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   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(chǎng)已達(dá)890億美元。全球人口增長(zhǎng)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(zhǎng)，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(shì)下，為滿足快速增長(zhǎng)的內(nèi)部市場(chǎng)和出口需求，中國(guó)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(zhǎng)的動(dòng)力來(lái)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(zhǎng)，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(lè)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(lái)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(shì)。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(chǎng)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(cè)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(wú)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(wèn)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(lái)說(shuō)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(lái)說(shuō)，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(lái)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(jī)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(lái)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(guò)預(yù)處理的圖像需要經(jīng)過(guò)諸如FFT算法等將成千上萬(wàn)的透射測(cè)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(zhǎng)，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。 
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　　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(chǎng)已達(dá)3800萬(wàn)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1.2GHz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(guò)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(wàn)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(guò)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，F(xiàn)PGA則由于其靈活的可編程性而具備一定優(yōu)勢(shì)。 
　　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(guò)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(lái)推動(dòng)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。 
　　從目前的情況來(lái)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(zhǎng)，并開始逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的處理技術(shù)。而DSP則通過(guò)不斷地提供處理性能來(lái)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(chǎng)經(jīng)理黃耀君認(rèn)為，簡(jiǎn)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(cè)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(jiǎn)單的觸摸屏GUI可以為病人帶來(lái)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(shì)，未來(lái)很多的電子健康護(hù)理設(shè)備可以連續(xù)操作很長(zhǎng)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(wú)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(wú)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(lái)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(cè)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(lái)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(wú)線數(shù)據(jù)交換以提供遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)。這些趨勢(shì)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。