ot;display: block;">融合化學(xué)、生物和電子技術(shù)的醫(yī)療電子設(shè)備逐漸成為了重要的疾病預(yù)防、臨床診治、病人監(jiān)護(hù)以及個(gè)人健康護(hù)理的醫(yī)療輔助手段。Databeans公司于2006年公布的調(diào)查數(shù)據(jù)表明,2005年全球醫(yī)療電子設(shè)備市場已達(dá)890億美元。全球人口增長以及人口老化速度的加快促進(jìn)了醫(yī)院對(duì)新型醫(yī)療電子設(shè)備需求的進(jìn)一步擴(kuò)大。而隨著經(jīng)濟(jì)增長,人們生活水平的提高以及健康意識(shí)的逐步增強(qiáng),也使得用于日常健康和特定疾病治療的便攜式/消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備成為廣受歡迎的大眾消費(fèi)品。此外,在全球趨勢下,為滿足快速增長的內(nèi)部市場和出口需求,中國的醫(yī)療電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)業(yè)也將得到極大的發(fā)展。
應(yīng)用于醫(yī)療電子設(shè)備的半導(dǎo)體器件主要有模擬器件、邏輯芯片和存儲(chǔ)器件等。半導(dǎo)體器件需求增長的動(dòng)力來自于臨床診治用途的醫(yī)療成像設(shè)備的更高清晰度的需求以及不斷增加的便攜式/消費(fèi)類監(jiān)護(hù)產(chǎn)品的需求,從而需要更高精度的模擬器件與更高性能、更低功耗的邏輯芯片。醫(yī)療電子產(chǎn)品生命周期較長,對(duì)半導(dǎo)體器件的價(jià)格往往不太敏感,所以半導(dǎo)體廠商一般也樂于為醫(yī)療電子應(yīng)用提供他們最新工藝的先進(jìn)半導(dǎo)體器件。因此設(shè)計(jì)人員需要對(duì)各種半導(dǎo)體器件有一定的認(rèn)識(shí),以選取滿足產(chǎn)品性能要求、可靠性和安全性以及生命周期的芯片。
為數(shù)據(jù)采集前端選擇合適的模擬器件
任何醫(yī)療電子設(shè)備都依賴于對(duì)人體數(shù)據(jù)的采集,為適應(yīng)新興醫(yī)療電子設(shè)備對(duì)越來越大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速采樣的要求,實(shí)現(xiàn)更高速、高精度的模擬器件成為趨勢。由于人體電流/生物電信號(hào)往往是極其微小而復(fù)雜的,因此從伴隨著大量噪聲的人體數(shù)據(jù)中提取有效信息往往極具挑戰(zhàn)性。這就要求數(shù)據(jù)采集鏈路上的ADC、運(yùn)算放大器等模擬器件都具有很低的噪聲,這將有效提高采集鏈路的SNR特性。一般的數(shù)據(jù)采集采用10bit或12bit的ADC,而領(lǐng)先半導(dǎo)體廠商已推出了14bit和16bit的多通道ADC。為與ADC配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精度需求,運(yùn)算放大器則要具備較大的電壓擺幅、高增益等特點(diǎn)。半導(dǎo)體廠商也為需要高速數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)上提供高速CMOS工藝的運(yùn)放,還有為提供低偏壓的帶JFET輸入的運(yùn)放等。(見表1)
飛思卡爾亞太區(qū)模擬產(chǎn)品市場經(jīng)理Norman Chan表示高速、精準(zhǔn)和低功耗的模擬器件是推動(dòng)醫(yī)療設(shè)備發(fā)展的主要因素。因?yàn)槟M器件總是會(huì)與醫(yī)療設(shè)備的傳感部件共存,例如血壓監(jiān)測設(shè)備的壓力傳感器件會(huì)由感應(yīng)器件和模擬電路組成以提供放大、濾波以及為傳感器獲得人體微弱的生物信號(hào)創(chuàng)造條件；而無線內(nèi)窺鏡檢查將需要高精度和低功率的模擬和數(shù)字電路去處理所獲得的圖像數(shù)據(jù)。Norman Chan強(qiáng)調(diào),模擬器件對(duì)醫(yī)療設(shè)備性能的決定性要視乎具體應(yīng)用而定。一般而言,安全和可靠性問題是多數(shù)醫(yī)療設(shè)備制造商們首要考慮的因素。對(duì)于介入設(shè)備來說耐用性、可靠性和生命周期是主要考慮因素；而類似于血壓監(jiān)測這些精度要求不是很高的設(shè)備,壓力傳感器和模擬器件之間的配合將會(huì)對(duì)設(shè)備性能起到關(guān)鍵作用。另外,器件的質(zhì)量、封裝、設(shè)備開發(fā)和測試的難度等都是值得工程師們考慮的。
表1:用于醫(yī)療應(yīng)用的部分新型半導(dǎo)體器件
