嵌入式醫療設備中Android應用優(yōu)勢分析

在過(guò)去十年，特別是在最近幾年，對如何將“重量級”的主流操作系統(OS)，如Windows、Windows CE和Linux用于醫療設備，開(kāi)發(fā)人員的興趣顯著(zhù)提升。推動(dòng)因素有很多，如今的醫療設備用戶(hù)希望醫療設備擁有多個(gè)高級接口，并且很多開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)有在臺式電腦和服務(wù)器上使用這些操作系統和相關(guān)工具的經(jīng)驗。就在不久前，如果想要選擇一款功能豐富的操作系統，用于嵌入式醫療設備的開(kāi)發(fā)，那么有兩個(gè)典型的選項：微軟Windows CE（有時(shí)是桌面Windows本身）或Linux（或其它Unix變體）。

在二者中，Windows CE的優(yōu)勢在于，它是一款完全集成的開(kāi)發(fā)平臺，從設備驅動(dòng)程序一路到應用程序框架。有些開(kāi)發(fā)人員可能不太喜歡Windows CE，但Windows CE可以一種快速而簡(jiǎn)單且難度最小的方式啟動(dòng)某個(gè)項目，這一點(diǎn)幾乎很少有人會(huì )反駁。CE同樣存在不足之處：使用需要支付版稅，并且其代碼庫被微軟公司控制。但值得注意的是，后者也會(huì )帶來(lái)一些好處。

Linux和其它Unix變體具有免費和開(kāi)放源碼的優(yōu)勢，但一直以來(lái)，若要將它們用于嵌入式設備（尤其是那些配置有高級用戶(hù)接口的設備），存在很大障礙。 Linux操作系統原本設計用于臺式機/服務(wù)器，且典型分布包含有很多特性（要占用幾兆字節空間和幾個(gè)CPU周期），但嵌入式系統根本不需要或者極少用到這些特性。因此，一直以來(lái)，若要在Linux操作系統中啟動(dòng)某個(gè)嵌入式新項目，需要多名開(kāi)發(fā)人員花上幾周的時(shí)間來(lái)創(chuàng )建輕量級（lightweight）軟件映像，帶有所需的功能子集，并且有附加的供嵌入使用的資源。雖然手動(dòng)搭建Linux映像可以?xún)?yōu)化事件，但結果仍然沒(méi)有被完全優(yōu)化—有許多用于臺式機的重要代碼不能被削減，并且它們不能高效地利用存儲器、CPU和/或功率。

因此，在過(guò)去，要么選擇容易上手的專(zhuān)利系統（Windows CE），或是選擇需要開(kāi)展大量工作才能啟動(dòng)的免費和開(kāi)放的系統（Linux和Linux家族）。

谷歌的Android操作系統進(jìn)入嵌入領(lǐng)域的時(shí)間相對短一些。從根本上講，Android的目的是在Linux操作系統的基礎提供一款功能全面的嵌入式系統框架?？偟膩?lái)講，Android旨在使Linux /免費軟件像Windows CE一樣即開(kāi)即用、易于使用。

谷歌在2007年11月首次發(fā)布Android，當時(shí)它被定位成一款針對智能手機的操作系統。Android已經(jīng)取得明顯成功：在不到三年的時(shí)間里，Android已經(jīng)成為最流行的智能手機操作系統，全球有一半的智能手機使用Android操作系統。每年有10000萬(wàn)臺Android手機進(jìn)入市場(chǎng)。

開(kāi)發(fā)人員后來(lái)迅速地意識到：除了手機之外，Android在嵌入式應用中也大有用武之地。當前的很多嵌入式設備和手機具有很多相同的屬性：小尺寸液晶顯示屏/觸摸屏、豐富的圖形用戶(hù)界面、低功耗處理器、豐富的連接選項（蜂窩、無(wú)線(xiàn)、藍牙，等）、電池供電、等等。

因為要考慮可靠性問(wèn)題，在采用新技術(shù)這一塊，醫療設備開(kāi)發(fā)人員一直以來(lái)稍稍落后。在等到新技術(shù)成熟之后，再將其用于美國FDA監管的設備，這樣做很重要。但是Android操作系統是雜交品種：雖然這項技術(shù)相對較新，但是Android是以L(fǎng)inux技術(shù)為基礎的，而經(jīng)過(guò)檢驗的Linux技術(shù)已經(jīng)在行業(yè)中為人所熟知。

Android是什么？

Android是一款完整的操作系統和應用框架，設計用于A(yíng)RM處理器。

Android在根本上使用的是Linux，但為了將其搭建成一款用于快速開(kāi)發(fā)的完整框架，谷歌從以下多個(gè)方面對其進(jìn)行了升級和擴展：

1． Android內核支持用于實(shí)現更高效電源管理的擴展，并對進(jìn)程之間的通信進(jìn)行了修改。

2． Android用自己的Bionic替換了Glibc庫。Bionic庫占用的容量小且速度快，并且Bionic庫支持BSD授權而不是GPL授權，從而使用戶(hù)不需要GPL授權。

3．包括有嵌入應用程序需要經(jīng)常用到的多個(gè)庫，如WebKit（網(wǎng)頁(yè)渲染）、媒體框架、SQLLite和其它庫。

4．有一個(gè)硬件抽象層，用于定義硬件驅動(dòng)程序所需要的接口。

5．機器人運行環(huán)境，由Dalvik，優(yōu)化用于嵌入式應用的Java虛擬機和用于應用程序開(kāi)發(fā)的核心Java API組成。盡管Android的“主導模式”是在Java環(huán)境下開(kāi)發(fā)應用程序，但也可以用C和其它語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)應用程序，然后使用本地開(kāi)發(fā)工具包將其編譯成本地ARM代碼。

