原创 探讨医疗电子当前及未来趋势

关键字： 医学成像  超声  病人监护  消费类电子医疗产品  医疗指南 

推动医疗电子市场向前发展的主要趋势是全球人口老龄化、医疗保健成本日益增加以及在远程和新兴地区或者家庭实施医疗诊断和治疗的需求。在未来几年内，不同的世界经济体将继续推动这些领域以及其他领域的发展趋势。因此，当前医疗电子设备厂商所面临的一些主要问题包括：便携性和小型化、连接性、安全、数据安全性和质量，以及可靠性。

电源管理

在未来十年内，一个重要的发展趋势就是便携式医疗电子设备将会大量涌现。在设计早期做出电源管理决策，将有助于系统层面的取舍，对于满足便携性和运行时间目标而言，这可能是必要的。小型便携式医疗产品可能会采用一次性电池，而与之相反，大型系统则会充分利用各种充电电池的化学性质和电池组大小。诸如动态电源路径管理(DPPM)等特性，允许系统独立从电池充电路径中吸取能量。这样一来，当装配有完全放电电池的器件一旦插入后即可立即发挥作用，而不必等待电池充电完毕。这在紧急情况下能够起到救生作用。

由于电池电压不是以线性方式下降，因此仅仅利用电压跟踪无法获悉电池真正的使用寿命。特别是有这样的情况：电压量程表中间的三分之一处的电压，却需要60%-70%的放电循环时间。库仑计数不会对电池老化进行补偿，因此随着时间推移其便会“假定”电池状态。然而，阻抗跟踪技术允许医疗设备在电池整个寿命周期内都可以计算剩余运行时间，且误差小于1%。这通常通过集成电压转换以便抽取单节电池电压和充/放电电流来实现。便携式电源解决方案中的其他保护功能还包括电池过压、欠压、过电流和短路保护。

在医疗电子领域，系统可靠性至关重要，因此电池认证是一个关键要求。在某些电池管理产品中，单线、双向通信系统可用于链接96位器件ID、每个器件独有的 16位种子以及随器件而不同的16位循环冗余校验(CRC)码来提供安全性能。这是一种验证当前使用的电池能否满足OEM要求的有效方法。采用不合适的电池组不仅会影响系统运行时间，而且还会损坏系统甚至导致人身伤害。适当的电源管理方法既能使产品具有良好的便携性，又能够通过提高电池寿命和安全性而使其变得经济实惠。

小型化与集成

超声是医学成像领域的一个细分市场，在便携式设备领域历经了高水平创新。今天制造商所生产的先进便携式或手持超声系统要求高度集成的可扩展解决方案，这使得医疗专家能够突破实验室或办公室局限，连接到处于边远位置或全球各地处于紧急情况中的客户。

集成会不断推动便携及成本节约趋势，超声成像领域就是个不错的例子。在最大化内存使用和节能的同时，嵌入式处理器在平衡医学成像设备的计算能力、灵活性、电池使用寿命和系统尺寸方面起到了至关重要的作用。例如，目前的高性能DSP马力强劲，足以在超声系统内进行后台数字处理。同时，DSP的可编程性使其能够在不更改系统硬件的情况下实施最新的软件算法。得益于DSP SoC的高度系统集成，OEM厂商开发团队不仅能够提高系统性能，还可以缩短产品上市时间。通过将DSP处理、通用控制、专用外设以及最佳的图像和视频压缩很好地组合，这些SoC提供了高性价比、低功耗且单封装的解决方案。这样就允许开发人员节省板卡空间并缩短设计时间，并促使他们将更多的精力放在开发特色产品方面。

除了不断集成可实现超声便携性的嵌入式处理技术之外，集成模拟信号链也很关键。在信号链的模拟接收端，单个集成的模拟前端(AFE)可以取代离散的多通道 LNA、VCA、PGA、低通滤波器和高速ADC功能，从而提供LVDS数据输出。通过减少系统的器件数目，集成的AFE可降低高达20%的功耗，将噪声系数减少40%，同时节省40%的电路板空间。这样一来，极大节省了系统成本。集成的 AFE能够获得不同级别的图像性能，适合从手持设备到高端设备所有尺寸的超声系统。

