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   融合化學、生物和電子技術的醫療電子設備逐漸成為了重要的疾病預防、臨床診治、病人監護以及個人健康護理的醫療輔助手段。Databeans公司于2006年公布的調查數據表明，2005年全球醫療電子設備市場已達890億美元。全球人口增長以及人口老化速度的加快促進了醫院對新型醫療電子設備需求的進一步擴大。而隨著經濟增長，人們生活水平的提高以及健康意識的逐步增強，也使得用于日常健康和特定疾病治療的便攜式/消費類醫療設備成為廣受歡迎的大眾消費品。此外，在全球趨勢下，為滿足快速增長的內部市場和出口需求，中國的醫療電子設備的設計和制造產業也將得到極大的發展。 
　　應用于醫療電子設備的半導體器件主要有模擬器件、邏輯芯片和存儲器件等。半導體器件需求增長的動力來自于臨床診治用途的醫療成像設備的更高清晰度的需求以及不斷增加的便攜式/消費類監護產品的需求，從而需要更高精度的模擬器件與更高性能、更低功耗的邏輯芯片。醫療電子產品生命周期較長，對半導體器件的價格往往不太敏感，所以半導體廠商一般也樂于為醫療電子應用提供他們最新工藝的先進半導體器件。因此設計人員需要對各種半導體器件有一定的認識，以選取滿足產品性能要求、可靠性和安全性以及生命周期的芯片。 
　　為數據采集前端選擇合適的模擬器件 
　　任何醫療電子設備都依賴于對人體數據的采集，為適應新興醫療電子設備對越來越大量的數據進行高速采樣的要求，實現更高速、高精度的模擬器件成為趨勢。由于人體電流/生物電信號往往是極其微小而復雜的，因此從伴隨著大量噪聲的人體數據中提取有效信息往往極具挑戰性。這就要求數據采集鏈路上的ADC、運算放大器等模擬器件都具有很低的噪聲，這將有效提高采集鏈路的SNR特性。一般的數據采集采用10bit或12bit的ADC，而領先半導體廠商已推出了14bit和16bit的多通道ADC。為與ADC配合實現系統的精度需求，運算放大器則要具備較大的電壓擺幅、高增益等特點。半導體廠商也為需要高速數據處理的系統上提供高速CMOS工藝的運放，還有為提供低偏壓的帶JFET輸入的運放等。(見表1) 
　　飛思卡爾亞太區模擬產品市場經理Norman Chan表示高速、精準和低功耗的模擬器件是推動醫療設備發展的主要因素。因為模擬器件總是會與醫療設備的傳感部件共存，例如血壓監測設備的壓力傳感器件會由感應器件和模擬電路組成以提供放大、濾波以及為傳感器獲得人體微弱的生物信號創造條件；而無線內窺鏡檢查將需要高精度和低功率的模擬和數字電路去處理所獲得的圖像數據。Norman Chan強調，模擬器件對醫療設備性能的決定性要視乎具體應用而定。一般而言，安全和可靠性問題是多數醫療設備制造商們首要考慮的因素。對于介入設備來說耐用性、可靠性和生命周期是主要考慮因素；而類似于血壓監測這些精度要求不是很高的設備，壓力傳感器和模擬器件之間的配合將會對設備性能起到關鍵作用。另外，器件的質量、封裝、設備開發和測試的難度等都是值得工程師們考慮的。

表1：用于醫療應用的部分新型半導體器件

   德州儀器亞太區高效能模擬產品市場開發經理陳炳文則指出，利用高速ADC以及高帶寬的放大器進行精確處理是獲得高質量圖像的主要手段，用于便攜式設備的ADC則應具備與波束生成器之間的LVDS接口；而對一些高端的成像應用來說，采用高分辨率DAC進行準確定位也是必須的。此外，醫療成像應用中的模擬器件還必須擁有較高的溫度穩定性。 
　　并行處理復雜成像計算 
　　為了檢查和治療疾病與外傷，現代醫學的臨床診治需要依賴觀察來研究和判斷解剖結構與生物學功能之間的關系。先進的3D/4D醫療成像消除了解剖的需要并提供了強大的醫療診治的新方法，最大限度地減少依靠外科手段切除疾病和減少了痛楚與傷害，并有效地提高了內科醫生對疾病預防和診治的績效。這不但相應減少了病人的風險、痛楚同時也減少了后期昂貴的醫護費用。因此，前期的診斷和預防多數借助于諸如超聲波、PET(正電子放射層析成像)、MRI(核磁共振成像)以及CT(計算層析成像)等現代化的醫療成像設備。

  圖1：在大多數現代醫療成像設備中從醫生到病人的數據流(圖片來源：Intel)