6． Android應用程序框架，用于實(shí)現Java Android應用程序的面向對象的標準結構。

Android是開(kāi)源的，但設計目標是為了將商業(yè)開(kāi)發(fā)人員與GPL更好地分隔開(kāi)。Linux內核在GPL之下，但Android其余大部分的內容以更為較寬松的Apache授權進(jìn)行發(fā)布，允許其在專(zhuān)有和開(kāi)源開(kāi)發(fā)中使用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，相比標準Linux，Android讓授權變得更加簡(jiǎn)單和明了。

谷歌還開(kāi)發(fā)了一套非開(kāi)源的應用程序，包括Android Market和GPS套件。它們主要被用于手機。

要不要在我的醫療設備中使用Android？

給醫療設備選定操作系統，在很大的程度上和為任何其它設備選擇操作系統是一樣的：我們選擇我們認為能夠將醫療設備的價(jià)值在其生命周期內最大化的操作系統。需要考慮的因素包括：

產(chǎn)品能多快上市？

開(kāi)發(fā)成本為多少？

這一選擇將如何影響我們銷(xiāo)售商品的成本？

授權費用為多少？

一旦我們的產(chǎn)品推向市場(chǎng)之后，維持技術(shù)性成本需要多少錢(qián)？

我們對我們的時(shí)間/成本估算有多大的信心？

如果是一個(gè)醫療項目，則還要包括以下一個(gè)額外的問(wèn)題：

做這個(gè)選擇，是否能得到一款風(fēng)險能被病人和用戶(hù)所接受的設備？

眾所周知，醫療器械和其它大多數設備不同，因為醫療器存在重大風(fēng)險，特別是病人而言。依據醫療設備對病人的危險程度以及FDA認為合理的監管審查力度，FDA將所有醫療設備劃分為三大類(lèi)。

I類(lèi)設備的風(fēng)險最小，包括像壓舌板、繃帶和基本的手術(shù)器械。 II類(lèi)設備具有中等風(fēng)險，包括心電圖機、X光機、血液氣體分析器和輸液泵。III類(lèi)設備的風(fēng)險最高，包括植入式除顫器 ，人工心臟瓣膜和植入式小腦刺激器。

相比主要針對可靠性而設計的更小型、更方便測試的操作系統，重量級操作系統（如Android）基本上更容易出現故障。這倒不是說(shuō)重量級操作系統必然經(jīng)常出故障。對于許多設備而言，每年一次重新啟動(dòng)來(lái)修復軟件鎖定就可以了。因此，所以，考慮到重量級操作系統所具有的用戶(hù)界面更好、上市速度更快以及其它優(yōu)點(diǎn)，偶爾重新啟動(dòng)帶來(lái)的不便可以被原諒。但是，對于植入式除顫器來(lái)說(shuō)，每年重新啟動(dòng)一次可能是不行的。

依據通常的經(jīng)驗，Android和與之類(lèi)似的操作系統適用于I類(lèi)和II類(lèi)設備，而III類(lèi)設備通常需要使用具有高可靠性的更小型的操作系統。當然，每臺設備的情況不同。不論是開(kāi)發(fā)何種醫療設備，我們都要充分考慮和了解與操作系統相伴隨的風(fēng)險。

一個(gè)用于獲得“兩全其美”的方法是將處理任務(wù)分成兩部分：用一個(gè)采用高可靠操作系統的處理器來(lái)執行核心功能，用一個(gè)采用重量級OS的處理器來(lái)處理沒(méi)那么重要的任務(wù)。輸液泵就是一個(gè)例子，一個(gè)采用高可靠性操作系統的處理器在輸液過(guò)程中控制電機，而另一個(gè)運行Android的處理器則運行GUI、通信，等等。請注意，用到兩個(gè)處理器的解決方案并不是一個(gè)立竿見(jiàn)影的靈丹妙藥。需要充分考慮和詳細規劃。要確保醫療設備的安全性和可測試性。

用戶(hù)眾多的優(yōu)勢

如果你所設計的嵌入式設備選擇使用Android，那么有成千上萬(wàn)部手機所運行的Android堆棧和你的嵌入式設備所運行的Android堆棧，在本質(zhì)是相同的。有大量的用戶(hù)在查找Android操作系統的漏洞，同時(shí)有龐大的開(kāi)發(fā)社區致力于修復這些漏洞。盡管Android的可靠性不如輕量級專(zhuān)用操作系統，但和從零開(kāi)始開(kāi)發(fā)Linux堆棧相比，Android是一款經(jīng)過(guò)徹底調試的系統。此外，目前有超過(guò)10萬(wàn)款支持Android的應用程序，其中有很多程序可以簡(jiǎn)化和加速開(kāi)發(fā)過(guò)程。這就是說(shuō)，Android開(kāi)發(fā)并不是很復雜，有龐大的開(kāi)發(fā)人員群支持Android。

對于那些對軟件可靠性要求不高，且價(jià)格可以支持所需硬件的醫療設備，Android具有很強的競爭力。它在功能、資源需求和生產(chǎn)力之間做了很好的平衡，并且具有以規模龐大且繁榮的Linux產(chǎn)業(yè)鏈為基礎的額外優(yōu)勢。