打造低成本的医疗检测与监测设计
2018-07-31 12:48:04   来源：EETime   评论：0   点击：

近几年来，中国正在和即将兴建的公立医院数量庞大，同时私立医院数量也在快速增加中。业界通常用“患者药品和医疗设备的消费比”指标来衡量一个地区的医疗保健水准和服务，这个数值在发达国家中一般是1:1，即医生给患者开药的钱和应用设备来检查监测预防的费用大致相当；而中国大陆则是4:1到5:1之间，这就意味着中国大陆患者大部份的支出都在买药。这也从一个方面说明国内医疗设备增长还有很大的空间。

健康及医疗产业是各国政府长期支持和投入的产业，随着人们生活水准的提高，健康及医疗服务成为中国的一个风口，越来越多的资本开始关注这个产业。再加上中国人口老龄化趋势越来越明显，医疗电子设备的市场规模将会进一步放大。但医疗设备产业给人的感觉是医疗设备采购费用贵，高端产品基本被GE、飞利浦等国外厂商所垄断，国内厂商自主研发的医疗设备很难进入到高阶市场。那么，中国企业要如何利用科技的进步和技术的创新，来设计出更低成本、更高精度，可满足更多需求的医疗电子设备呢？

本文采访业界几家半导体和传感器技术厂商，为工程师读者们带来这方面的最新技术。

更整合的传感器解决方案

据亚德诺（ADI）医疗健康事业部亚太区市场总监王胜介绍，在生命特征信号监测方面，ADI的产品和方案解决了使用者最核心的问题，包括多款用于医院的专业监护类产品和个人消费的穿戴式产品。具体来说，ADI在光电技术、生理阻抗测量、生理电势采集、温度、运动状态监测以及环境相关（如气体、CO2以及紫外线监测等）等领域都有持续投资以及产品方案在市场上的认可。

ADI医疗健康事业部亚太区市场总监王胜

他拿ADI的光电法测量生命特征信号举例说，ADI的ADPD系列传感器及信号处理方案，几乎用于所有主要品牌的客户设计。例如ADPD142、APD153、ADPD144以及ADPD174等是目前市面上（可以看到的）整合度最高（Photodiode + LED + 模拟前端采集AFE + LED驱动器 + 环境光抑制等，输出就是I2C的数字量），也是体积最小、功耗最低（十分灵活的配置）、性能最好（在体积、功耗都很有优势），以及非常成熟的方案（已大量出货）解决方案。可用于诊断级产品也适用于消费级的产品相关生命特征信号的采集，例如心率、血氧含量等。

王胜特意提到ADI在6月份刚刚量产的最新一代光电测量模组产品ADPD188，可让该类应用在功耗、性能、设计简易度、简化客户的产线流程以及成本等方面最佳化。

专注于传感器半导体设计和制造的艾迈斯半导体（ams）在医疗电子设备领域，涵盖了从大型电脑断层（CT）设备上的图像传感器，到小至比蚂蚁头更小且可用于内窥镜的图像传感器。艾迈斯半导体AIM（汽车、工业与医疗）领域资深应用工程师李铭豪特别介绍该公司一款超小型、数位化的CMOS图像传感器Naneye 2D/3D。

李铭豪认为，在医疗水准不断进步的今天，无创的检查和手术越来越得到普及，如肾脏、心、肺、喉等存在体内回圈管道的器官，操作医生利用这些体内管道，可将尿道镜或支气管镜等送至疑似病灶点，通过图像传感器得到的数据或通过内视镜的手术装置进行采样分析，以判别是否存病变。这样的检查和手术可大幅减少手术时间、减少病人的痛苦及术后恢复时间。现在许多的微创手术也开始使用内视镜的技术。当然，目前最通用的内视镜检查是胃和肠道。但不同于胃肠检查，肾脏等内视镜检查，对于内视镜的尺寸，特别是直径上有严苛的要求。

ams的Naneye 2D是专门针对微型内视镜而开发的微型图像传感器

据李铭豪介绍，Naneye 2D的尺寸只有1mm x 1mm x 1.6mm（包括内置镜头），包含250点 x 250点的图像像素；还焊接了最长至3m的连接导线，方便客户的装配及提高最终产品的成品率；具有5种不同可视角度和焦距的内置镜头可供选择；内建10位的ADC转换电路及通过LVDS信号传输；传感器部份无需任何周边器，适合小型化设计的要求。

