先進(jìn)低成本醫(yī)療技術(shù)之ADI醫(yī)療檢測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)方案

近幾年來(lái)，中國(guó)在建和將建的公立醫(yī)院數(shù)量巨大，同時(shí)私立醫(yī)院數(shù)量也在快速增長(zhǎng)中。業(yè)內(nèi)通常會(huì)用“患者藥品和醫(yī)療設(shè)備的消費(fèi)比”指標(biāo)來(lái)衡量一個(gè)地區(qū)的醫(yī)療保健水平和服務(wù)，這個(gè)數(shù)值在發(fā)達(dá)國(guó)家中一般是1：1，即醫(yī)生給患者開(kāi)藥的錢(qián)和應(yīng)用設(shè)備來(lái)檢查監(jiān)測(cè)預(yù)防的費(fèi)用大致相當(dāng)；而中國(guó)是4：1到5：1之間，這就意味著國(guó)內(nèi)患者大部分的支出都在買(mǎi)藥。這也從一個(gè)方面說(shuō)明國(guó)內(nèi)醫(yī)療設(shè)備增長(zhǎng)還有很大的空間。

健康及醫(yī)療產(chǎn)業(yè)是各國(guó)政府長(zhǎng)期支持和投入的產(chǎn)業(yè)，隨著人們生活水平的提高，健康及醫(yī)療服務(wù)成為中國(guó)的一個(gè)風(fēng)口，越來(lái)越多的資本開(kāi)始關(guān)注這個(gè)行業(yè)。在加上中國(guó)人口老齡化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，醫(yī)療電子設(shè)備的市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)進(jìn)一步放大。但醫(yī)療設(shè)備行業(yè)給人的感覺(jué)是醫(yī)療設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用貴，高端產(chǎn)品基本被GE、飛利浦等國(guó)外廠商所壟斷，國(guó)內(nèi)廠商自主研發(fā)的醫(yī)療設(shè)備很難進(jìn)入到高端市場(chǎng)。那中國(guó)企業(yè)要如何利用科技的進(jìn)步和技術(shù)的創(chuàng)新，來(lái)設(shè)計(jì)出更低成本、更高精度，可滿(mǎn)足更多需求的醫(yī)療電子設(shè)備呢？

本文采訪了幾家半導(dǎo)體和傳感器技術(shù)廠商，為工程師讀者們帶來(lái)了這方面的最新技術(shù)。

更集成的傳感器解決方案

據(jù)ADI公司醫(yī)療健康事業(yè)部亞太區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)王勝介紹，在體征信號(hào)監(jiān)測(cè)方面，ADI的產(chǎn)品和方案解決了用戶(hù)最核心的問(wèn)題，并獲得了十分可觀的市場(chǎng)回報(bào)，其中包括多用于醫(yī)院的專(zhuān)業(yè)監(jiān)護(hù)類(lèi)產(chǎn)品和個(gè)人消費(fèi)的可穿戴產(chǎn)品。具體來(lái)說(shuō)，ADI在光電技術(shù)、生理阻抗測(cè)量、生理電勢(shì)采集、溫度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及環(huán)境相關(guān)（如氣體，CO2以及紫外線監(jiān)測(cè)等）等領(lǐng)域都有持續(xù)投資以及產(chǎn)品方案在市場(chǎng)上的認(rèn)可。

圖1：ADI公司醫(yī)療健康事業(yè)部亞太區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)王勝。

他拿ADI的光電法測(cè)量生理體征信號(hào)舉例說(shuō)，ADI的ADPD系列傳感器及信號(hào)處理方案，正在被幾乎所有的大品牌客戶(hù)設(shè)計(jì)使用。例如ADPD142，APD153， ADPD144以及ADPD174等是目前市面上（可以看到的）集成最高（Photodiode + LED + 模擬前端采集AFE +LED driver + 環(huán)境光抑制等，輸出就是I2C的數(shù)字量），也是體積最小、功耗最低（十分靈活的配置）、性能最好（在體積，功耗都很有優(yōu)勢(shì)的同時(shí)），以及非常成熟的方案（早已有大量出貨）解決方案?？捎糜谠\斷級(jí)產(chǎn)品也可適用于消費(fèi)級(jí)的產(chǎn)品相關(guān)體征信號(hào)的采集，例如心率， 血氧含量等。ADPD174GGI，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)級(jí)光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)，解決內(nèi)部環(huán)境光干擾問(wèn)題等，進(jìn)而保證最終產(chǎn)品的一致性和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的成本和效率，目前此模塊產(chǎn)品已被全球知名的可穿戴廠商采納， 并已經(jīng)大量出貨。

