把握醫(yī)療嵌入式應(yīng)用的新機(jī)遇和挑戰(zhàn)

近年來(lái)，對(duì)醫(yī)療保健的需求以及因此對(duì)所有能夠提供護(hù)理的設(shè)備的需求呈指數(shù)增長(zhǎng)。這對(duì)于醫(yī)療器械制造商的股東和這些公司雇用的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)都是好消息。本文的主題就是后一類人所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

公平地說(shuō)，在這個(gè)時(shí)候，我們中的許多人都在考慮醫(yī)療系統(tǒng)。尤其是最近，當(dāng)我去看眼科醫(yī)生時(shí)，我的意識(shí)得到了提高。大多數(shù)人每?jī)赡赀M(jìn)行一次視力檢查，但是，由于我已故的父親患有 1 型糖尿病并在多年前患有青光眼，因此更頻繁地檢查我的眼睛似乎是謹(jǐn)慎的做法。這就是為什么我要體驗(yàn)所有的醫(yī)療電子產(chǎn)品。我豎起了大拇指——不用擔(dān)心我的眼睛——這總是一種解脫，但是，正如我所說(shuō)，它讓我思考所有帶來(lái)的技術(shù)。

醫(yī)療需求增加有兩個(gè)相關(guān)的原因。首先，現(xiàn)在可以有效治療的病癥越來(lái)越多。在過(guò)去，更常見(jiàn)的是被告知您將不得不忍受疾病并遭受痛苦，或者您可能會(huì)被告知您將死去。當(dāng)然，所有這些仍然會(huì)發(fā)生，但更有可能提供一些治療。第二個(gè)因素是大多數(shù)西方國(guó)家人口的平均年齡正在上升——我們的壽命越來(lái)越長(zhǎng)——醫(yī)療需求往往隨著年齡的增長(zhǎng)而增加。

從歷史上看，醫(yī)療器械是笨重的機(jī)器，必要時(shí)病人會(huì)被運(yùn)送到上面。根據(jù)需要，可以在醫(yī)院內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)一些機(jī)器。這些是唯一的選擇。如今，重點(diǎn)是便攜式儀器。顯然，還是有一些大靜態(tài)機(jī)器——手持式核磁共振掃描儀近期不太可能出現(xiàn)！為什么會(huì)發(fā)生這種變化？顯而易見(jiàn)的答案是因?yàn)槲覀兛梢裕含F(xiàn)代電子產(chǎn)品使便攜式設(shè)備比以往任何時(shí)候都更加可行。但這一舉動(dòng)也受到支配我們生活大部分時(shí)間的相同因素的推動(dòng)：金錢。

醫(yī)療器械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是現(xiàn)代醫(yī)療保健的財(cái)務(wù)模型。要了解細(xì)微差別，需要了解提供醫(yī)療保健的環(huán)境之間的差異：

主動(dòng)健康——預(yù)防措施，如運(yùn)動(dòng)器材（通常不被認(rèn)為與醫(yī)療保健相關(guān)，但確實(shí)如此），以及越來(lái)越多的遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)。

家庭護(hù)理- (1) 的延伸，其中可能涉及各種形式的干預(yù)和藥物輸送。

住宅護(hù)理——療養(yǎng)院等。比醫(yī)院便宜的地方，有一些醫(yī)療技術(shù)熟練的人員。

緊急護(hù)理——一家醫(yī)院，可以提供全方位的護(hù)理。從歷史上看，這可能是病人被送往的第一個(gè)地方，但越來(lái)越多的醫(yī)院被保留在其他選擇用盡時(shí)。

從廣義上講，在這些情況下，醫(yī)療保健服務(wù)的成本從（1）增加到（4）。因此，對(duì)有助于（1）和（2）特別是有助于降低成本的設(shè)備有非常強(qiáng)烈的需求（但在（3）和（4）中提高效率顯然是受歡迎的）。便攜式設(shè)備在技術(shù)上可行的地方都受到強(qiáng)烈青睞。這需要電池操作并且通常需要某種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。便攜式無(wú)線設(shè)備不僅非常方便，而且已經(jīng)表明在醫(yī)院消除電纜有助于清潔和控制感染。

