢測醫(yī)療設(shè)備之外，“健康產(chǎn)品”是家用便攜醫(yī)療設(shè)備的另一個(gè)主要發(fā)展方向。“隨著亞健康人群越來越多，國內(nèi)許多醫(yī)療設(shè)備制造商正在走健康產(chǎn)品路線，比如一些廠商用我們的MCU做一些低頻理療儀，通過產(chǎn)生一些脈沖信號對相關(guān)穴位進(jìn)行放松和保健。目前市場上的消費(fèi)者對這類產(chǎn)品很感興趣，未來市場前景不錯(cuò)。”

無疑，家用醫(yī)療市場是推動(dòng)醫(yī)療電子設(shè)備便攜化的主要?jiǎng)恿χ?。而與此同時(shí)，在醫(yī)療護(hù)理方式改變和偏遠(yuǎn)地區(qū)對醫(yī)療服務(wù)需求增加等因素的驅(qū)動(dòng)下，醫(yī)院用的大型專業(yè)級醫(yī)療設(shè)備也開始走向便攜化。“最為明顯的是監(jiān)護(hù)儀和超聲設(shè)備，以前這兩類設(shè)備都以臺(tái)式為主，不能斷電，而現(xiàn)在市場上可以看到類似筆記本外觀的便攜超聲設(shè)備和監(jiān)護(hù)儀。”TI公司HPA業(yè)務(wù)發(fā)展工程師馬凱認(rèn)為，醫(yī)院用的專業(yè)醫(yī)療設(shè)備開始走向便攜化主要應(yīng)對兩類需求：一是對于不能移動(dòng)的病人，便攜醫(yī)療設(shè)備可帶來醫(yī)護(hù)和診療的方便；二是對于偏遠(yuǎn)的農(nóng)村地區(qū)，醫(yī)生可以攜帶專業(yè)設(shè)備進(jìn)行上門診療，提高了偏遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)療水平。

深圳邁瑞生物醫(yī)療電子股份有限公司的一位資深產(chǎn)品經(jīng)理也表示，便攜化是目前醫(yī)療電子產(chǎn)品發(fā)展的大趨勢，它不僅實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)醫(yī)護(hù)和診療，還使移動(dòng)手術(shù)成為可能。“比如應(yīng)用在軍隊(duì)中，便攜醫(yī)療設(shè)備可以讓醫(yī)生在野外很快搭建起專業(yè)的手術(shù)室，對傷員進(jìn)行及時(shí)的治療。”此外他還指出，便攜發(fā)展趨勢讓互連性成為醫(yī)療電子設(shè)備的必備功能，“醫(yī)療體系正在出現(xiàn)一個(gè)新的動(dòng)向，便攜醫(yī)療產(chǎn)品中獲得的數(shù)據(jù)通過連網(wǎng)的方式發(fā)到醫(yī)院的電子醫(yī)療記錄系統(tǒng)中，及時(shí)獲得醫(yī)生的診斷和建議。”

便攜化趨勢給醫(yī)療電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了低功耗、小型化和簡單易用等方面的要求。應(yīng)對這些要求，各領(lǐng)先半導(dǎo)體廠商紛紛推出高集成度的芯片方案，以幫助醫(yī)療電子設(shè)備廠商快速推出產(chǎn)品。

MSP430系列是TI專門針對醫(yī)療市場推出的超低功耗MCU方案，共包括三大產(chǎn)品系列：FG43X、FG461X和FG42X0。據(jù)鮑震介紹，最早推出的FG439是全球首顆針對醫(yī)療電子市場推出的單芯片方案，“這個(gè)產(chǎn)品當(dāng)時(shí)是專門為國外血糖儀市場設(shè)計(jì)，目前已經(jīng)應(yīng)用到許多新的領(lǐng)域，比如生化分析儀等。”他說，在這顆芯片中集成了前端運(yùn)算放大器、12位雙通道高精度ADC、DAC和DMA以及內(nèi)置參考源等。“這是一個(gè)高集成度的方案，采用我們這顆芯片所做的血壓計(jì)和血糖儀，無需使用任何外部組件，體積非常小，功耗也很低。”

鮑震表示，MCU應(yīng)用于醫(yī)療電子的特殊需求主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是高集成度；二是超低功耗；三是簡單易用。“這也是我們產(chǎn)品的三大特點(diǎn)。”他介紹說，繼FG439系列之后，TI還推出了升級版本FG461X系列，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品的功耗，同時(shí)它還包含最高達(dá)120KB閃存和8KBRAM，由于它在單芯片上提供高集成度的智能外設(shè)與較大的存儲(chǔ)選項(xiàng)，可滿足脈搏血氧飽和度測試計(jì)與無線心電圖機(jī)等便攜醫(yī)療設(shè)備的要求。在此基礎(chǔ)上，TI還推出了FG42X0系列，將ADC的精度提高到16位。