王勝特意提到ADI在6月份剛剛量產(chǎn)的最新一代光電測(cè)量模塊產(chǎn)品ADPD188，可讓該類(lèi)應(yīng)用在功耗、性能、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易度、簡(jiǎn)化客戶(hù)的產(chǎn)線流程，以及成本等方面更加優(yōu)化。

專(zhuān)注于傳感器的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造公司ams（艾邁斯半導(dǎo)體）在醫(yī)療電子設(shè)備領(lǐng)域，覆蓋了從大型CT設(shè)備上的圖像傳感器，到小至比螞蟻頭更小的、可用于內(nèi)窺鏡的圖像傳感器。艾邁斯半導(dǎo)體AIM（汽車(chē)、工業(yè)與醫(yī)療）領(lǐng)域高級(jí)應(yīng)用工程師李銘豪特別介紹了該公司一款超小型、數(shù)字化的CMOS圖像傳感器Naneye 2D/3D。

李銘豪認(rèn)為，在醫(yī)療水平不斷進(jìn)步的今天，無(wú)創(chuàng)的檢查和手術(shù)越來(lái)越得到普及，如腎臟、心、肺、喉等存在體內(nèi)循環(huán)管道的器官，操作醫(yī)生利用這些體內(nèi)管道，可將尿道鏡或支氣管鏡等送至疑似病灶點(diǎn)，通過(guò)圖像傳感器得到的信息、或通過(guò)內(nèi)窺鏡中的手術(shù)裝置進(jìn)行采樣分析，以判別是否存病變。這樣的檢查和手術(shù)可大減少手術(shù)時(shí)間、減少病人的痛苦及術(shù)后恢復(fù)時(shí)間?，F(xiàn)在許多的微創(chuàng)手術(shù)也開(kāi)始使用內(nèi)窺鏡的技術(shù)。當(dāng)然，目前最通用的內(nèi)窺鏡檢查是胃和腸道。但不同于胃腸檢查，腎臟等內(nèi)窺鏡檢查，對(duì)于內(nèi)窺鏡的尺寸，特別是直徑上有苛刻的要求。

圖2：ams公司Naneye 2D是專(zhuān)門(mén)針對(duì)微型內(nèi)窺鏡而開(kāi)發(fā)的微型圖像傳感器。

據(jù)李銘豪介紹，Naneye 2D主要特點(diǎn)有，尺寸只有1mm？1mm？1.6mm （包括內(nèi)置鏡頭），包含250點(diǎn)？250點(diǎn)的圖像像素；還焊接了最長(zhǎng)至3米的連接導(dǎo)線，方便客戶(hù)的裝配及提高最終產(chǎn)品的成品率；具有5種不同可視角度和焦距的內(nèi)置鏡頭可供選擇；內(nèi)置了10位的ADC轉(zhuǎn)換電路及通過(guò)LVDS信號(hào)傳輸；傳感器部分無(wú)需任何外圍器，適合小型化設(shè)計(jì)的要求。

更不可思議的是，ams還提供兩個(gè)Naneye并列組合在一起的Naneye 3D產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)立體視覺(jué)的效果。

將帶連接線束的Naneye、用導(dǎo)光的光纖以及微型的手術(shù)工具用一個(gè)絕緣套管封裝在一起，構(gòu)成一個(gè)極細(xì)的內(nèi)窺鏡探頭。通常用于拍攝物的光源，是從控制盒處發(fā)光器件由光纖導(dǎo)入的，這主要可減少探頭前端的直徑，同時(shí)也可降低前端的溫度，防止?fàn)C傷人體組織。當(dāng)然，有些客戶(hù)想用前端直接用LED照明，ams公司也可提供帶LED的Naneye產(chǎn)品。