   醫療成像可以概括地定義為多維醫療和生物圖像數據集的采集、處理、重構再現和交互。如圖1所示是一個在大多數醫療成像設備里的信號流：數據采集前端對病人的能量信號進行采集后所得到的原始數據交給下一環節進行去噪、平滑數據等預處理以改善信號質量；經過預處理的圖像需要經過諸如FFT算法等將成千上萬的透射測定轉換成為具物理意義的圖像或圖像數據體進行算法重構；圖像或數據體接著經后處理步驟改善和增添圖像功能后才會在屏幕上顯示，這時可以使用不同的技術對圖像捕捉重疊圖像以進行顯示，也可以對使用層析技術的圖像進行組合而得到3D圖像；最后，輔助診斷系統會利用模式判別算法對后處理的數據進行分析得出結果。 
　　實際的醫療成像一般是由系統在縱向和橫向上進行人體掃描，而由軟件再現圖像，因此要依賴高性能硬件加速算法。由于圖像算法通常用并行處理較容易實現，因此隨著醫療成像應用對高清晰度圖像需求的增長，也對DSP、FPGA或多核處理器這些邏輯芯片的并行圖像處理能力提出了更高的要求。 
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　　DSP可用于超聲波成像系統的多普勒處理、2D/3D成像以及后處理算法。2006年的醫療DSP成像市場已達3800萬美元。TI是信號處理的集大成者，除了廣闊的高精度模擬器件產品線，也擁有眾多的TMS320系列DSP。如表1中提及的TMS320C672x高性能32bit/64bit浮點DSP，實際上可以支持32bit定點、32bit單精度浮點以及64bit雙精度浮點運算。在350MHz頻率下，其CPU在單周期內可并行執行多達8個指令（其中6個是浮點指令），最高性能達2800MIPS/2100MFLOPS，因此TMS320C672x DSP適用于高端超聲波成像應用。而采用90nm工藝和TI第三代VelociTI VLIM架構的TMS320C64x+定點DSP則適用于中端超聲波成像應用，其具備1.2GHz時鐘頻率和9600MIPS性能。另外，這些DSP同時也能為MRI系統提供梯度處理控制以及為圖像重構引擎前端的信號提供處理。 
　　在醫療電子產品開發過程中，DSP和ASIC是傳統實現數字波束生成器的主要器件，但隨著處理任務的加重和復雜度的加深，具備并行處理能力和低功耗的FPGA在該領域逐漸成為主流。邁瑞的萬力勱技術經理表示邁瑞在醫療成像應用上一直都在應用FPGA，因為邁瑞認為FPGA在靈活性、并行處理能力上勝過DSP。醫療電子設備的出貨量一般不會十分龐大，若使用ASIC會使研發成本投入較高，FPGA則由于其靈活的可編程性而具備一定優勢。 
　　傳統使用定制ASIC實現圖像算法重構和后處理的方法十分不靈活，多核處理器的并行處理通過算法分割處理使性能大幅度提升。已在游戲應用取得矚目成就的IBM Cell/B.E.多核處理器已將具有復雜的數據處理和圖形分析的高端醫療成像定位為其下一個重點應用。去年九月份，上海交大學子就憑借“基于Cell/B.E.引擎架構的精確CT重構”獲得了IBM“Beyond Gaming”學生設計挑戰賽的歐亞組冠軍；而今年1月份，IBM則和Mayo Clinic宣布創建以Cell/B.E.為計算硬件核心的醫學成像信息創新中心來推動醫學成像技術。 
　　從目前的情況來看，集成了DSP處理內核的新型FPGA器件和多核處理器由于具備并行處理能力，在醫療電子中的應用迅速增長，并開始逐漸代替傳統的處理技術。而DSP則通過不斷地提供處理性能來滿足醫療成像的更高清晰度需求。 
　　終極目標：遠程醫療 
　　飛思卡爾亞太區MCU產品高級市場經理黃耀君認為，簡化用戶接口對于家用或可佩戴的健康護理設備(例如胰島素泵、血壓檢測和便攜式自動減顫器)的設計尤其重要，一鍵式操作或簡單的觸摸屏GUI可以為病人帶來很大的方便，特別是對于殘疾人；其次，家用或可佩戴的健康護理設備面臨輕型化和低功耗趨勢，未來很多的電子健康護理設備可以連續操作很長時間。半導體廠商在芯片上集成相關功能從而允許設備開發人員控制功耗以滿足產品的低功耗需求。例如TI的MSP430系列和飛思卡爾的QE系列超低功耗MCU。而Microchip的DsPIC33F系列芯片也具有空閑、睡眠等多個省電模式，各個模式還有多個選項方便設計人員靈活縮放功耗。 
　　康體佳健康聯盟(Continua Health Alliance)是致力于推行醫療設備連接和安全標準的組織，她目前擁有ISO/IEEE 11073醫療信息總線和射頻無線、USB 個人保健設備以及Bluetooth醫療裝置功能等工作組。該聯盟定義的便攜式/消費類醫療設備用的藍牙和USB傳輸技術即將推出。在新興的遠程醫療、藥物跟蹤和病人信息記錄等應用的推動下，眾多半導體廠商也推出支持有線/無線接口的醫療芯片和方案。例如，飛思卡爾的32bit Coldfire產品可以用來支持便攜式醫療監護設備的USB和以太網連接。 
　　可見，因應便攜式設計戶外移動性、低成本需求，小型化、低功耗和支持先進傳輸標準將是醫療應用MCU的共同特點。 
　　本文小結 
　　在廣闊需求的推動下，新型的醫療電子設備不斷涌現。大多數的醫療設備還只是能夠監控和測量某個參數，新型醫療設備需要改善整體速度、質量和準確度。未來的便攜式/消費類醫療設備將更小型化、更具移動性以及可以進行無線數據交換以提供遠程醫療服務。這些趨勢驅使著半導體器件根據應用的不同而朝更高精度、更高性能或者更低功耗、更高集成度發展。