- 在未來十年內(nèi)，一個重要的發(fā)展趨勢就是便攜式醫(yī)療電子設備將會大量涌現(xiàn)
- 在醫(yī)療電子領域，系統(tǒng)可靠性至關重要，因此電池認證是一個關鍵要求
- 對大多數(shù)病患監(jiān)護系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)完整性、系統(tǒng)靈活性和活動性都是至關重要的因素
- 醫(yī)療數(shù)據(jù)安全性也是另一個主要要求和關注的焦點
推動醫(yī)療電子市場向前發(fā)展的主要趨勢是全球人口老齡化、醫(yī)療保健成本日益增加以及在遠程和新興地區(qū)或者家庭實施醫(yī)療診斷和治療的需求。在未來幾年內(nèi)，不同的世界經(jīng)濟體將繼續(xù)推動這些領域以及其他領域的發(fā)展趨勢。因此，當前醫(yī)療電子設備廠商所面臨的一些主要問題包括：便攜性和小型化、連接性、安全、數(shù)據(jù)安全性和質(zhì)量，以及可靠性。
電源管理
在未來十年內(nèi)，一個重要的發(fā)展趨勢就是便攜式醫(yī)療電子設備將會大量涌現(xiàn)。在設計早期做出電源管理決策，將有助于系統(tǒng)層面的取舍，對于滿足便攜性和運行時間目標而言，這可能是必要的。小型便攜式醫(yī)療產(chǎn)品可能會采用一次性電池，而與之相反，大型系統(tǒng)則會充分利用各種充電電池的化學性質(zhì)和電池組大小。諸如動態(tài)電源路徑管理(DPPM)等特性，允許系統(tǒng)獨立從電池充電路徑中吸取能量。這樣一來，當裝配有完全放電電池的器件一旦插入后即可立即發(fā)揮作用，而不必等待電池充電完畢。這在緊急情況下能夠起到救生作用。
由于電池電壓不是以線性方式下降，因此僅僅利用電壓跟蹤無法獲悉電池真正的使用壽命。特別是有這樣的情況：電壓量程表中間的三分之一處的電壓，卻需要 60%-70%的放電循環(huán)時間。庫侖計數(shù)不會對電池老化進行補償，因此隨著時間推移其便會“假定”電池狀態(tài)。然而，阻抗跟蹤技術允許醫(yī)療設備在電池整個壽命周期內(nèi)都可以計算剩余運行時間，且誤差小于1%。這通常通過集成電壓轉換以便抽取單節(jié)電池電壓和充/放電電流來實現(xiàn)。便攜式電源解決方案中的其他保護功能還包括電池過壓、欠壓、過電流和短路保護。
在醫(yī)療電子領域，系統(tǒng)可靠性至關重要，因此電池認證是一個關鍵要求。在某些電池管理產(chǎn)品中，單線、雙向通信系統(tǒng)可用于鏈接96位器件ID、每個器件獨有的 16位種子以及隨器件而不同的16位循環(huán)冗余校驗(CRC)碼來提供安全性能。這是一種驗證當前使用的電池能否滿足OEM要求的有效方法。采用不合適的電池組不僅會影響系統(tǒng)運行時間，而且還會損壞系統(tǒng)甚至導致人身傷害。適當?shù)碾娫垂芾矸椒饶苁巩a(chǎn)品具有良好的便攜性，又能夠通過提高電池壽命和安全性而使其變得經(jīng)濟實惠。
小型化與集成
超聲是醫(yī)學成像領域的一個細分市場，在便攜式設備領域歷經(jīng)了高水平創(chuàng)新。今天制造商所生產(chǎn)的先進便攜式或手持超聲系統(tǒng)要求高度集成的可擴展解決方案，這使得醫(yī)療專家能夠突破實驗室或辦公室局限，連接到處于邊遠位置或全球各地處于緊急情況中的客戶。
集成會不斷推動便攜及成本節(jié)約趨勢，超聲成像領域就是個不錯的例子。在最大化內(nèi)存使用和節(jié)能的同時，嵌入式處理器在平衡醫(yī)學成像設備的計算能力、靈活性、電池使用壽命和系統(tǒng)尺寸方面起到了至關重要的作用。例如，目前的高性能DSP馬力強勁，足以在超聲系統(tǒng)內(nèi)進行后臺數(shù)字處理。同時，DSP的可編程性使其能夠在不更改系統(tǒng)硬件的情況下實施最新的軟件算法。得益于DSP SoC的高度系統(tǒng)集成，OEM廠商開發(fā)團隊不僅能夠提高系統(tǒng)性能，還可以縮短產(chǎn)品上市時間。通過將DSP處理、通用控制、專用外設以及最佳的圖像和視頻壓縮很好地組合，這些SoC提供了高性價比、低功耗且單封裝的解決方案。這樣就允許開發(fā)人員節(jié)省板卡空間并縮短設計時間，并促使他們將更多的精力放在開發(fā)特色產(chǎn)品方面。
除了不斷集成可實現(xiàn)超聲便攜性的嵌入式處理技術之外，集成模擬信號鏈也很關鍵。在信號鏈的模擬接收端，單個集成的模擬前端(AFE)可以取代離散的多通道 LNA、VCA、PGA、低通濾波器和高速ADC功能，從而提供LVDS數(shù)據(jù)輸出。通過減少系統(tǒng)的器件數(shù)目，集成的AFE可降低高達20%的功耗，將噪聲系數(shù)減少40%，同時節(jié)省40%的電路板空間。這樣一來，極大節(jié)省了系統(tǒng)成本。集成的 AFE能夠獲得不同級別的圖像性能，適合從手持設備到高端設備所有尺寸的超聲系統(tǒng)。