德州儀器亞太區(qū)高效能模擬產(chǎn)品市場開發(fā)經(jīng)理陳炳文則指出,利用高速ADC以及高帶寬的放大器進(jìn)行精確處理是獲得高質(zhì)量圖像的主要手段,用于便攜式設(shè)備的ADC則應(yīng)具備與波束生成器之間的LVDS接口；而對(duì)一些高端的成像應(yīng)用來說,采用高分辨率DAC進(jìn)行準(zhǔn)確定位也是必須的。此外,醫(yī)療成像應(yīng)用中的模擬器件還必須擁有較高的溫度穩(wěn)定性。
并行處理復(fù)雜成像計(jì)算
為了檢查和治療疾病與外傷,現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的臨床診治需要依賴觀察來研究和判斷解剖結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能之間的關(guān)系。先進(jìn)的3D/4D醫(yī)療成像消除了解剖的需要并提供了強(qiáng)大的醫(yī)療診治的新方法,最大限度地減少依靠外科手段切除疾病和減少了痛楚與傷害,并有效地提高了內(nèi)科醫(yī)生對(duì)疾病預(yù)防和診治的績效。這不但相應(yīng)減少了病人的風(fēng)險(xiǎn)、痛楚同時(shí)也減少了后期昂貴的醫(yī)護(hù)費(fèi)用。因此,前期的診斷和預(yù)防多數(shù)借助于諸如超聲波、PET(正電子放射層析成像)、MRI(核磁共振成像)以及CT(計(jì)算層析成像)等現(xiàn)代化的醫(yī)療成像設(shè)備。
圖1:在大多數(shù)現(xiàn)代醫(yī)療成像設(shè)備中從醫(yī)生到病人的數(shù)據(jù)流(圖片來源:Intel)
醫(yī)療成像可以概括地定義為多維醫(yī)療和生物圖像數(shù)據(jù)集的采集、處理、重構(gòu)再現(xiàn)和交互。如圖1所示是一個(gè)在大多數(shù)醫(yī)療成像設(shè)備里的信號(hào)流:數(shù)據(jù)采集前端對(duì)病人的能量信號(hào)進(jìn)行采集后所得到的原始數(shù)據(jù)交給下一環(huán)節(jié)進(jìn)行去噪、平滑數(shù)據(jù)等預(yù)處理以改善信號(hào)質(zhì)量；經(jīng)過預(yù)處理的圖像需要經(jīng)過諸如FFT算法等將成千上萬的透射測定轉(zhuǎn)換成為具物理意義的圖像或圖像數(shù)據(jù)體進(jìn)行算法重構(gòu)；圖像或數(shù)據(jù)體接著經(jīng)后處理步驟改善和增添圖像功能后才會(huì)在屏幕上顯示,這時(shí)可以使用不同的技術(shù)對(duì)圖像捕捉重疊圖像以進(jìn)行顯示,也可以對(duì)使用層析技術(shù)的圖像進(jìn)行組合而得到3D圖像；最后,輔助診斷系統(tǒng)會(huì)利用模式判別算法對(duì)后處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)果。
實(shí)際的醫(yī)療成像一般是由系統(tǒng)在縱向和橫向上進(jìn)行人體掃描,而由軟件再現(xiàn)圖像,因此要依賴高性能硬件加速算法。由于圖像算法通常用并行處理較容易實(shí)現(xiàn),因此隨著醫(yī)療成像應(yīng)用對(duì)高清晰度圖像需求的增長,也對(duì)DSP、FPGA或多核處理器這些邏輯芯片的并行圖像處理能力提出了更高的要求。
DSP可用于超聲波成像系統(tǒng)的多普勒處理、2D/3D成像以及后處理算法。2006年的醫(yī)療DSP成像市場已達(dá)3800萬美元。TI是信號(hào)處理的集大成者,除了廣闊的高精度模擬器件產(chǎn)品線,也擁有眾多的TMS320系列DSP。如表1中提及的TMS320C672x高性能32bit/64bit浮點(diǎn)DSP,實(shí)際上可以支持32bit定點(diǎn)、32bit單精度浮點(diǎn)以及64bit雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算。在350MHz頻率下,其CPU在單周期內(nèi)可并行執(zhí)行多達(dá)8個(gè)指令(其中6個(gè)是浮點(diǎn)指令),最高性能達(dá)2800MIPS/2100MFLOPS,因此TMS320C672x DSP適用于高端超聲波成像應(yīng)用。而采用90nm工藝和TI第三代VelociTI VLIM架構(gòu)的TMS320C64x+定點(diǎn)DSP則適用于中端超聲波成像應(yīng)用,其具備時(shí)鐘頻率和9600MIPS性能。另外,這些DSP同時(shí)也能為MRI系統(tǒng)提供梯度處理控制以及為圖像重構(gòu)引擎前端的信號(hào)提供處理。
在醫(yī)療電子產(chǎn)品開發(fā)過程中,DSP和ASIC是傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字波束生成器的主要器件,但隨著處理任務(wù)的加重和復(fù)雜度的加深,具備并行處理能力和低功耗的FPGA在該領(lǐng)域逐漸成為主流。邁瑞的萬力勱技術(shù)經(jīng)理表示邁瑞在醫(yī)療成像應(yīng)用上一直都在應(yīng)用FPGA,因?yàn)檫~瑞認(rèn)為FPGA在靈活性、并行處理能力上勝過DSP。醫(yī)療電子設(shè)備的出貨量一般不會(huì)十分龐大,若使用ASIC會(huì)使研發(fā)成本投入較高,FPGA則由于其靈活的可編程性而具備一定優(yōu)勢。
