醫療電子:惠及每個人的幸福

摘要：醫療電子正在成為半導體市場發展的新熱點，作為與每個人健康息息相關的技術，理應獲得我們更多的關注。

關鍵詞：醫療電子；家庭監控和診斷；醫學成像；臨床設備

DOI：10.3969／j.issn.1005-5517.2010.09.001

雖然我們注定逃不開“生老病死”的自然規律，但我們可以在一定限度內延續生命。19世紀末期，人口平均壽命還僅僅平均為40歲上下：1980年，世界人口平均壽命已達61歲，1997年的統計結果顯示，全球人口平均壽命為62.27歲，2009年，中國的平均壽命是73.05歲，平均壽命的顯著提高很大一部分原因來自于醫療水平的提升，其中電子技術的應用功不可沒。

火熱的醫療電子市場

醫療行業正在經歷轉變，并被視為能夠抵御衰退的市場之一。雖然相較于消費產品市場，醫療市場的變化速度相對緩慢，但也足夠顯著。技術不斷演進，醫療電子市場廣受半導體廠商關注，甚至有潛質成為超越通信和PC的半導體最大的應用領域。對比兩者，醫療電子的前景絲毫不落下風。以手機為例，如果說每人一部手機是理想極限的話，我們不妨設想一下醫療電子的市場規模：—個家庭應該會配備的設備有電子血壓計、計步器、血糖儀(包括膽固醇檢測)、心電監護儀、電子體溫計、簡易呼吸器等等，按照s口之家計算，醫療電子設備需求量就超過了人口數量，這還不包括巨大需求量的醫療診斷和治療設備。

人民生活水平的提高，社會的老齡化，政府對社會醫療健康投人的加大，是醫療設備市場需求的主要推動力；而技術的進步，尤其是電子技術包括半導體產品的創新將是市場的催化劑。全球醫療電子市場的熱鬧，一方面得益于電子技術的進步，男一方面受到以下趨勢所影響：(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。

因此，醫療行業經歷了從治療到預防的范式轉移(paradigm shift)。亞洲地區的政府和民眾都更多地依賴醫療技術，并鼓勵使用便攜式家用監控和測試設備。預計今后數年內便攜式醫療電子產品市場將會快速擴張。中國的醫療改革，技術創新以及醫療電子技術的便攜化和家庭化趨勢推動了并將繼續推動中國醫療電子業務在未來一兩年的持續增長。這些增長將主要來自于包括大型設備的便攜化產品在內的傳統醫療設備行業。行業標準、技術和相關政策的相繼成熟，以及醫療設備便攜化，將實現家用醫療保健產業更加快速的增長。數字化和以及基于此的網絡化／遠程化則會在另一個方面推動醫療電子的市場需求，例如x光機從模擬到數字化的轉換，各種醫療電子設備的互連和數據庫的共享等。

留意臨床、成像以及家庭醫療這三個大類電子醫療應用，不難發現它們擁有共同的發展趨勢。家庭醫療應用要求電子設備易于取放、便于使用，并且具有追蹤、測試、監控、響應和向醫院發送檢查數據等能力。另外由于這類應用電子設備為手持式，小型化就成為最大的要求。對于成像類應用，便攜性和低功耗產品的需求正在增長。例如便攜式超聲波儀器可縮短診斷時間；而在發展中國家的偏遠地區，醫生可以攜帶電池供電的臨床設備：在軍事醫療環境中，則可以對受傷士兵的組織和骨骼進行快速診斷，然后再將傷兵運回基地接受治療。在這些應用中，對便攜性的需求意味著更長的電池使用壽命，因而要求使用的電子設備具有低功耗的特點。在臨床類應用中，可靠性和安全性被放在第一位，因為醫護需要基于所收集的數據來制定治療決策。例如胰島素泵需要定時對患者施加預設的藥物劑量，所以要求所使用的電子元件具有很高的可靠性。對于高成本的臨床設備來說，系統必須保持生產多年才能收回它們的開發成本，所以這類設備的制造商要求所使用的元器件在終端設備的整個生產期內都能夠從市場上采購到。

醫療用半導體的需求

醫療應用是半導體增長最迅速的領域之一，根據市場研究機構Databeans的統計，全球醫療電子支出每年增長15％。該機構還表示，醫療應用的半導體消耗量每年增加11％。至2012年醫療電子用半導體產值將接近50億美元，其中家用和便攜市場成長速度最快，年復合成長率高達16％。輔助復健、治療裝置、監視／傳感器與遙測裝置等，成為家用電子醫療市場的大頭，光以血糖測量儀來看在2009年就有85億美元商機，而到了2012年將成長到9s億美元：而有益健康的家用醫療裝置，預估更將大舉成長2s％。圖1顯示了中國便攜醫療市場的發展情況。