李銘豪自豪地表示，與現(xiàn)有的微型內(nèi)窺鏡競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比，ams提供的集成連接線束及內(nèi)置ADC采樣電路的方案，減少了外圍電路的成本，提高了生產(chǎn)的良率。同時(shí)數(shù)字化的產(chǎn)品大大提高了圖像的信噪比。

他還透露說(shuō)，ams還將在近期推出更小尺寸的Naneye XS產(chǎn)品，尺寸只有0.65mm？0.65mm。

Naneye產(chǎn)品目前已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在了yicixing 尿道內(nèi)窺鏡等產(chǎn)品之中。

TDK集團(tuán)愛(ài)普科斯大中華區(qū)溫度和壓力傳感器產(chǎn)品市場(chǎng)部經(jīng)理劉煒則介紹了TDK壓力傳感器在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用，他表示，“TDK的擴(kuò)散硅壓力傳感器可以大幅提高壓力測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度。經(jīng)過(guò)精確的溫度補(bǔ)償，可確保不同溫度下測(cè)量的準(zhǔn)確性。能夠幫助客戶(hù)提高其產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性，減少故障發(fā)生率和維修率?！?/p>

目前已經(jīng)有歐洲和中國(guó)的主要醫(yī)療設(shè)備商采用TDK的壓力傳感器，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)氣體和液體壓力測(cè)量設(shè)備。比如呼吸麻醉機(jī)用絕對(duì)壓力型和相對(duì)壓力型傳感器，可測(cè)量生化分析儀流體壓力，具有檢測(cè)精度高（偏差《0.1%）、測(cè)量范圍廣（高達(dá)40bar）、使用溫度范圍廣（0~65℃）的特點(diǎn)。此外，抗電磁干擾（EMI）能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠，因此使用壽命長(zhǎng)達(dá)十年。

除此之外，《電子工程專(zhuān)輯》的編輯曾在展會(huì)上看到過(guò)京瓷展出的“血流傳感器”也非常有意思。該血流傳感器模組的尺寸非常小，只有3.2mm？1.6mm？0.9mm，看起來(lái)非常適合應(yīng)用在可穿戴設(shè)備或集成到移動(dòng)設(shè)備中。

京瓷工作人員介紹，這款低功耗小尺寸血流量傳感器，是利用了光多普勒效果，來(lái)皮下組織血流量狀態(tài)的傳感器，包括可以根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)判斷用戶(hù)是否出現(xiàn)脫水、中暑，以及檢測(cè)到血壓的變化等。不過(guò)，京瓷工作人員也表示，傳感器可以提供前端的檢測(cè)數(shù)據(jù)，但是后面數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，則要找第三方來(lái)合作。畢竟基于數(shù)據(jù)得出結(jié)果，這個(gè)屬于醫(yī)療或保健領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)，半導(dǎo)體公司通常都會(huì)與第三方來(lái)合作。

據(jù)稱(chēng)，這款血流檢測(cè)傳感器，可以用在專(zhuān)用的耳機(jī)里，隨時(shí)監(jiān)測(cè)人體的一些生理指標(biāo)。

更低成本的醫(yī)療影像解決方案

ADI的王勝表示，該公司在醫(yī)療電子的檢查和監(jiān)測(cè)方面重點(diǎn)關(guān)注的應(yīng)用主要有兩類(lèi)，即醫(yī)療影像檢測(cè)類(lèi)和體征信號(hào)監(jiān)測(cè)類(lèi)。“我們推動(dòng)的產(chǎn)品和技術(shù)也會(huì)重點(diǎn)面向這兩大領(lǐng)域。”

