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怎样的医疗电子设备才叫“智能”?

时间:2019-01-14 作者:赵明灿 阅读:
目前,中国医疗设备产业整体步入高速增长阶段。人工智能技术在医疗设备领域的应用主要集中于智能诊疗、智能影像识别、智能可穿戴设备相关的智能健康管理、医疗机器人等几个方面。将人工智能应用于医学影像的识别、诊断,以及具有医疗等级的智能可穿戴设备结合远程医疗的使用,将会是下一个热点。

目前,中国医疗设备产业整体步入高速增长阶段。人工智能技术在医疗设备领域的应用主要集中于智能诊疗、智能影像识别、智能可穿戴设备相关的智能健康管理、医疗机器人等几个方面。将人工智能应用于医学影像的识别和诊断,以及具有医疗等级的智能可穿戴设备结合远程医疗的使用,将会是下一个热点。

然而,智能医疗设备的开发却面临低功耗、高性能、小体积和缩短设计周期等挑战。我们在探讨智能医疗设备发展的同时,还必须考虑到降低医疗成本的需要。为此,本刊采访了TI、Molex、Nordic和安森美半导体等元器件厂商,请他们谈谈这一领域目前有哪些好的解决方案,以及未来将会如何发展。

智能医疗设备涉及哪些热门应用?

Nordic Semiconductor亚太区销售及营销总监Wendell Boyd表示,智能医疗设备当前的发展状况必须结合降低医疗成本的需求这一背景来看待,特别是现在人口老龄化已经成为了世界各国社会的医疗保健管理问题。这个问题同时具有社会和经济方面的考量,这让人们意识到现代技术可以助力医护人员从远程进行多种常规健康监测,意味着许多病患可以留在家中,从而节省大量的资源。

这种远程诊断的趋势推动了对便携式/可穿戴式智能医疗设备的需求。就其电子元器件而言,这意味着必须做到小型化。而Nordic提供的超低功耗(ULP)无线IC,可以为医疗设备提供优化的设计解决方案。Wendell Boyd表示,特别是ULP无线解决方案支持使用可穿戴监视器(例如心率监视器)进行远程诊断并降低成本。“我们的许多芯片都是多协议的,这意味着它们具有多种功能,可以在多种设备中实现设计自由度。”他介绍说,“例如,广东省的一位客户选择了我们的nRF52840蓝牙5/低功耗蓝牙多协议SoC器件,为包含心率监测仪的可穿戴腕带产品提供了无线连接和强大的处理功能。”

ADI医疗业务系统应用经理俞毅刚介绍说,该公司在医疗电子的监测方面非常看好两大类应用:医疗影像检测类和体征信号监测类——尤其在以家庭/个人医疗应用为新兴市场的体征信号监测领域以及医疗影像检测市场等应用。

ADI希望通过不断投入并和客户一起,帮助最终患者(或使用者)和医生解决他们所面临的问题,例如测量精度、使用方便性、成本及可靠性等问题。更希望通过与客户的不懈努力,开创性地在业务模式和产品应用形态等方面突破已有产品形态的边界。从而在医疗电子应用方面,为解决人们共同面临的“看病难,看病贵”、“医疗资源分布布局”、“分级诊疗”以及“完善基层医疗设施”等挑战做出自己的行业贡献。

Molex亚太区营销经理Jamie Yung表示,微型而又智能化的医疗设备在全球市场上需要独特的解决方案,能够良好应对空间上的约束以及其他的问题。这些挑战可以是非常实际的,比如说,将电池安放到微型设备中。答案则可能是薄膜电池。轻量级的垂直构造使这类产品可以理想应用于低功耗的可穿戴式医疗设备及消费类设备,并且适合其他基于传感器的应用使用。

安森美半导体医疗分部亚太区市场部经理杨正龙指出,目前该公司在健康智能医疗市场上侧重消费类产品,把专业的医疗设备通过其先进技术把成本做低,从而从成本上、便利性上更加贴近市场,让消费的群体更广。同时结合市场目前物联网大数据的趋势,对个人健康提出长期的跟踪、预警和建议,从而达到利用高科技为生活服务,提升医疗设备的服务质量。

包括哪些智能功能?

