半導體技術(shù)是實(shí)現下一代醫療設備的基本要素

以前的大型醫療設備已經(jīng)被重新設計成如今的便攜式設備，有些設備大小如同手機，甚至更小。而像超聲波系統這類(lèi)醫療設備，過(guò)去只能用在大醫院以及大城市的醫療診所，而如今已經(jīng)普及到農村的小型醫療診所以及救護車(chē)上。隨著(zhù)醫療設備的小型化以及便攜需求的發(fā)展，為了支持包括重量越來(lái)越輕和體積更小的便攜式系統等下一代的醫療設備，半導體廠(chǎng)商面臨著(zhù)巨大挑戰，他們必須開(kāi)發(fā)集成度更高的芯片。

半導體公司所開(kāi)發(fā)的前沿技術(shù)使得工程師能設計出可以改善人類(lèi)醫療保健條件的設備。飛速高漲的醫療保健護理成本、肥胖癥和各種慢性病的流行，以及老齡人口的大量增加，所有這些因素對那些用戶(hù)可承受的價(jià)格且可靠的各種醫療設備的需求逐步提高，包括病人監護設備、醫療成像設備以及各種檢查儀器。在現代歷史上從來(lái)沒(méi)有像今天這樣，半導體行業(yè)正在為各種醫療設備的發(fā)展鋪路，挽救了無(wú)數的生命，同時(shí)還大大降低醫療保健的成本。

病人監護系統

不管病人位于醫院的什么地方，監護設備都能夠實(shí)現對危重病人的連續觀(guān)察，而且成本還要低于傳統的病床邊監護系統。通常的病人監護系統包括EKG(心電圖)、血壓、體溫、血氧飽和度以及呼吸監控系統，有時(shí)候還包括AED(自動(dòng)電擊除顫器)功能，而在這些系統中常常包含高分辨率ADC(模數轉換器)、低噪聲放大器、儀器放大器，以及在該領(lǐng)域已經(jīng)采用很多年的各種模擬功能的組合。上述這些都是成熟的、高性能系統，主要的半導體廠(chǎng)商都為其投入了大量的研發(fā)資金并開(kāi)發(fā)了許多創(chuàng )新性的芯片。

在這些系統被配備到病房的同時(shí)，它們也正變得越來(lái)越小，甚至能夠懸掛到病人的皮帶上。在不久的將來(lái)，EKG、血壓以及活動(dòng)監控將會(huì )與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，允許病人呆在自己的家中，并實(shí)現病人關(guān)鍵體征的安全和可靠的實(shí)時(shí)監控，這也將在實(shí)質(zhì)上降低總護理成本。

隨著(zhù)嬰兒潮時(shí)期出生的人逐漸進(jìn)入老齡化，需要特別護理的老人數量不斷增加，家用監控設備的需求正在快速增加。根據世界衛生組織的資料，2006年全球60歲以上的老齡人口已經(jīng)達到6.5億。而到2025年，該數字預期將會(huì )激增至12億。在美國，65歲以上的老齡人口在總人口中已經(jīng)占據前所未有的較大比重，而且在整個(gè)21世紀中還將穩定增長(cháng)。

“由于不斷增長(cháng)的老齡人口，對慢性病人的護理成本將飛快增長(cháng)，”ADI公司醫療保健分部的全球戰略行銷(xiāo)經(jīng)理Paul Errico表示，“如今為家用所設計的醫療設備能夠監控血壓、血糖水平以及心率，出現狀況時(shí)設備將會(huì )向醫生告警。這將省掉或者減少病人頻繁地去診所或醫院看醫生的費用，從而為距離醫生或醫院比較遠的病人帶來(lái)福音。”

要成為醫療保健管理的主要組成部分，病人監控系統必須與其他設備以及其他必須的病人信息資源實(shí)現充分的互操作性。盡管目前廣泛的互操作性還沒(méi)有實(shí)現，但這已經(jīng)成為醫療和信息技術(shù)行業(yè)需優(yōu)先解決的問(wèn)題。例如，一家名為Continua Health Alliance的組織目前正在與技術(shù)行業(yè)、醫療設備行業(yè)以及醫療保健行業(yè)的領(lǐng)導企業(yè)合作，以建立一個(gè)互操作性解決方案系統。