圖3：ADI醫(yī)療影像主力產(chǎn)品及方案舉例。

據(jù)王勝介紹，ADI推出的ADAS1131是一款256 通道、24 位電流數(shù)字轉(zhuǎn)換器模塊，適于多通道、小電流采集數(shù)據(jù)的醫(yī)療CT（計(jì)算機(jī)斷層）、工業(yè)和安檢掃描儀，及光電二極管傳感器應(yīng)用。ADAS1131的主要技術(shù)特性包括：無(wú)電荷損失、無(wú)死區(qū)時(shí)間的同步采樣；超低噪聲；可配置電流輸入范圍；集成了2個(gè)可配置采樣速率的高速 ADC、內(nèi)部緩沖器、用于數(shù)據(jù)采集的去耦和旁路電容；每通道功耗3mW；LVDS/CMOS串行接口；片上溫度傳感器。ADAS1131采用15mm？15mm的324引腳扁型SiP BGA封裝，內(nèi)部包含了電源和基準(zhǔn)電壓的去耦電容。球柵陣列為18？18全陣列，焊球間距為0.8mm，焊球直徑0.45mm。0.8mm的焊球間距可使引腳間多布線，從而減少很多激光孔和埋孔，提高PCB的成品率、可靠性，進(jìn)而降低成本。

目前最新一代ADAS1135，也已推出，在主要性能指標(biāo)上都有大幅度提升，并與ADAS1131封裝兼容，用戶(hù)很容易實(shí)現(xiàn)硬件的系統(tǒng)升級(jí)，以及在新設(shè)計(jì)上最新技術(shù)采納。同時(shí)，推出128通多版本ADAS1134。

在數(shù)字X射線產(chǎn)品方面，其ADAS1256 COF（Chip-On-Flex）256通道集成前端模塊，除了單芯片集成256通道、16位分辨率、22us線路掃描速度等性能外，ADAS1256 COF解決方案還提供了9種功耗模式，因?yàn)楣呐c噪聲不能同時(shí)達(dá)到最低的要求，所以功耗模式的切換功能就能使得用戶(hù)自行選擇適應(yīng)當(dāng)時(shí)需求的最佳功耗、噪聲模式。對(duì)于病人來(lái)說(shuō)，最關(guān)心的是輻射劑量。因?yàn)樵谧龈鞣N檢查時(shí)，X射線對(duì)病人本省也會(huì)造成傷害。對(duì)于這點(diǎn)，ADAS1256 COF解決方案降低探測(cè)器本身的噪聲，所以在X射線劑量很少時(shí)，低噪聲的探測(cè)器也能夠接收并清晰呈現(xiàn)圖像。

“我們的最新路線圖產(chǎn)品的規(guī)劃中，進(jìn)一步優(yōu)化速度和功耗，以及集成更多系統(tǒng)級(jí)功能的產(chǎn)品，也將很快面世，并已在行業(yè)重要客戶(hù)中實(shí)際測(cè)試和最終產(chǎn)品開(kāi)發(fā)?！?/p>

“我們的最新路線圖產(chǎn)品的規(guī)劃中，進(jìn)一步優(yōu)化速度和功耗，以及集成更多系統(tǒng)級(jí)功能的產(chǎn)品，也將很快面世，并已在行業(yè)重要客戶(hù)中實(shí)際測(cè)試和最終產(chǎn)品開(kāi)發(fā)?！蓖鮿僦赋觥?/p>

在體征信號(hào)監(jiān)測(cè)方面，ADI有前面提到過(guò)的ADPD系列產(chǎn)品。

在醫(yī)院用及家用便攜式醫(yī)療電子領(lǐng)域，ADI擁有一系列創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案，例如支持多種便攜式醫(yī)療保健領(lǐng)域的高精度、低功耗片上計(jì)量?jī)xADuCM350已在國(guó)內(nèi)和國(guó)外的幾家有代表性的大客戶(hù)中都取得里程碑式的進(jìn)展。

除此以外， 在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的相關(guān)領(lǐng)域，ADI擁有一系列創(chuàng)新產(chǎn)品和解決方案，突破性的超低功耗3軸數(shù)字MEMS產(chǎn)品ADXL362在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)喚醒模式下功耗僅為300 nA，其超低功耗的特征是可穿戴運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的理想解決方案。