俞毅刚介绍说,ADI在光电、生理电势、生理阻抗、运动、体温等各类高精度、高性能、高可靠性的传感器、信号处理前端和集成模块方面,都在为体征信号监测类智能医疗设备和可穿戴设备提供可靠易用的方案。同时,该公司的COF(Chip-On-Flex)高精度、高集成度的模拟前端,也在为数字平板X光机、CT、高端彩色超声设备的高质量医学图像的智能诊断提供可靠保证。另外,ADI在电源管理、信号处理及数据通信方面突出的技术和产品,也为现在和未来的智能医疗设备所需的更低功耗、更小体积、远程互联提供了完整系统级解决方案。

Molex的Soligie印刷式电子元件采用独特的集成式设计与制造工艺,可以实现创新的印刷式电子传感器系统,在印刷式电子基板上整合多种元件(图1),Jamie Yung表示。这类产品可以应用于众多的智能诊断医疗设备,包括可穿戴的传感设备在内,例如24小时的心脏监护器等。

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图1:Soligie柔性混合电路。(Molex供图)

谈到以高性价比的方式生产医疗设备,Soligie的卷对卷医疗转换系统可以实现转换、层压和模切工艺的完全集成,适合医用级别应用中的胶粘剂和基板使用。同样,高性能的柔性银电路解决方案在聚酯基板上采用了细间距的超窄银走线以及复杂的元件,针对传统上在聚酰亚胺上采用的蚀刻铜走线提供了一种经济的替代性医疗技术。

Wendell Boyd指出,现今的医疗设备采用了多种传感器,根据软件算法分析来跟踪和记录配戴者的生理状态和性能水平,而Nordic的产品支持这种“智能”功能。例如,前面介绍的可穿戴腕带产品集成了由Nordic SoC器件监测的3D加速度计和心率传感器,以跟踪和记录用户的健康和运动数据。这款腕带可用作24小时动态心率监测器、睡眠监测器和活动跟踪器,用于记录所走步数、行走距离、燃烧的卡路里和活动持续时间。nRF52840 SoC器件具有一个64MHz、32位Arm Cortex-M4F处理器,用以管理传感器的睡眠和运动算法实现,以及数据存储。

杨正龙表示,随着社会科技的发展,医疗设备从以前孤立的设备转变成现在互联智能的生态系统里面的一个环节。通过大数据的分析,可以更加高效定位患者出现的问题。同时通过万物互联的技术,可以让医疗设备智能侦测到问题或者潜在风险,自动给患者提出相关预警。未来的医疗设备将不再以孤立的单个功能设备存在,而是大智慧大健康医疗生态系统里面的组成体,因此对于医疗设备互联的时延性、数据传输及时性、准确性、高集成度等方面都是未来智能医疗设备趋势。

医疗电子面临的设计挑战

在体征信号监测类设备,低功耗、诊断级性能、高集成/小体积、设计周期短是目前面临的挑战,俞毅刚表示。为此ADI提供了完整系统级解决方案和参考设计,专门技术团队提供系统级的专业支持和技术服务。

在医疗影像检测类,如X光平板探测器,设计面临的挑战有:更低X射线剂量、快速动态图像、便携、减少设计周期等。CT面临的挑战有:更多层数(16层到64层,到128层,到320层)、更低X射线剂量、更低系统成本、缩短上市时间等。ADI提供的更高通道数、完整信号链、更低功耗、更快速、更低噪声的集成子系统,具竞争力的成本和连贯的路线图,配合专门的专家团队提供系统级应用支持,帮助客户克服挑战,加快设计到发布时间。

Jamie Yung则指出,智能医疗设备设计的主要挑战在微型化方面,而Molex提供的布线系统可以节省空间,并且高度可靠并具有极轻的重量,同时还保证了坚固性。比如,Molex在2018年底宣布推出全新的微端接产品,适合含有微小构件的应用使用。该解决方案对于移动设备行业的供应商来说是一种理想的选择,这些供应商往往需要可分离的微端接产品,配合尺寸不断缩小的元件使用。这类微端接产品不仅仅适用于智能手机,还可以应用到微型化的医疗设备当中。

Molex还提供一种最畅销的PicoBlade连接器,可满足不断增长的市场需求,在恶劣应用中确保安全稳固的连接效果。这些市场中就包含了医疗市场。1.25mm间距的PicoBlade连接器提供四种接头选项,具有充分的通用性、紧凑型与灵活性。

