先進低成本醫(yī)療技術(shù)之ADI醫(yī)療檢測與監(jiān)測技術(shù)方案

近幾年來，中國在建和將建的公立醫(yī)院數(shù)量巨大，同時私立醫(yī)院數(shù)量也在快速增長中。業(yè)內(nèi)通常會用“患者藥品和醫(yī)療設(shè)備的消費比”指標(biāo)來衡量一個地區(qū)的醫(yī)療保健水平和服務(wù)，這個數(shù)值在發(fā)達(dá)國家中一般是1：1，即醫(yī)生給患者開藥的錢和應(yīng)用設(shè)備來檢查監(jiān)測預(yù)防的費用大致相當(dāng)；而中國是4：1到5：1之間，這就意味著國內(nèi)患者大部分的支出都在買藥。這也從一個方面說明國內(nèi)醫(yī)療設(shè)備增長還有很大的空間。

健康及醫(yī)療產(chǎn)業(yè)是各國政府長期支持和投入的產(chǎn)業(yè)，隨著人們生活水平的提高，健康及醫(yī)療服務(wù)成為中國的一個風(fēng)口，越來越多的資本開始關(guān)注這個行業(yè)。在加上中國人口老齡化趨勢越來越明顯，醫(yī)療電子設(shè)備的市場規(guī)模將會進一步放大。但醫(yī)療設(shè)備行業(yè)給人的感覺是醫(yī)療設(shè)備采購費用貴，高端產(chǎn)品基本被GE、飛利浦等國外廠商所壟斷，國內(nèi)廠商自主研發(fā)的醫(yī)療設(shè)備很難進入到高端市場。那中國企業(yè)要如何利用科技的進步和技術(shù)的創(chuàng)新，來設(shè)計出更低成本、更高精度，可滿足更多需求的醫(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)市場總監(jiān)王勝介紹，在體征信號監(jiān)測方面，ADI的產(chǎn)品和方案解決了用戶最核心的問題，并獲得了十分可觀的市場回報，其中包括多用于醫(yī)院的專業(yè)監(jiān)護類產(chǎn)品和個人消費的可穿戴產(chǎn)品。具體來說，ADI在光電技術(shù)、生理阻抗測量、生理電勢采集、溫度、運動狀態(tài)監(jiān)測以及環(huán)境相關(guān)（如氣體，CO2以及紫外線監(jiān)測等）等領(lǐng)域都有持續(xù)投資以及產(chǎn)品方案在市場上的認(rèn)可。

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

他拿ADI的光電法測量生理體征信號舉例說，ADI的ADPD系列傳感器及信號處理方案，正在被幾乎所有的大品牌客戶設(shè)計使用。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)勢的同時），以及非常成熟的方案（早已有大量出貨）解決方案?？捎糜谠\斷級產(chǎn)品也可適用于消費級的產(chǎn)品相關(guān)體征信號的采集，例如心率， 血氧含量等。ADPD174GGI，可以大大簡化系統(tǒng)級光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計的挑戰(zhàn)，解決內(nèi)部環(huán)境光干擾問題等，進而保證最終產(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)的最新一代光電測量模塊產(chǎn)品ADPD188，可讓該類應(yīng)用在功耗、性能、設(shè)計簡易度、簡化客戶的產(chǎn)線流程，以及成本等方面更加優(yōu)化。

專注于傳感器的半導(dǎo)體設(shè)計和制造公司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、工業(yè)與醫(yī)療）領(lǐng)域高級應(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)療水平不斷進步的今天，無創(chuàng)的檢查和手術(shù)越來越得到普及，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，通過圖像傳感器得到的信息、或通過內(nèi)窺鏡中的手術(shù)裝置進行采樣分析，以判別是否存病變。這樣的檢查和手術(shù)可大減少手術(shù)時間、減少病人的痛苦及術(shù)后恢復(fù)時間?，F(xiàn)在許多的微創(chuàng)手術(shù)也開始使用內(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是專門針對微型內(nèi)窺鏡而開發(fā)的微型圖像傳感器。

據(jù)李銘豪介紹，Naneye 2D主要特點有，尺寸只有1mm？1mm？1.6mm （包括內(nèi)置鏡頭），包含250點？250點的圖像像素；還焊接了最長至3米的連接導(dǎo)線，方便客戶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LVDS信號傳輸；傳感器部分無需任何外圍器，適合小型化設(shè)計的要求。

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

將帶連接線束的Naneye、用導(dǎo)光的光纖以及微型的手術(shù)工具用一個絕緣套管封裝在一起，構(gòu)成一個極細(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)窺鏡競爭對手相比，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。同時數(shù)字化的產(chǎn)品大大提高了圖像的信噪比。

他還透露說，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集團愛普科斯大中華區(qū)溫度和壓力傳感器產(chǎn)品市場部經(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的擴散硅壓力傳感器可以大幅提高壓力測量的精度和準(zhǔn)確度。經(jīng)過精確的溫度補償，可確保不同溫度下測量的準(zhǔn)確性。能夠幫助客戶提高其產(chǎn)品的長期可靠性，減少故障發(fā)生率和維修率。”