醫療成像

隨著(zhù)技術(shù)的不斷改進(jìn)，包括CT(計算機X光斷層掃描)掃描儀和超聲波系統在內的醫療成像應用持續增長(cháng)，從而為醫生的分析和診斷提供更清晰和更精細的人體圖像。在醫療成像領(lǐng)域，單個(gè)系統的通道數量呈現快速增加，半導體公司也集中精力提高集成度和降低功耗，并降低每通道的成本。超聲波、CT、MRI(核磁共振成像)以及PET(正電子發(fā)射斷層掃描儀)等，所有這些高性能系統都在推動(dòng)著(zhù)標準器件在功耗、速度、精度以及動(dòng)態(tài)范圍等性能上的進(jìn)步。

早在幾年前，超聲系統就已經(jīng)縮小到如筆記本電腦一般的大小。而如今，這些系統的尺寸正向PDA(個(gè)人數字助理)和手機看齊，小到足以讓醫生可以將它們裝在口袋里，做到隨時(shí)隨意使用。這大大地改變了超聲系統在病人護理上的應用。無(wú)疑，便攜式超聲系統的功耗和電路板面積也與目前的系統有極大的差別。

“這些應用要求醫療設備設計師在幾乎比手掌還小的設備中實(shí)現更高的圖像質(zhì)量和可靠的性能，而且還不能犧牲功率，”ADI公司醫療保健分部的全球戰略行銷(xiāo)經(jīng)理Scott Pavlik解釋說(shuō)，“為了實(shí)現這一點(diǎn)，設計師們正在充分利用基礎技術(shù)方面的巨大改善，特別是半導體器件的高度集成。超聲應用方面的IC創(chuàng )新不僅簡(jiǎn)化了設計師的設計工作，還使超聲系統的性能、體積以及功耗方面取得顯著(zhù)的改善，從而增大了產(chǎn)品應用的潛力，擴大了市場(chǎng)機會(huì )。”　　

實(shí)現一個(gè)超聲系統需要四個(gè)主要部件：LNA(低噪聲放大器)、VGA(可變增益放大器)、AAF(抗混疊濾波器)，以及一個(gè)高速ADC(模數轉換器)。2007年，ADI公司發(fā)布了首款超聲設備用集成模擬前端芯片—AD9271。該芯片利用單個(gè)IC取代了從前的分立式解決方案，芯片中集成了8個(gè)通道，每個(gè)通道都包括一個(gè)LNA、VGA、AAF以及一個(gè)12位ADC，其前所未有的集成度使得醫療設備設計師將移動(dòng)超聲系統中信號路徑的尺寸減小了50%，功耗降低了25%，所有這些都是在關(guān)鍵護理設置所需的噪聲電平以及其它性能參數得到保證的條件下實(shí)現的。

高集成度在如今的便攜式超聲系統設計中并非唯一必須實(shí)現的關(guān)鍵要素。系統還需要足夠的靈活度，并能夠通過(guò)調整來(lái)滿(mǎn)足各種不同類(lèi)型的超聲檢查需求，還要在可編程增益、濾波器截止頻率以及系統端接方面具有易用性。對于半導體廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，僅僅是定義這些極為復雜的內容并為客戶(hù)提供樣片、評估板以及數據手冊是不夠的，還需要能輕松地實(shí)現對這些產(chǎn)品進(jìn)行評估的軟件工具。所有這些都表明，半導體廠(chǎng)商與系統設計師之間的距離正在不斷拉近。

在美國，估計每年需要做6200萬(wàn)次CT掃描。CT掃描成像設備將專(zhuān)用的X光設備與復雜的計算機相結合，產(chǎn)生人體的2維和3維圖像，來(lái)診斷包括癌癥在內的各種病癥。CT掃描儀能夠以更快的速度提供更精細的圖像，病人承受的X射線(xiàn)劑量也較少。

目前或者下一代的CT掃描儀都要求大幅增加通道數量，然而無(wú)論是系統的體積還是成本都不能與通道數量同比率增加。系統中最復雜的部分，即模擬前端，是保證系統性能的關(guān)鍵。于是，為實(shí)現更多的通道數，半導體設計師必須尋找途徑來(lái)集成更多的功能，同時(shí)還要降低功耗和成本。