更不可思议的是，ams还提供两个Naneye并列组合在一起的Naneye 3D产品，可实现立体视觉的效果。

将带连接线束的Naneye、用导光的光纤以及微型的手术工具用一个绝缘套管封装在一起，构成一个极细的内视镜探头。通常用于拍摄物的光源，是从控制盒处发光器件由光纤导入的，这主要可减少探头前端的直径，同时也可降低前端的温度，防止烫伤人体组织。当然，有些客户想用前端直接用LED照明，ams公司也可提供带LED的Naneye产品。

李铭豪自豪地表示，与现有的微型内窥镜竞争对手相比，ams提供的整合连接线束及内建ADC采样电路的方案，减少了周边电路的成本，提高了生产的良率。同时数字化的产品大幅提高了图像的信噪比（SNR）。

他还透露说，ams还将在近期推出更小尺寸的Naneye XS产品，尺寸只有0.65mm x 0.65mm。

Naneye产品目前已被广泛地应用在尿道内窥镜等产品中

TDK集团爱普科斯（EPCOS）大中华区温度和压力传感器产品市场部经理刘炜介绍了TDK压力传感器在医疗设备中的应用，他表示，“TDK的扩散硅压力传感器可以大幅提高压力测量的精度和准确度。经过精确的温度补偿，可确保不同温度下测量的准确性。能够协助客户提高其产品的长期可靠性，减少故障发生率和维修率。”

目前已经有欧洲和中国的主要医疗设备商采用TDK的压力传感器，广泛应用于各类气体和液体压力测量设备。例如呼吸麻醉机用绝对压力型和相对压力型传感器，可测量生化分析仪流体压力，具有检测精度高（偏差 < 0.1%）、测量范围广（高达40bar）、使用温度范围广（0~65℃）的特点。此外，抗电磁干扰（EMI）能力强、性能稳定可靠，因此使用寿命长达十年。

除此之外，《电子工程专辑》的编辑曾在展会上看到过京瓷株式会社（KYOCERA Corp.）展出的“血流传感器”也非常有意思。该血流传感器模组的尺寸非常小，只有3.2mm x 1.6mm x 0.9mm，看起来非常适合应用在穿戴式设备或整合到移动设备中。

KYOCERA的工作人员介绍，这款低功耗小尺寸血流量传感器，利用了光多普勒效应监测皮下组织血流量状态，包括根据检测资料判断使用者是否出现脱水、中暑，以及检测到血压的变化等。不过，KYOCERA也表示，传感器可以提供前端的检测资料，但是后面资料的分析结果，则要找协力厂商来合作。毕竟基于资料得出结果，这个属于医疗或保健领域的专业，半导体公司通常都会与协力厂商来合作。

据称，这款血流检测传感器，可以用在专用的耳机里，随时监测人体的一些生理指标。

更低成本的医疗成像解决方案

ADI的王胜对《电子工程专辑》表示，该公司在医疗电子的检查和监测方面重点关注的应用主要有两类，即医疗成像检测类和生命特征信号监测类。

据王胜介绍，ADI推出的ADAS1131是一款256通道、24位元电流数字转换器模组，适于多通道、小电流采集资料的医疗CT、工业和安检扫描器，及光电二极体传感器应用。ADAS1131的主要技术特性包括：无电荷损失、无死区时间的同步采样；超低杂讯；可配置电流输入范围；整合了2个可配置采样速率的高速ADC、内部缓冲器、用于数据获取的去耦和旁路电容；每通道功耗3mW；LVDS/CMOS序列界面；芯片上温度传感器。ADAS1131采用15mm x 15mm的324引脚扁型SiP BGA封装，内部包含电源和基准电压的去耦电容。球栅阵列为18 x 18全阵列，焊球间距为0.8mm，焊球直径0.45mm。0.8mm的焊球间距可使引脚间多布线，从而减少很多激光孔和埋孔，提高PCB的成品率、可靠性，进而降低成本。

目前也已推出最新一代ADAS1135，在主要性能指标上都有大幅度提升，并与ADAS1131封装相容，使用者很容易实现硬件的系统升级，以及在新设计上最新技术采纳。同时，推出128通多版本ADAS1134。