杨正龙认为,智能医疗设备是未来的趋势,需要更多的数据分析运算提升智能的体验,就需要更高的技术处理能力,需要植入无线模块而让医疗设备达到智能互联的特点。同时,为了达到无线联接不中断的实时性,低功耗的要求是技术上一个很大的挑战,会影响到设备的寿命和节能指标。安森美半导体目前提供革新的“Struix”技术,可以提供完整的集成方案,从而使医疗设备的体积减小,并增加更多的功能。同时,该公司提供的超低功耗蓝牙低功耗(BLE)产品RSL10,一方面可以提供无线连接的功能,另一方面可以达到业界领先的功耗特点(图2)。其系统级封装(SIP)模块则将天线、RSL10无线电和所需的所有无源器件集成在一个仅6mm×8mm×1.46mm的微型封装中,从而大大减少了开发成本并加速了设计。此外,安森美半导体还推出了RSL10 Mesh,除了提供行业最低功耗,还支持蓝牙特别兴趣小组(SIG)网状网络标准,可提供更多功能。

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图2:RSL10可穿戴医疗产品应用。(安森美供图)

解决方案及差异化设计

俞毅刚介绍,ADI推出的业界首款256通道、24位电流数字转换器模块ADAS1131,适合于多通道、小电流采集数据的医疗CT(计算机断层扫描)、工业和安检扫描仪,以及光电二极管传感器应用。目前最新一代ADAS1135也已推出,在主要性能指标上都有大幅度提升,并与ADAS1131封装兼容,用户很容易实现硬件的系统升级,以及在新设计上的最新技术采纳。同时,其还推出了128通道版本ADAS1134。

ADAS1256 COF 256通道集成前端模块适用于数字X射线(图3)。除了单芯片集成256通道、16位分辨率、22μs线路扫描速度等性能外,该解决方案还提供了9种功耗模式。“因为我们知道,功耗与噪声不能同时达到最低的要求,所以功耗模式的切换功能就能使得用户自行选择适应当时需求的最佳功耗、噪声模式。对于病人来说,最关心的是辐射剂量,因为在做各种检查时,X射线对病人本身也会造成伤害。对于这点,ADAS1256 COF解决方案降低探测器本身的噪声,所以在X射线剂量很少时,低噪声的探测器也能够接收并清晰呈现图像。”俞毅刚说。

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图3:ADAS1256 COF前端模块数字X光机应用。(ADI供图)

“我们的最新路线图产品的规划中,进一步优化速度和功耗,以及集成更多系统级功能的产品,也将很快面世,并已在行业重要客户中实际测试和最终产品开发。”他补充说,“另外在超声的模拟前端芯片解决方案方面,ADI的相关产品一直引领着行业内类似产品和方案的趋势。”

除了以上医疗影像检测应用中的主打技术和产品,在体征信号监测方面,ADI还提供专业的监护类产品(多用于医院内)和可穿戴产品(个人消费品或个人健康产品)。“具体来说,ADI在光电技术、生理阻抗测量、生理电势采集、温度、运动状态监测以及环境相关(如气体、CO2以及紫外线监测等)等领域都有持续投资,并且产品方案在市场上获得了极大认可。”他指出,尤其是在光电法测量生理体征信号方面,ADI的ADPD系列传感器及信号处理方案,正在被几乎所有大的品牌客户设计使用。可用于诊断级产品,也适用于消费级产品相关的体征信号的采集,例如心率、血氧含量等。

此外,ADI还提供低功耗、单导联、心率监护仪模拟前端(AFE)——面向新兴的健身设备、便携式/佩戴式监控设备和远程健康监护设备的ECG信号调理而设计——以及面向便携式医疗保健领域的高精度、低功耗片上计量仪和运动检测用3轴数字MEMS等产品。

Jamie Yung则指出,下一代智能医疗设备的微型化设计,需要采用既能够最优利用空间并减轻重量,又能提供更多功能的制造技术。Molex提供的构造解决方案包括成型互连设备(MID)和激光直接成型(LDS)技术;将它们结合到一起后,则可以在一个三维封装内集成各种功能,从而实现高度紧凑而又轻量级的高性能设备。

MID是一种三维热塑性载体,它集成了导电的金属表面,从而创造出真正的机电装置。Molex提供一系列的MID技术,而激光直接成型(LDS)就是其中最常见的一种。LDS采用了3轴激光,在已经使用专用催化树脂成型的MID的表面上建立起走线。