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

除此之外，《電子工程專輯》的編輯曾在展會上看到過京瓷展出的“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，看起來非常適合應(yīng)用在可穿戴設(shè)備或集成到移動設(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，來皮下組織血流量狀態(tài)的傳感器，包括可以根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，來判斷用戶是否出現(xiàn)脫水、中暑，以及檢測到血壓的變化等。不過，京瓷工作人員也表示，傳感器可以提供前端的檢測數(shù)據(jù)，但是后面數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，則要找第三方來合作。畢竟基于數(shù)據(jù)得出結(jié)果，這個屬于醫(yī)療或保健領(lǐng)域的專業(yè)，半導(dǎo)體公司通常都會與第三方來合作。

據(jù)稱，這款血流檢測傳感器，可以用在專用的耳機里，隨時監(jiān)測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)測方面重點關(guān)注的應(yīng)用主要有兩類，即醫(yī)療影像檢測類和體征信號監(jiān)測類?！拔覀兺苿拥漠a(chǎn)品和技術(shù)也會重點面向這兩大領(lǐng)域?！?/p>

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（計算機斷層）、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：無電荷損失、無死區(qū)時間的同步采樣；超低噪聲；可配置電流輸入范圍；集成了2個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，用戶很容易實現(xiàn)硬件的系統(tǒng)升級，以及在新設(shè)計上最新技術(shù)采納。同時，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，因為功耗與噪聲不能同時達(dá)到最低的要求，所以功耗模式的切換功能就能使得用戶自行選擇適應(yīng)當(dāng)時需求的最佳功耗、噪聲模式。對于病人來說，最關(guān)心的是輻射劑量。因為在做各種檢查時，X射線對病人本省也會造成傷害。對于這點，ADAS1256 COF解決方案降低探測器本身的噪聲，所以在X射線劑量很少時，低噪聲的探測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，進一步優(yōu)化速度和功耗，以及集成更多系統(tǒng)級功能的產(chǎn)品，也將很快面世，并已在行業(yè)重要客戶中實際測試和最終產(chǎn)品開發(fā)?！?/p>

“我們的最新路線圖產(chǎn)品的規(guī)劃中，進一步優(yōu)化速度和功耗，以及集成更多系統(tǒng)級功能的產(chǎn)品，也將很快面世，并已在行業(yè)重要客戶中實際測試和最終產(chǎn)品開發(fā)?！蓖鮿僦赋觥?/p>

在體征信號監(jiān)測方面，ADI有前面提到過的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、低功耗片上計量儀ADuCM350已在國內(nèi)和國外的幾家有代表性的大客戶中都取得里程碑式的進展。

除此以外， 在運動檢測的相關(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在運動檢測喚醒模式下功耗僅為300 nA，其超低功耗的特征是可穿戴運動監(jiān)測設(shè)備的理想解決方案。

Indy 宜鼎國際大陸子公司總經(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及各類服務(wù)器啟動盤（例如：SATADOM）等存儲方案，可配合上述各類海量存儲、邊緣運算等應(yīng)用上，對于365天/24小時高速運作，低電壓節(jié)電環(huán)境，且滿足服務(wù)器超融合系統(tǒng)運作的兼容性與性能上的要求。而且還根據(jù)醫(yī)療行業(yè)客戶的特殊定制化要求，推出了各類量身定制的解決方案。

他特別提到了宜鼎集團子公司安提（Aetina），所提供醫(yī)療專業(yè)影像需求上提供的醫(yī)療專用方案，包括MXM GPU 模塊，以及近期炙手可熱的Nvidia TX1/TX2人工智能平臺，為醫(yī)療客戶的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)客戶在設(shè)備管理上便捷掌握現(xiàn)場設(shè)備狀況，以醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用為例，即可實現(xiàn)醫(yī)院院內(nèi)不同樓層的連網(wǎng)設(shè)備，通過iCAP軟件掌握系統(tǒng)運行狀況、存儲設(shè)備壽命等的即時信息，以提前應(yīng)對設(shè)備壽命到期現(xiàn)場更換的工作排期，降低設(shè)備突發(fā)狀況發(fā)生的人員及設(shè)備調(diào)度，進而降低人員成本及提高設(shè)備使用率。

圖4：Indy 宜鼎國際大陸子公司總經(jīng)理游禮印。

總結(jié)

王勝總結(jié)說，ADI非?？春冕t(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)品開發(fā)。ADI希望通過自己的不斷投入，和客戶一起，幫助最終的患者（或使用者）和醫(yī)生解決他們面臨的問題，例如測量精度、使用方便性、成本及可靠性等問題。更希望與我們客戶的不懈努力，能夠開創(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。

在醫(yī)療電子設(shè)備中，傳統(tǒng)昂貴的醫(yī)療檢測設(shè)備既是醫(yī)療電子市場最大比重的醫(yī)療電子設(shè)備，也是形成國家醫(yī)療保險與病人治療龐大費用的重要原因。而半導(dǎo)體廠商不斷地在醫(yī)療檢測與健康指標(biāo)監(jiān)測方面，推出新的產(chǎn)品來提升醫(yī)療電子產(chǎn)品的檢測數(shù)據(jù)的精確度和產(chǎn)品性能，同時最好還能降低整機設(shè)備的成本，以便更多的病人能夠享受到技術(shù)帶來的福利。這既是醫(yī)療電子廠商需要關(guān)注的熱點技術(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。