考慮一個(gè)“典型”的醫(yī)療儀器以專注于軟件挑戰(zhàn)是很有趣的。一個(gè)可能的示例可能是患者攜帶并監(jiān)測(cè)其生命體征的便攜式設(shè)備。它會(huì)定期將重要數(shù)據(jù)發(fā)送給他們的醫(yī)生。如果出現(xiàn)問(wèn)題，它會(huì)發(fā)出警報(bào)并自動(dòng)召喚幫助?；颊呖梢噪S時(shí)查看自己的讀數(shù)?？梢栽O(shè)想在所有四種醫(yī)療保健環(huán)境中使用這種設(shè)備，其功能略有不同。

設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵優(yōu)先事項(xiàng)當(dāng)然是便攜性和成本，以及功能性。使用此設(shè)備向軟件開(kāi)發(fā)人員提出的挑戰(zhàn)/要求非常廣泛：

高效的工具。生成的代碼必須最佳地小且快，并且這些工具應(yīng)該能夠使開(kāi)發(fā)順利進(jìn)行。

實(shí)時(shí)能力。設(shè)備很可能需要具備實(shí)時(shí)功能。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可能很有用，小代碼是優(yōu)先考慮的。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。需要上傳信息的便攜式設(shè)備需要某種形式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。在醫(yī)院中，藍(lán)牙等短程技術(shù)可能符合要求。藍(lán)牙的低功耗變體也有助于延長(zhǎng)電池壽命。在其他情況下，Wi-Fi 可能是最佳選擇，即使它更耗電。可能需要蜂窩網(wǎng)絡(luò)（4G 或 5G）才能使儀器高度便攜（例如供醫(yī)護(hù)人員使用）。

用戶界面。大多數(shù)設(shè)備都有某種形式的圖形用戶界面。醫(yī)療設(shè)備上的 UI 設(shè)計(jì)至關(guān)重要，并且很大程度上取決于誰(shuí)使用它?；颊呤褂玫脑O(shè)備需要一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單明了的用戶界面，并謹(jǐn)慎地避免錯(cuò)誤。此外，必須考慮到用戶視力受損的可能性。將由醫(yī)療保健專業(yè)人員使用的設(shè)備可能具有更復(fù)雜的 UI，因?yàn)樗芸赡芴峁└敿?xì)的信息。但是，不能忽視用戶可能會(huì)感到壓力或過(guò)度疲勞的可能性。

電源管理。電池壽命對(duì)于任何便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。充電需要持續(xù)多長(zhǎng)時(shí)間取決于設(shè)備的使用模式，但通常目標(biāo)是醒著一整天（例如 18 小時(shí)）。雖然硬件設(shè)計(jì)有助于電源管理，但它本質(zhì)上定義了最佳功耗；剩下的就是軟件了。設(shè)計(jì)軟件時(shí)考慮到功耗是一個(gè)很大的課題，但關(guān)鍵因素是：

從設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)始就考慮功率；這不應(yīng)該是事后的想法。

仔細(xì)分析設(shè)備的使用案例。小的調(diào)整可以對(duì)能源使用產(chǎn)生很大的影響。

使用帶有電源管理框架的 RTOS。操作系統(tǒng)最適合實(shí)施電源管理，讓應(yīng)用程序代碼開(kāi)發(fā)人員專注于他們的工作。

認(rèn)證。大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備需要 FDA 等的認(rèn)證。這可能是一個(gè)昂貴且耗時(shí)的過(guò)程。需要記住的幾點(diǎn)：

選擇具有在認(rèn)證醫(yī)療應(yīng)用中使用記錄的 RTOS。

由于認(rèn)證需要包括操作系統(tǒng)在內(nèi)的整個(gè)應(yīng)用程序的源代碼，因此 RTOS 源代碼的可用性和質(zhì)量至關(guān)重要。

認(rèn)證成本受到代碼大小的顯著影響。具有細(xì)粒度可擴(kuò)展性的小型 RTOS 顯然是一個(gè)好處。

如果設(shè)備是使用多核 SoC 實(shí)現(xiàn)的，混合關(guān)鍵性設(shè)計(jì)策略可能是有益的，因?yàn)檫@導(dǎo)致只需要對(duì)安全關(guān)鍵子系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)證。

隨著醫(yī)療保健在全世界被視為處于危機(jī)之中，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員有機(jī)會(huì)成為“英雄”并真正改變生活。

審核編輯 黃昊宇