醫療電子三個主要發展領域(家庭測試、監控和診斷：成像；以及臨床設備)中，臨床設備仍然是最大的營收領域，其中包括：診斷實驗設備、監護儀、植入式胰島素泵，以及心臟起搏器。這些臨床設備將不斷追求更高性能，而便攜和保健化／家用化將是該領域增長的另一個強勁動力。醫療保健正在向基于家庭的應用轉移，這些通常采用電池供電的應用設備(如家庭輸液泵、電震發生器、便攜式血糖及膽固醇監控器、數字血壓監控器，以及呼吸治療產品)。

醫療屯子設備在精確性、穩定性、靈活性、功耗、性價比等方面有著很高的要求，便攜化和遠程化的趨勢則對芯片設計在以上方面提出了進一步要求。醫療設備開發商在選擇關鍵器件時，通常采用電子行業中最嚴格的標準。隨著復雜的醫療照護技術日漸轉移至照護點與家中，醫療系統對于尺寸大小、成本、耐用性、性能、以及易用性的需求也變得更具挑戰性。模擬半導體制造商所面臨的挑戰則是要開發出能夠提供使下一代醫療裝置(其中包括了更輕、更小的便攜式醫療裝置)得以宴現的高集成性芯片技術。

小型化：對于大部分醫療應用來說，所需要的是將足夠的處理能力集成到給定空間中。當然，醫療設備的尺寸大小可能與某些重要約束條件有關。比如，便攜式血糖儀的外形和形狀類似于PDA。對植入式設備，如心臟起搏器、用于治療中樞神經系統失調的神經刺激設備和助聽器等，考慮到它們所要植入的部位，尺寸是相當重要的。

低功耗：除小型化之外，低功耗是另一個發展趨勢。對植入式設備而言，功耗最小化和電池壽命延長的好處不言而喻。外用醫療設備對功耗也很敏感。隨著電子元件日趨小型化。以往的固定式醫療設備正在變為便攜式。過去在醫院必須動用推車來運輸的超聲波成像儀，現在的外形尺寸就像一部筆記本電腦。自動外用電震發生器(defibrillator)現正廣泛采用。從空氣中提取氧氣對病患進行氧氣治療的便攜式制氧機，現在可以像錢包一樣挎在肩上。所有這些設備都是依靠低功耗和小外形尺寸來實現的。

其他的挑戰包括：半導體行業的變化速率遠遠超過醫療設備(銷售采用最新工藝的最新產品較為困難)；醫療設備客戶需要經過現場證明不會廢棄的技術，以便滿足嚴苛的醫療設備指導條例。

另一個方面，隨著醫學的發展、治療手段的多樣化和相關工程領域技術的不斷進步，醫療電子設備正變得日益復雜化，事實上很多大型醫療電子設備都由多個子系統組成，需要集成多種傳感器、機械部件、電子元件比如微處理器，還會涉及到多種專業總線和協議，其研發周期也是相當長，可能需要2-3年甚至更長的時間。在這種情況下，技術上的挑戰往往并不在于單個技術領域所遭遇的瓶頸，而在于如何陜速整合多種技術、縮短整個醫療電子設備系統的開發時間、提高創新程度。

特別的，過去幾十年，能夠幫助醫療設備提高精度的半導體會更好地推進醫療電子的推廣和普及，高精度數模轉換器(DAC)在數據轉換領域取得突破性進展，有助于為臨床醫生和放射科醫生提供超清晰的圖像，幫助他們看清比以前更細小的解剖結構和病變，如乳癌細胞。在大多數醫療電子產品如血壓計、心率監控儀和脈沖式血氧飽和度儀(palse oximeter)中，實際的生理學信號都是低振幅的模擬信號，在這些信號在被測量、監控或顯示之前，需要使用放大和濾波等信號調整技術。如果微控制器(MCU)能夠提供超低功耗特性并帶有嵌入式高性能模擬外設，就不僅可以提供數字濾波和處理功能，還能夠支持生理學模擬數據的參數結果顯示，而其市場接受度將會大大增加。現代化工藝技術已能夠實現以單一SoC器件的形式將上述要求轉為現實，通過使用與低功耗MCU相集成的嵌入式高性能外設如運算放大器、ADC和DAC，能夠簡化以電池供電的便攜式醫療電子產品的模擬前端設計。