除此以外，TI還計(jì)劃在明年推出MSP的新一代產(chǎn)品，根據(jù)目前便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品的需求，內(nèi)置USB接口和RF無線傳輸功能。“這是未來一種趨勢，越來越多的便攜醫(yī)療產(chǎn)品會(huì)要求將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X中。”鮑震表示，“針對醫(yī)療市場，TI今后的產(chǎn)品將不斷考慮市場發(fā)展的需求，一方面利用TI龐大的資源庫，將更多的器件集成到整體方案中，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的集成度，同時(shí)滿足產(chǎn)品低功耗的要求，另一方面會(huì)考慮進(jìn)行一些總線外擴(kuò)，增加一些接口，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性。”

Microchip是另一家積極投身于醫(yī)療電子市場的半導(dǎo)體公司。它于去年專門成立了醫(yī)療產(chǎn)品部，以專門滿足醫(yī)療電子設(shè)備市場的特殊需求。配合該部門的成立，該公司還開設(shè)了一個(gè)基于Web的醫(yī)療設(shè)計(jì)中心。“便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是小型化、智能化和更好的連接性，對于芯片方案的要求是在具備更強(qiáng)大計(jì)算能力的同時(shí)，具有低功耗特性。應(yīng)對這一需求，我們推出的8位和16位MCU產(chǎn)品集成低功耗高精度模擬器件和串行EEPROM，除了超低靜態(tài)電流之外，它能幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)低功耗下的高性能控制，這對于需要高壽命電池的便攜式產(chǎn)品來說非常重要。”Kennelly表示，今年Microchip還將針對醫(yī)療市場推出新的8位和16位產(chǎn)品，集成高精度的模擬放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和電源管理芯片。

Kennelly進(jìn)一步補(bǔ)充說，醫(yī)療電子產(chǎn)品開發(fā)始于化學(xué)、生物和傳感技術(shù)，設(shè)計(jì)工程師對電子部分的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相對比較少，為此，Microchip推出了易學(xué)易用的開發(fā)工具，兼容Microchip所有的8位和16位MCU產(chǎn)品，幫助設(shè)計(jì)工程師降低開發(fā)難度和風(fēng)險(xiǎn)。

對于醫(yī)療電子設(shè)備來說，高精度的模擬器件也是非常重要的器件。專注于模擬器件的半導(dǎo)體公司也在積極應(yīng)對便攜醫(yī)療設(shè)備對低功耗和高集成度的要求，比如ADI最近推出了完整的8通道單芯片模擬前端AD9271，在單芯片上集成了完整的8通道超聲接收器，主要瞄準(zhǔn)便攜式超聲設(shè)備。與此前的多芯片方案相比，系統(tǒng)尺寸和功耗分別降低了50%和25%，同時(shí)，噪聲水平及其他性能均達(dá)到急重癥護(hù)理的要求。

應(yīng)對移動(dòng)性的需求，ADI還在去年年底發(fā)布了使用其最新的精密PulSAR模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7980，該產(chǎn)品的小封裝尺寸和低功耗特性使其適合于穿戴式心電圖儀（EKG）、血壓監(jiān)視器、氧氣傳感器以及其它便攜醫(yī)療產(chǎn)品，可將病人信息無線傳送到數(shù)據(jù)中心或護(hù)士辦公室。這種移動(dòng)性允許病人在醫(yī)院里走動(dòng)時(shí)只穿戴像PDA一樣大小的監(jiān)視器而無需增加體積很大的醫(yī)用設(shè)備，從而提高了病人的舒適度。

在模擬器件方面，TI已經(jīng)將高精度的ADC、運(yùn)算放大器和傳感器集成到其SoC方案中。此外，針對中高端專業(yè)級大型醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用場合，TI還提供專門的模擬器件方案，比如24位6通道或8通道的ADC和高精度放大器等。“人體的信號非常微弱，通常會(huì)產(chǎn)生很多混模的干擾，因此，對于模擬器件來說，高精度模擬信號的采集和抗噪能力非常重要。”馬凱表示，“隨著醫(yī)療產(chǎn)品走向便攜化，模擬信號采集部分的集成度要求越來越高，以前是3通道，現(xiàn)在都是8通道了，此外便攜產(chǎn)品需要進(jìn)行充電，因此還增加了對電源管理部分的要求。”