在数字X射线产品方面，其ADAS1256 COF（Chip-On-Flex）256通道整合前端模组，除了单晶片整合256通道、16位分辨率、22us线路扫描速度等性能外，ADAS1256 COF解决方案还提供了9种功耗模式，因为功耗与杂讯不能同时达到最低的要求，所以功耗模式的切换功能就能使得用户自行选择适应当时需求的最佳功耗、杂讯模式。对于病人来说，最关心的是辐射剂量。因为在做各种检查时，X射线对病人本省也会造成伤害。对于这点，ADAS1256 COF解决方案降低探测器本身的杂讯，所以在X射线剂量很少时，低杂讯的探测器也能够接收并清晰呈现图像。

王胜指出：“我们正规划最新的产品蓝图，以进一步最佳化速度和功耗，而整合更多系统级功能的产品也将很快面世，并已在业界重要客户中实际测试和最终产品开发。”

在生命特征信号监测方面，ADI则提供了ADPD系列产品。针对医院用及家用可携式医疗电子领域，ADI拥有一系列创新产品和解决方案，例如支持多种可携式医疗保健领域的高精度、低功耗芯片计量仪ADuCM350，已广泛用于国内和国外的几家代表性大客户。

除此以外，在运动检测的相关领域，ADI提供超低功耗3轴数字MEMS加速度计ADXL362，在运动检测唤醒模式下功耗仅为300nA，其超低功耗的特征是可穿戴运动监测设备的理想解决方案。

Indy宜鼎国际大陆子公司总经理游礼印介绍宜鼎在在医疗电子方面的布局。他指出，宜鼎的CF/SD卡和嵌入式存储器模组等方案已经在监护仪、超声波、血球分析仪和医疗平板等设备上被采用。目前已经推出了一些列完整的解决方案，包括DDR4 ECC/RDIMM、M.2、NVME及各类伺服器开机磁片（例如：SATADOM）等储存解决方案，可配合上述各类海量储存、边缘运算等应用上，对于365天/24小时高速运作的低电压节电环境，且满足伺服器超融合系统运作的相容性与性能上的要求。而且还根据医疗产业客户的特殊定制化要求，推出各类量身定制的解决方案。

Indy宜鼎国际大陆子公司总经理游礼印

他特别提到了宜鼎集团子公司安提（Aetina），提供了医疗专业成像需求上提供的医疗专用方案，包括MXM GPU模组，以及近期炙手可热的Nvidia TX1/TX2人工智慧平台，为医疗客户的AIoT的解决方案。

最后，他还介绍了他们今年推出的iCAP智慧管理软件，可让业界客户在设备管理上便捷掌握现场设备状况，以医疗产业应用为例，即可实现医院院内不同楼层的联网设备，通过透iCAP软件掌握系统运行状况、储存装置寿命等的即时资讯，以提前因应装置寿命到期现场更换的工作排期，降低设备突发状况发生的人员及设备调度，进而降低人员成本及提高设备使用率。

总结

王胜总结说，ADI看好医疗电子领域的技术和业务前景，将持续地战略关注，并积极参与相关的研讨并投资相关的技术和产品开发。ADI希望透过不断投入，和客户共同协助最终的患者（或使用者）和医生解决所面临的问题，例如测量精度、使用方便性、成本及可靠性等问题。更希望与客户的努力，能够开创性地在业务模式和产品应用形态等方面，突破已有产品形态的边界，在医疗电子应用，为解决共同面临的“看病难，看病贵”、“医疗资源分布不均衡”、“分级诊疗”以及“完善基层医疗设施”等挑战做出贡献。

在医疗电子设备中，传统昂贵的医疗检测设备既是医疗电子市场最大比重的医疗电子设备，也是形成国家医疗保险与病人治疗庞大费用的重要原因。而半导体厂商不断地在医疗检测与健康指标监测方面，推出新的产品来提升医疗电子产品的检测资料的精确度和产品性能，同时最好还能降低整机设备的成本，以便更多的病人能够享受到技术带来的福利。这既是医疗电子厂商需要关注的热点技术，也应该是所有从事医疗电子设备研发行业的工程师的研发使命之一。

延伸阅读：

《Maxim光学心率传感器：MAX30102》

《液体活检：从分离到下游应用-2018版》

《生物传感器市场-2017版》

《有源植入性医疗器械市场-2017版》