MEMS作為前沿技術，在醫療電子設備中將得到越來越多的應用。如采用MEMS加速度傳感器，結合心電圖(ECG)，可綜合判斷患者的心電圖及相應的運動狀況，并可以監控病人不正常情況(如老人跌到)的發生。除了芯片本身性能和功耗、尺寸的耍求，由于這些應用都是在前期研究中，對各種狀態的判斷和計算所需要的原理的認識也是很大的挑戰。

此外，許多醫療設備具有的功能與其他類型的應用類似。因此，醫療設備中會使用許多通用半導體部件。醫療設備制造商通常會對他們的供應商提出一些其他在市場中不常見的要求。例如，醫療設備制造商必須遵守其設備銷往的國家／地區政府機構制定的法規。制造商執行的體系需要具有不同程度的靈活性，以滿足這些法規要求。大多數情況下，為了滿足這些法規要求，制造商會對他們的供應商提出一些特殊要求。各個制造商提出的要求各不相同，因為這些要求是基于每個制造商自己的質量管理體系。例如，對于可追溯性，不同制造商會執行不同的管理體系來滿足這一共同要求。即使面對的法規是相同的，兩個不同制造商也可能會使用不同的體系來達成目標。這意味著半導數據從家庭監控系統傳遞給PC或到所連網的醫院的需要，帶來對無線連接能力的需求。在收發患者記錄時需要注意數據傳輸的安全性。便攜設備的數據速率不高，有些情況下在遠郊可能無法使用，連接能力、RF干擾，以及遠程故障排除因而成為主要的難題。而對于實現這類功能的醫療電子設備。目前仍然缺少定義明確的法規標準。為了應對不斷增加的挑戰。半導體供應商正在不斷創新，現在提供的方案是完整的方案，不僅僅是芯片。例如：當便攜超聲波儀器已經引進顯示器時，僅僅展示芯片如何工作已經不再被接受：而使用一個開發工具套件或演示套件來展示如何實現完整的解決方案卻變得更為重要。完整的解決方案可包括一個視頻卡、LCD控制器、LCD面板、IP、參考設計，并能夠實現色彩空間轉換、縮放、Alpha混合、屏幕顯示(OSD)、幀緩存器控制。以及視頻定時生成等功能。企業的觀點

ADI亞太區行業市場總監周文勝坦言該公司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。采用嚴格的質量控制過程來實現產品的可靠性。相對于其他的一些行業，醫療設備要求半導體產品具有更高的性能和穩定性、可靠性，也包括更穩定的供貨和更長的生命周期。所以ADI不光是在產品的研發和生產上。在產品的供貨和生命周期等方面也盡量滿足市場和客戶的需求。ADI對通用器件的投資很大，著力于提高器件的精度和穩定度，滿足醫療設備的發展需求。針對超聲波設備和CT等應用通道密度越來越高的趨勢，ADI不斷推出高集成高性能的產品。比如用于超聲波的AD9272和AD9273八通道集成式APE，以及128通道的CT模擬前端ADAs1128。另一方面是家用醫療設備的主要要求將集中在省電、節省成本和設計簡單等方面。因此，集成式解決方案將是制造商的首選。不過，家用型設備現在甚至也要求更高的性能，這是因為使用環境正變得越來越復雜，例如在移動的狀態下將需要更高性能的模擬和數字技術。ADI技術能為醫療行業客戶帶來差異化，向醫療保健用戶提供線性、混合信號、MEMS和數字信號處理技術方面的全面產品組合，可用于影像、病人監護、儀器儀表、消費類和家用醫療等領域。ADI還致力與系統方案的研究，為客戶提供系統級的技術支持。ADI的核心技術加上系統專業知識，可以為醫療設備制造商實現醫療保健設計的差異化一一支持未來診斷和監護設備以及健康和護理設備的發展。

Linear產品市場經理Allson Steer認為，醫療電子設備正在引起家庭醫療保健市場的革命，使人們不必走出家門就可診斷多種健康問題。技術正在實現便攜式自助護理保健系統，以幫助人們監視諸如血壓、血糖和體溫等生命體征。家庭醫療監察和監視系統允許人們控制他們的健康狀況，但是這些醫療設備必須是快速和高效率，而且在最重要的時刻運行。隨著便攜式醫療傳感器的演進，就非侵入式護理而言，對更長電池壽命和更小外形尺寸的需求變得更關鍵了。需要小型解決方案尺寸和低功耗的醫療電子設備例子包括：血液分析系統、脈動血氧計、數字x射線、數字體溫計等等。