图1：便携式超声系统结构图。

 

连接性和远程病患监护

对大多数病患监护系统来说，数据完整性、系统灵活性和活动性都是至关重要的因素。通过诸如以太网和无线一类的接口，医院就能将整个机构的所有设备连接到一起，甚至还能连接到病患家中。目前所使用的接口允许护理人员通过病患身上佩戴的无线身体传感器网络与病患远程连接。这样就可充分利用医院的内部网，或者连接至病患的家庭安防系统或手机。该系统连接至以太网或呼叫中心，从而在不会干扰病患的情况下持续进行监控。据说Continua健康联盟可能会采用蓝牙技术，诸如ZigBee等其他无线接口也有望应用在消费类医疗设备和便携式病患监护设备领域。

当选择无线接口时，功耗、数据速率和数据范围是其中需要考虑到的三个关键因素(参见图2)。以ZigBee为例，该协议可以在全球范围使用；数据速率和占空比适中；支持无线网状网络，允许同一系统中存在多个传感器。蓝牙和蓝牙低功耗(BLE)协议所提供的范围虽有所限制，但数据速率更高。BLE在传感器端具有更低的功耗，从而允许使用相对传统蓝牙而言外形更小的电池。

最后，解决方案选择必须适合系统功耗预算范围，并满足数据传输要求。

图2：适合医疗应用的无线标准频谱。

数据安全性

医疗数据安全性也是另一个主要要求和关注的焦点。美国1996年的医治保险携带和责任法案(HIPAA)定义了联邦标准，并且为各种技术安全措施所支持。这些标准中包含特定的隐私和安全准则。此类准则禁止在开放的网络上传输数据以及在公共计算机上下载数据，此外也要求数据加密和访问控制。这些安全措施全球适用，因此预计不久即会看到越来越多功能丰富的硬件和软件工具出现，来支持当前已经未来十年内的医疗数据安全。

例如，专为低功耗、低电压便携式应用而设计的几个符合IEEE 802.15.4 的RF收发器，能够提供面向数据加密和认证的硬件MAC安全操作。其中一些还提供各种加密/解密模式，例如计数器模式(CTR)和CMC-MAC验证与加密。当然，为了利用好这些安全操作，就必须确定密匙并对其进行设置，通常将此类工作留给通信协议的最高层进行处理。例如，CC2530可与多个网络协议兼容，其中包括 IEEE 802.15.4、Zigbee、Zigbee RF4CE、Smart Energy以及IP协议。CC2530还提供了政府标准层面的高级加密标准(AES)128位加密/解密内核。此内核支持IEEE 802.15.4 MAC安全、ZigBee网络层和应用层所需的AES操作，从而确保了更高的安全性。

鉴于有关病患数据传输和对如何保护该数据方面已定义了联邦标准，预计不久即会看到越来越多功能丰富的硬件和软件工具。

图3：病患监护方案。

质量和可靠性

由于全球各机构和当前法律环境中的规范及政府质量要求越来越严格，因此医疗设备公司所关注的重点在不断发生改变。如今，在为医疗OEM厂商设计半导体产品时，对质量和可靠性的考虑非常重要，并且二者是众所周知的行业门槛。通过将增强型产品(EP)流纳入目录进程(catalog process)，不仅延长了产品的使用寿命，而且还明确定义并改进了变更控制流程。为了满足医疗市场专用且受控的生产线需求，就应有效消除设施间的变化，并拓展资格实践，同时提高产品的可追溯性或加强消费类电子产品生产测试的严格性。通过提供筛选(upscreening)的替代方案，增强型产品流还可为厂商节省成本并缩短产品上市时间，这在高可靠性市场司空见惯。另一种解决上述问题的方法是采用ISO13485的部分内容，当应用于半导体行业时，该质量管理标准适用于所有医疗设备。

作者：Steven Dean

　　　医疗产品市场营销总监

　　　TI