傳統(tǒng)使用定制ASIC實(shí)現(xiàn)圖像算法重構(gòu)和后處理的方法十分不靈活,多核處理器的并行處理通過算法分割處理使性能大幅度提升。已在游戲應(yīng)用取得矚目成就的IBM Cell/B.E.多核處理器已將具有復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和圖形分析的高端醫(yī)療成像定位為其下一個(gè)重點(diǎn)應(yīng)用。去年九月份,上海交大學(xué)子就憑借“基于Cell/B.E.引擎架構(gòu)的精確CT重構(gòu)”獲得了IBM“Beyond Gaming”學(xué)生設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽的歐亞組冠軍；而今年1月份,IBM則和Mayo Clinic宣布創(chuàng)建以Cell/B.E.為計(jì)算硬件核心的醫(yī)學(xué)成像信息創(chuàng)新中心來推動(dòng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。
從目前的情況來看,集成了DSP處理內(nèi)核的新型FPGA器件和多核處理器由于具備并行處理能力,在醫(yī)療電子中的應(yīng)用迅速增長,并開始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的處理技術(shù)。而DSP則通過不斷地提供處理性能來滿足醫(yī)療成像的更高清晰度需求。
終極目標(biāo):遠(yuǎn)程醫(yī)療
飛思卡爾亞太區(qū)MCU產(chǎn)品高級(jí)市場經(jīng)理黃耀君認(rèn)為,簡化用戶接口對(duì)于家用或可佩戴的健康護(hù)理設(shè)備(例如胰島素泵、血壓檢測和便攜式自動(dòng)減顫器)的設(shè)計(jì)尤其重要,一鍵式操作或簡單的觸摸屏GUI可以為病人帶來很大的方便,特別是對(duì)于殘疾人；其次,家用或可佩戴的健康護(hù)理設(shè)備面臨輕型化和低功耗趨勢,未來很多的電子健康護(hù)理設(shè)備可以連續(xù)操作很長時(shí)間。半導(dǎo)體廠商在芯片上集成相關(guān)功能從而允許設(shè)備開發(fā)人員控制功耗以滿足產(chǎn)品的低功耗需求。例如TI的MSP430系列和飛思卡爾的QE系列超低功耗MCU。而Microchip的DsPIC33F系列芯片也具有空閑、睡眠等多個(gè)省電模式,各個(gè)模式還有多個(gè)選項(xiàng)方便設(shè)計(jì)人員靈活縮放功耗。
康體佳健康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)是致力于推行醫(yī)療設(shè)備連接和安全標(biāo)準(zhǔn)的組織,她目前擁有ISO/IEEE 11073醫(yī)療信息總線和射頻無線、USB 個(gè)人保健設(shè)備以及Bluetooth醫(yī)療裝置功能等工作組。該聯(lián)盟定義的便攜式/消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備用的藍(lán)牙和USB傳輸技術(shù)即將推出。在新興的遠(yuǎn)程醫(yī)療、藥物跟蹤和病人信息記錄等應(yīng)用的推動(dòng)下,眾多半導(dǎo)體廠商也推出支持有線/無線接口的醫(yī)療芯片和方案。例如,飛思卡爾的32bit Coldfire產(chǎn)品可以用來支持便攜式醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備的USB和以太網(wǎng)連接。
可見,因應(yīng)便攜式設(shè)計(jì)戶外移動(dòng)性、低成本需求,小型化、低功耗和支持先進(jìn)傳輸標(biāo)準(zhǔn)將是醫(yī)療應(yīng)用MCU的共同特點(diǎn)。
本文小結(jié)
在廣闊需求的推動(dòng)下,新型的醫(yī)療電子設(shè)備不斷涌現(xiàn)。大多數(shù)的醫(yī)療設(shè)備還只是能夠監(jiān)控和測量某個(gè)參數(shù),新型醫(yī)療設(shè)備需要改善整體速度、質(zhì)量和準(zhǔn)確度。未來的便攜式/消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備將更小型化、更具移動(dòng)性以及可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)交換以提供遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)。這些趨勢驅(qū)使著半導(dǎo)體器件根據(jù)應(yīng)用的不同而朝更高精度、更高性能或者更低功耗、更高集成度發(fā)展。
作者:雷萌