有些醫療測量需要模擬電路連續運行，每秒取得數千甚至數百萬個讀數。而有的應用每天僅需要一個讀數。就這些非經常性測試而言，模擬電路僅需加一次電，進行測量，然后在一天的剩余時間中一直保持空閑狀態，運行在低功率“休眠”模式。在IC上需要提供低功率休眠或打盹模式，以在斷電時實現低功耗。Linear提供多種滿足這些便攜式家庭護理產品需求的超低功率信號調理、數據轉換器和電源IC；提供通用產品，具有很高的模擬性能，專注于效率和靈活性。能夠滿足大多數應用的需求。在醫療行業中，以太網供電對于我們來說是一個非常活躍的領域。客戶期盼在運用我們的PD前端來設計高效開關電源的過程中得到我們的支持，從而借助這些開關電源來為那些需要在各個房間之間搬動。以實現最高利用率的便攜式設備(床邊監護器等)供電。 Microchip在醫療電子產品市場中的策略就是通過將獨特優勢引入該市場繼續實現穩健的增長。Microchip醫療產品部門高級經理Steve Kennelly直言：“我們的主要關注點是手持便攜式醫療設備，它們可以充分地發揮我們的優勢。”舉例來說，Microchip引領該行業進入了低功耗時代。讓設備設計人員可以實現可能的最長電池壽命。在具有模擬信號、基于傳感器的系統中。其先進的模擬產品系列(包括自動調零運算放大器)可以提供優越的性能。Microchip提供了一系列解決方案為醫療設備增加通信功能，包括帶有板載USB、以太網、CAN和LIN控制器的單片機(MCU)。對于無線通信，Microchip提供了支持ZigBeeg和Wi-Fi協議的收發器，該收發器也支持Sub－GHz無線通信。為了能最容易地實現應用。公司還推出了一些經專業認證的模塊，它們無需射頻設計就可以使用。Microchip的目標是讓醫療電子客戶可以自由地創新，使他們能創造出更多新產品為人們改善醫療保健水平。

Actel產品行銷經理Minal Sawant認為，作為這些應用設備的供應商，半導體供應商必須確保產品滿足最高的可靠性和質量水平。這包括進行廣泛的可靠性試驗。以降低FIT率，執行IOS9001質量管理標準并保證持續符合標準要求。可靠性的一個重要方面包括在輻射環境下的性能，例如在腫瘤治療設備等應用中，假如半導體器件易于受到輻射的影響，引起觸發器翻轉，從而改變IC的功能，可能造成災難性的后果。Acre!產品最適合臨床和診斷以及成像應用。例如：臨床應用中的心率監控儀要求小型化和節能。可以使用FPGA來減輕處理器負荷，將其釋放出來完成其它功能，從而實現節能和小型化。在機器人輔助外科中的機器手臂控制面板成像應用中，FPGA能夠助力電壓、溫度、電流等系統監控功能，并將其反饋給決策用的處理器。Actel SmartFusion智能混合信號FPGA提供了一種獨特的數字和模擬元件組合，利用其模擬資源如集成式ADC，電壓、電流、溫度監控器，以及嵌入式ARM微處理器來完成上述感測功能。IGLOO和SmartFusion FPGA圭黽供的低功耗和高集成度特性能夠滿足新興的醫療電子行業的需求。

Atmel微控制器策略行銷經理趙宗慧指出，雖然一般的消費電子產品的半導體器件通常對于價格非常敏感，但是便攜醫療電子產品中的半導體器件(尤其是重要的微控制器)還必須滿足其它嚴格的要求才能夠取得成功。首先，它們必須非常可靠，并擁有高精度以防止誤診或錯誤報警。在便攜醫療電子產品用微控制器市場中，競爭要素是在具有超低功耗(延長電池壽命)的微控制器中嵌入高性能模擬外設(實現更精確的測量)，并提供可選的有線／無線連接能力(這對于監控應用尤為重要)。

在便攜醫療電子產品等電池供電應用中，Atmel AVR XMEGA系列微控制器可實現真正的1.6V工作電壓，這意味著這些器件能夠連接一個1.8V(±10％)的穩壓電源，以節省成本和延長電池壽命。除了確保高模擬精度以外，XMEGA還具有高速12位模擬外設，能夠實現高達2Msps的采樣率，XMEGA的ADc帶有增益級和過采樣(over-sampling)特性，能夠支持大多數便攜醫療電子產品。