方案選擇有講究

隨著醫(yī)療電子領(lǐng)域越來越受到關(guān)注，市場上提供的半導(dǎo)體方案也越來越多。對于醫(yī)療設(shè)備制造商來說，如何進(jìn)行合理的選擇呢？邁瑞公司的產(chǎn)品經(jīng)理認(rèn)為，醫(yī)療產(chǎn)品便攜化給設(shè)計(jì)帶來的最大挑戰(zhàn)是產(chǎn)品功耗問題，“隨著醫(yī)療水平發(fā)展，這一行業(yè)對產(chǎn)品計(jì)算能力的要求越來越高，而與此同時(shí)，便攜化又要求產(chǎn)品的功耗越低越好。如何在產(chǎn)品具備強(qiáng)大計(jì)算能力的前提下保持低功耗是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。”

此外他指出，漏電流也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問題。他解釋說，醫(yī)療電子產(chǎn)品在出口市場需要滿足當(dāng)?shù)卣P(guān)于醫(yī)療衛(wèi)生監(jiān)管法規(guī)和條例的規(guī)定，接受各種各樣的認(rèn)證。“在這些認(rèn)證中，產(chǎn)品的安全性是首位，比如美國的FDA認(rèn)證，考慮到對人體的安全性，他們對產(chǎn)品漏電流的檢測非常嚴(yán)格，這一數(shù)值甚至低于你直接用手指拿著5號電池正負(fù)極的導(dǎo)通電流。”他表示，在便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品中，漏電流的問題主要發(fā)生在電源管理部分，因此在電源管理方案選擇時(shí)，要重點(diǎn)考慮器件在不同環(huán)境下的漏電流問題。

應(yīng)對許多醫(yī)療產(chǎn)品對隔離電壓的要求，TI推出了電容式數(shù)字隔離器，“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是采用光耦或電感方式，集成片上電容的隔離方式可實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)傳輸和更高的信號完整性，其抗磁干擾能力比電感器件提高6倍，功耗較高性能光學(xué)耦合器降低60%。”他透露，目前TI發(fā)布的是一個(gè)2通道產(chǎn)品，接下來還將有3通道和4通道的產(chǎn)品發(fā)布。

對于醫(yī)療電子領(lǐng)域來說，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性是重中之重。在美國FDA等認(rèn)證中，甚至要求醫(yī)療設(shè)備廠商的元器件供應(yīng)商也通過相關(guān)的認(rèn)證，同時(shí)保證產(chǎn)品的可追溯性，防止灰色市場的元器件混入醫(yī)療電子產(chǎn)品中。因此在方案的選擇中，設(shè)備廠商要對供應(yīng)商的質(zhì)量保證體系特別關(guān)注。Microchip的Kennelly表示：“目前我們已經(jīng)通過了ISO/TS16949的認(rèn)證，可滿足醫(yī)療領(lǐng)域的客戶對質(zhì)量的嚴(yán)格要求。”

除此以外，量產(chǎn)階段的持續(xù)供應(yīng)也是器件選擇時(shí)需要仔細(xì)考慮的因素。“醫(yī)療電子的設(shè)計(jì)周期通常很長，在選用器件時(shí)要仔細(xì)考慮產(chǎn)品生命周期的問題和潛在供應(yīng)商的歷史供應(yīng)狀況，以免出現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成導(dǎo)入量產(chǎn)時(shí)遇到元器件停產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。”Kennelly說。

邁瑞公司的該位產(chǎn)品經(jīng)理也指出，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段選型時(shí)將供應(yīng)鏈因素考慮進(jìn)去對醫(yī)療電子設(shè)備制造商來說尤其重要，“醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)大部分都是小批量采購，很難讓元器件供應(yīng)商為你專門進(jìn)行定制開發(fā)，采購能力不如消費(fèi)和通信設(shè)備制造商強(qiáng)勢，同時(shí)醫(yī)療電子產(chǎn)品的生命周期很長，設(shè)計(jì)中要特別小心元器件的停產(chǎn)問題。”他建議，廠商在元器件選擇時(shí)最好依據(jù)兩個(gè)原則：一是市場的主流方案；二是容易替換，“主流的方案和供應(yīng)商在持續(xù)供應(yīng)上比較有保障，同時(shí)盡可能在設(shè)計(jì)中采用標(biāo)準(zhǔn)器件，這為日后遇到停產(chǎn)等供應(yīng)問題時(shí)能快速找到替代方案提供保證。”