在CT領(lǐng)域，半導體設計師與系統設計師的合作絕對非常關(guān)鍵的。在過(guò)去的幾年里，CT的開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了大量創(chuàng )新和巨大的進(jìn)展，但在未來(lái)的幾年里仍需要更多的創(chuàng )新和發(fā)展。例如，ADI公司為醫療成像最新推出一款芯片—ADAS1128，能夠支持高層數的CT系統，以極高的精度和分辨率實(shí)時(shí)捕獲像跳動(dòng)的心臟這樣的運動(dòng)圖像。該芯片提供128個(gè)數據轉換通道，幫助診斷系統設計師開(kāi)發(fā)能夠生成人體骨骼和內部器官的清晰圖像的CT掃描儀，同時(shí)，相對于舊式的機器，還減小了接觸輻射的劑量，這在心臟病學(xué)、神經(jīng)病學(xué)以及血管造影這些關(guān)鍵領(lǐng)域中是極為寶貴的。另一方面，我們提供更高集成度的方案。今年4月我們針對CW（連續波）和PW（脈沖波）多普勒超聲推出了第三代八通道超聲接收器——AD9276和AD9277，是業(yè)內首個(gè)在單個(gè)芯片中集成了CW多普勒信號處理的增益、濾波、數據轉換和解調功能的芯片，以滿(mǎn)足從日常產(chǎn)前保健到高級心臟成像等越來(lái)越復雜的診斷要求。與此同時(shí)，針對亞洲市場(chǎng)的需求，我們在中國的工程師協(xié)調設計了心電圖（ECG）、運動(dòng)監護等方案，滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。

醫療儀器

這部分的醫療設備包括血液分析儀、血壓計、輸液泵、透析機以及大量各種其他體外用功能設備。

除了非常成熟的檢查系統外，采用前沿半導體技術(shù)的一個(gè)實(shí)例就是在血壓計中采用三軸加速度計技術(shù)。最常見(jiàn)的血壓檢查方法通常得到的血壓數據都不準確，因為手臂與心臟沒(méi)有處于相同的平面上。而采用三軸加速度計(與當前計算機游戲中所用相同)能夠測量出手臂的傾斜，從而有助于獲得精確的血壓讀數。

診斷時(shí)所用的血液分析的常見(jiàn)方法是檢查其DNA特性。當存在病毒時(shí)，血液的DNA特性通常會(huì )改變，使得血樣的阻抗呈現復數形式。通過(guò)將病毒血樣對應到這些阻抗特性，醫療專(zhuān)家就能識別并檢測出血液中的病毒。這就要求系統設計師將頻譜分析儀設計到手持式儀器里，顯然這無(wú)法利用現有的分立元件來(lái)實(shí)現。因此，他們必須與半導體企業(yè)一道，探索是否能夠將該功能集成到單芯片上，就像目前已有最新的阻抗計模擬前端芯片?！　?/p>

半導體公司通常會(huì )去實(shí)現那些高性能系統所需的技術(shù)及產(chǎn)品，真正的關(guān)鍵是在保持極具競爭性的系統功耗預算和尺寸面積要求的同時(shí)，獲得所要求的性能，還要能夠將其它的高價(jià)值功能集成到同一塊半導體芯片上，以提供最大的優(yōu)勢，這也正是半導體公司不斷努力掌握的應用知識。在這方面，我們的客戶(hù)就是我們的老師，半導體廠(chǎng)商、系統制造商以及最重要一方—病人，都能從主要技術(shù)擁有者之間的有效交流中獲益。

針對疾病控制、衛生與健康以及給藥而設計最新系統的設計師正在以半導體為基礎，設計出能夠改善人們生活的新一代產(chǎn)品。醫療設備設計師與半導體設計師之間的交流是至關(guān)重要的，因為半導體公司對醫療設備設計師的需求了解得越多，全球需要醫療護理的人們獲益將越多。

Patrick O'Doherty是模擬、混合信號和數字信號處理集成電路的全球領(lǐng)先供應商ADI公司的醫療保健分部經(jīng)理。在這個(gè)崗位上，他領(lǐng)導了ADI公司在預防、檢測、診斷和護理各種病患的相關(guān)技術(shù)的業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)和行銷(xiāo)工作。