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医疗电子:半导体市场发展的新热点

作者:  时间:2010-10-18 10:11  来源:电子产品世界

  小型化:对于大部分医疗应用来说,所需要的是将足够的处理能力集成到给定空间中。当然,医疗设备的尺寸大小可能与某些重要约束条件有关。比如,便携式血糖仪的外形和形状类似于PDA。对植入式设备,如心脏起搏器、用于治疗中枢神经系统失调的神经刺激设备和助听器等,考虑到它们所要植入的部位,尺寸是相当重要的。

  低功耗:除小型化之外,低功耗是另一个发展趋势。对植入式设备而言,功耗最小化和电池寿命延长的好处不言而喻。外用医疗设备对功耗也很敏感。随着电子元件日趋小型化,以往的固定式医疗设备正在变为便携式。过去在医院必须动用推车来运输的超声波成像仪,现在的外形尺寸就像一部笔记本电脑。自动外用电震发生器 (defibrillator) 现正广泛采用。从空气中提取氧气对病患进行氧气治疗的便携式制氧机,现在可以像钱包一样挎在肩上。所有这些设备都是依靠低功耗和小外形尺寸来实现的。

  其他的挑战包括: 半导体行业的变化速率远远超过医疗设备 (销售采用最新工艺的最新产品较为困难);医疗设备客户需要经过现场证明不会废弃的技术,以便满足严苛的医疗设备指导条例。

  另一个方面,随着医学的发展、治疗手段的多样化和相关工程领域技术的不断进步,医疗电子设备正变得日益复杂化,事实上很多大型医疗电子设备都由多个子系统组成,需要集成多种传感器、机械部件、电子元件比如微处理器,还会涉及到多种专业总线和协议,其研发周期也是相当长,可能需要2-3年甚至更长的时间。在这种情况下,技术上的挑战往往并不在于单个技术领域所遭遇的瓶颈,而在于如何快速整合多种技术、缩短整个医疗电子设备系统的开发时间、提高创新程度。

  特别的,过去几十年,能够帮助医疗设备提高精度的半导体会更好地推进医疗电子的推广和普及,高精度数模转换器 (DAC)在数据转换领域取得突破性进展,有助于为临床医生和放射科医生提供超清晰的图像,帮助他们看清比以前更细小的解剖结构和病变,如乳癌细胞。在大多数医疗电子产品如血压计、心率监控仪和脉冲式血氧饱和度仪 (pulse oximeter)中,实际的生理学信号都是低振幅的模拟信号,在这些信号在被测量、监控或显示之前,需要使用放大和滤波等信号调整技术。如果微控制器 (MCU) 能够提供超低功耗特性并带有嵌入式高性能模拟外设,就不仅可以提供数字滤波和处理功能,还能够支持生理学模拟数据的参数结果显示,而其市场接受度将会大大增加。现代化工艺技术已能够实现以单一SoC器件的形式将上述要求转为现实,通过使用与低功耗MCU相集成的嵌入式高性能外设如运算放大器、ADCDAC,能够简化以电池供电的便携式医疗电子产品的模拟前端设计。

  MEMS作为前沿技术,在医疗电子设备中将得到越来越多的应用。如采用MEMS加速度传感器,结合心电图(ECG),可综合判断患者的心电图及相应的运动状况,并可以监控病人不正常情况(如老人跌到)的发生。除了芯片本身性能和功耗、尺寸的要求,由于这些应用都是在前期研究中,对各种状态的判断和计算所需要的原理的认识也是很大的挑战。

  此外,许多医疗设备具有的功能与其他类型的应用类似。因此,医疗设备中会使用许多通用半导体部件。医疗设备制造商通常会对他们的供应商提出一些其他在市场中不常见的要求。例如,医疗设备制造商必须遵守其设备销往的国家/地区政府机构制定的法规。制造商执行的体系需要具有不同程度的灵活性,以满足这些法规要求。大多数情况下,为了满足这些法规要求,制造商会对他们的供应商提出一些特殊要求。各个制造商提出的要求各不相同,因为这些要求是基于每个制造商自己的质量管理体系。例如,对于可追溯性,不同制造商会执行不同的管理体系来满足这一共同要求。即使面对的法规是相同的,两个不同制造商也可能会使用不同的体系来达成目标。这意味着半导体制造商必须拥有自己严格的质量体系。它们必须足够灵活,以便在许多不同客户的质量体系内有效。

  未来——家庭化与网络化挑战

  医院是医疗电子的传统市场,家庭化就是医疗电子从默默无闻走向风生水起的第一步,网络化则是医疗电子彻底爆发的新起点。

  随着医疗保健从医院转移到了家庭,医疗电子产品或设备制造商面对数项挑战。

  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)。为帮助系统制造商克服这些挑战,半导体制造企业需要在几个方面帮助他们解决这些挑战:信号处理产品,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),这些非常关键。另一个技术难点是通信的稳定性和可靠性。随着相关标准的逐渐确定,无线和有线通信技术会得到更成熟的应用,促成医疗电子行业革命性的变化。

  当家庭化医疗电子和保健设备逐步普及,远程医疗系统就成为可能,借助无线传输技术,患者已经可以足不出户,接受医生的初级治疗和一些紧急情况的初期处理,图2 为一个基本的远程医疗保健监控系统示意图。从图中不难看出,借助家用设备进行身体各项数据采集,利用无线技术传输数据至数据中心,数据中心可以储存长时间的身体数据便于医生进行分析,同时监控中心也可以随时发现某个受监控者的健康异常状况,并及时通知患者和医生,从而确保及时发现病情进行处理。

  医疗电子设备的家用化和远程化对连接性提出了很高的要求,尤其是无线技术。与之相应,无线技术的飞速发展也推动了无线医疗的加速兴起。将数据从家庭监控系统传递给PC或到所连网的医院的需要,带来对无线连接能力的需求。在收发患者记录时需要注意数据传输的安全性。便携设备的数据速率不高,有些情况下在远郊可能无法使用,连接能力、RF干扰,以及远程故障排除因而成为主要的难题。而对于实现这类功能的医疗电子设备,目前仍然缺少定义明确的法规标准。为了应对不断增加的挑战,半导体供应商正在不断创新,现在提供的方案是完整的方案,不仅仅是芯片。例如:当便携超声波仪器已经引进显示器时,仅仅展示芯片如何工作已经不再被接受;而使用一个开发工具套件或演示套件来展示如何实现完整的解决方案却变得更为重要。完整的解决方案可包括一个视频卡、LCD控制器、LCD面板、IP、参考设计,并能够实现色彩空间转换、缩放、Alpha混合、屏幕显示(OSD)、帧缓存器控制,以及视频定时生成等功能。

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