圖1：便攜式超聲系統(tǒng)結構圖。
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連接性和遠程病患監(jiān)護
對大多數(shù)病患監(jiān)護系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)完整性、系統(tǒng)靈活性和活動性都是至關重要的因素。通過諸如以太網(wǎng)和無線一類的接口，醫(yī)院就能將整個機構的所有設備連接到一起，甚至還能連接到病患家中。目前所使用的接口允許護理人員通過病患身上佩戴的無線身體傳感器網(wǎng)絡與病患遠程連接。這樣就可充分利用醫(yī)院的內(nèi)部網(wǎng)，或者連接至病患的家庭安防系統(tǒng)或手機。該系統(tǒng)連接至以太網(wǎng)或呼叫中心，從而在不會干擾病患的情況下持續(xù)進行監(jiān)控。據(jù)說Continua健康聯(lián)盟可能會采用藍牙技術，諸如ZigBee等其他無線接口也有望應用在消費類醫(yī)療設備和便攜式病患監(jiān)護設備領域。
當選擇無線接口時，功耗、數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)范圍是其中需要考慮到的三個關鍵因素(參見圖2)。以ZigBee為例，該協(xié)議可以在全球范圍使用；數(shù)據(jù)速率和占空比適中；支持無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡，允許同一系統(tǒng)中存在多個傳感器。藍牙和藍牙低功耗(BLE)協(xié)議所提供的范圍雖有所限制，但數(shù)據(jù)速率更高。BLE在傳感器端具有更低的功耗，從而允許使用相對傳統(tǒng)藍牙而言外形更小的電池。
最后，解決方案選擇必須適合系統(tǒng)功耗預算范圍，并滿足數(shù)據(jù)傳輸要求。
圖2：適合醫(yī)療應用的無線標準頻譜。
數(shù)據(jù)安全性
醫(yī)療數(shù)據(jù)安全性也是另一個主要要求和關注的焦點。美國1996年的醫(yī)治保險攜帶和責任法案(HIPAA)定義了聯(lián)邦標準，并且為各種技術安全措施所支持。這些標準中包含特定的隱私和安全準則。此類準則禁止在開放的網(wǎng)絡上傳輸數(shù)據(jù)以及在公共計算機上下載數(shù)據(jù)，此外也要求數(shù)據(jù)加密和訪問控制。這些安全措施全球適用，因此預計不久即會看到越來越多功能豐富的硬件和軟件工具出現(xiàn)，來支持當前已經(jīng)未來十年內(nèi)的醫(yī)療數(shù)據(jù)安全。
例如，專為低功耗、低電壓便攜式應用而設計的幾個符合IEEE 802.15.4 的RF收發(fā)器，能夠提供面向數(shù)據(jù)加密和認證的硬件MAC安全操作。其中一些還提供各種加密/解密模式，例如計數(shù)器模式(CTR)和CMC-MAC驗證與加密。當然，為了利用好這些安全操作，就必須確定密匙并對其進行設置，通常將此類工作留給通信協(xié)議的最高層進行處理。例如，CC2530可與多個網(wǎng)絡協(xié)議兼容，其中包括 IEEE 802.15.4、Zigbee、Zigbee RF4CE、Smart Energy以及IP協(xié)議。CC2530還提供了政府標準層面的高級加密標準(AES)128位加密/解密內(nèi)核。此內(nèi)核支持IEEE 802.15.4 MAC安全、ZigBee網(wǎng)絡層和應用層所需的AES操作，從而確保了更高的安全性。
鑒于有關病患數(shù)據(jù)傳輸和對如何保護該數(shù)據(jù)方面已定義了聯(lián)邦標準，預計不久即會看到越來越多功能豐富的硬件和軟件工具。
圖3：病患監(jiān)護方案
質(zhì)量和可靠性
由于全球各機構和當前法律環(huán)境中的規(guī)范及政府質(zhì)量要求越來越嚴格，因此醫(yī)療設備公司所關注的重點在不斷發(fā)生改變。如今，在為醫(yī)療OEM廠商設計半導體產(chǎn)品時，對質(zhì)量和可靠性的考慮非常重要，并且二者是眾所周知的行業(yè)門檻。通過將增強型產(chǎn)品(EP)流納入目錄進程(catalog process)，不僅延長了產(chǎn)品的使用壽命，而且還明確定義并改進了變更控制流程。為了滿足醫(yī)療市場專用且受控的生產(chǎn)線需求，就應有效消除設施間的變化，并拓展資格實踐，同時提高產(chǎn)品的可追溯性或加強消費類電子產(chǎn)品生產(chǎn)測試的嚴格性。通過提供篩選(upscreening)的替代方案，增強型產(chǎn)品流還可為廠商節(jié)省成本并縮短產(chǎn)品上市時間，這在高可靠性市場司空見慣。另一種解決上述問題的方法是采用ISO13485的部分內(nèi)容，當應用于半導體行業(yè)時，該質(zhì)量管理標準適用于所有醫(yī)療設備。