Indy 宜鼎國(guó)際大陸子公司總經(jīng)理游禮印則介紹了宜鼎在在醫(yī)療電子方面的布局。他指出，宜鼎的CF/SD卡和嵌入式內(nèi)存模塊等方案已經(jīng)在監(jiān)護(hù)儀、超聲、血球分析儀和醫(yī)療平板等設(shè)備上被采用。目前已經(jīng)推出了一些列完整的解決方案，包括DDR4 ECC/RDIMM，M.2，NVME及各類(lèi)服務(wù)器啟動(dòng)盤(pán)（例如：SATADOM）等存儲(chǔ)方案，可配合上述各類(lèi)海量存儲(chǔ)、邊緣運(yùn)算等應(yīng)用上，對(duì)于365天/24小時(shí)高速運(yùn)作，低電壓節(jié)電環(huán)境，且滿(mǎn)足服務(wù)器超融合系統(tǒng)運(yùn)作的兼容性與性能上的要求。而且還根據(jù)醫(yī)療行業(yè)客戶(hù)的特殊定制化要求，推出了各類(lèi)量身定制的解決方案。

他特別提到了宜鼎集團(tuán)子公司安提（Aetina），所提供醫(yī)療專(zhuān)業(yè)影像需求上提供的醫(yī)療專(zhuān)用方案，包括MXM GPU 模塊，以及近期炙手可熱的Nvidia TX1/TX2人工智能平臺(tái)，為醫(yī)療客戶(hù)的AIoT的解決方案。

最后，他還介紹了他們今年推出的iCAP智能管理軟件，可讓行業(yè)客戶(hù)在設(shè)備管理上便捷掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀況，以醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用為例，即可實(shí)現(xiàn)醫(yī)院院內(nèi)不同樓層的連網(wǎng)設(shè)備，通過(guò)iCAP軟件掌握系統(tǒng)運(yùn)行狀況、存儲(chǔ)設(shè)備壽命等的即時(shí)信息，以提前應(yīng)對(duì)設(shè)備壽命到期現(xiàn)場(chǎng)更換的工作排期，降低設(shè)備突發(fā)狀況發(fā)生的人員及設(shè)備調(diào)度，進(jìn)而降低人員成本及提高設(shè)備使用率。

圖4：Indy 宜鼎國(guó)際大陸子公司總經(jīng)理游禮印。

總結(jié)

王勝總結(jié)說(shuō)，ADI非常看好醫(yī)療電子領(lǐng)域的技術(shù)和業(yè)務(wù)前景，將持續(xù)地戰(zhàn)略關(guān)注，并積極參與相關(guān)的研討并投資相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。ADI希望通過(guò)自己的不斷投入，和客戶(hù)一起，幫助最終的患者（或使用者）和醫(yī)生解決他們面臨的問(wèn)題，例如測(cè)量精度、使用方便性、成本及可靠性等問(wèn)題。更希望與我們客戶(hù)的不懈努力，能夠開(kāi)創(chuàng)性地在業(yè)務(wù)模式和產(chǎn)品應(yīng)用形態(tài)等方面，突破已有產(chǎn)品形態(tài)的邊界，在醫(yī)療電子應(yīng)用，為解決我們共同面臨的“看病難，看病貴”、“醫(yī)療資源分布布局”、“分級(jí)診療”以及“完善基層醫(yī)療設(shè)施”等挑戰(zhàn)做出自己的行業(yè)貢獻(xiàn)。

在醫(yī)療電子設(shè)備中，傳統(tǒng)昂貴的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備既是醫(yī)療電子市場(chǎng)最大比重的醫(yī)療電子設(shè)備，也是形成國(guó)家醫(yī)療保險(xiǎn)與病人治療龐大費(fèi)用的重要原因。而半導(dǎo)體廠商不斷地在醫(yī)療檢測(cè)與健康指標(biāo)監(jiān)測(cè)方面，推出新的產(chǎn)品來(lái)提升醫(yī)療電子產(chǎn)品的檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確度和產(chǎn)品性能，同時(shí)最好還能降低整機(jī)設(shè)備的成本，以便更多的病人能夠享受到技術(shù)帶來(lái)的福利。這既是醫(yī)療電子廠商需要關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)，也應(yīng)該是所有從事醫(yī)療電子設(shè)備研發(fā)行業(yè)的工程師的研發(fā)使命之一。