此外,Molex旗下的Temp-Flex生产专用的电线和电缆产品,在研发上进行了大力的投资,为包括医疗在内的众多专业市场提供技术解决方案。为了确保产品的质量与一致性,Temp-Flex采用了装备齐全的现场制造设施。使用的挤压工艺利用了含氟聚合物绝缘层,专注于对医疗行业中薄壁的保护,并可提高在电子行业中的加工速度。Temp-Flex的全部产品线通常是针对极端条件和恶劣环境而设计,符合RoHS的规定,具备了医疗行业所需的全部可靠性,适合需要加固解决方案的用例和环境使用。

Wendell Boyd介绍,2018年Nordic推出了nRF52840多协议SoC器件。这款SoC器件支持复杂的蓝牙5/低功耗蓝牙和其他低功耗无线协议应用,而这些应用在以往是无法通过单芯片解决方案来实现的。“前面介绍的可穿戴腕带通过nRF52840 SoC所提供的低延迟低功耗蓝牙无线连接功能,将健康、运动和睡眠数据同步到用户的蓝牙4.0(及更高版本)智能手机或平板电脑上,可通过配合的应用程序查看信息。该应用程序同时提供iOS和安卓版本,集成了运动训练、体重管理和睡眠监测功能。”他补充说。

此外i,他透露,Nordic最近还与一家位于深圳的医疗技术公司合作设计了一款“指夹”血氧仪。在这个案例中,客户选择了Nordic的nRF52810低功耗蓝牙SoC器件,以提供血氧仪所需的处理能力和无线连接;血氧仪使用专有算法和无创光学方法来精确测量配戴者当前的血氧饱和度(SpO2)、脉搏率(PR)和血流灌注指数(PI)。

nRF52810采用功能强大的64MHz、32位Arm Cortex-M4处理器设计,可实现SpO2信号采集、SpO2算法运行,并为配戴者的蓝牙4.0(及更高版本)智能手机或平板电脑提供低延迟的低功耗蓝牙无线连接(图4)。

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图4:Dexcom的G5移动连续葡萄糖监测(CGM)系统使用低功耗蓝牙技术,将血糖数据从监护仪无线传输至智能手机。(图文无关,Nordic供图)

最近,Nordic还研发了nRF91系列蜂窝IoT模块产品。例如其中的首款nRF9160 SiP模块,其尺寸仅为10mm×16mm×1mm,适用于紧凑型可穿戴医疗设备。这款完整的解决方案集成了蜂窝连接和物联网应用可能需要的所有功能,外部仅需要配置电池、SIM以及天线。

杨正龙则表示,安森美半导体拥有独特丰富的IP技术,可以提供集成度高、功耗低、产品小型化的特点。“利用丰富的医疗行业的经验,我们可以根据客户的需求定制化产品,做到差异化支持,最后达到客户产品的独特性。”他指出。

几点补充

俞毅刚指出,ADI以上各产品和方案,都不是单一的一代产品,而是具有战略规划的系列产品,目的是尽量引领市场的发展趋势,解决用户系统级应用难题和最终用户使用体验的全面提升。所以在性能提升和成本优化方面不断改进,进而巩固性价双面优势的市场地位。“当然,对于不同的应用场景和具体的设计目标以及用户的判别条件的差异,有不同的相对性能比较结论。通常情况下,我们的新产品在总体性能上的提升至少要在前一代产品的基础上提高1/3或以上。多数情况下我们都能实现更大幅度的性能。对于开创性的产品,通常帮助整机厂商带来的性能提升会更显著。当然,我们通常不会在整体性能提升的同时,给用户带来系统级成本上的增加。”他总结说。

Jamie Yung则强调,对患者使用的医疗设备,其受控灭菌作业在医疗领域仍然是一个最苛刻的挑战。为了应对这一挑战,Molex有一处获ISO13485认证的100,000级洁净室设施,从而在医疗级别外科电缆和非外科电缆的生产过程中确保与行业标准和监管要求的完全合规。

对医疗级连接的需求也通过Molex的MediSpec医用塑料圆形(MPC)连接器系统得到了满足。MediSpec医用塑料圆形(MPC)互连系统将最优的性能与易用性结合到了一起,整合了经验证的高性价比技术来满足医疗设备用户严格标准的要求。

通过一系列紧凑的高性能天线,Molex还为医疗设备的无线连接提供支持。这些天线具有多种形状系数,适合医疗应用以及物联网、汽车和工业部门采用的全部常见的天线协议与频率。

本文为《电子技术设计》2019年1月刊杂志文章。

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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