淺析醫療電子設備設計五大技術(shù)要點(diǎn)

產(chǎn)品設計要想成功,很大程度上取決于能否在了解客戶(hù)需求的同時(shí)緊跟嵌入式系統領(lǐng)域的最新技術(shù)動(dòng)態(tài)?；ヂ?lián)醫療可以被理解為技術(shù)輔導式護理以及在醫療服務(wù)行業(yè)實(shí)行新策略的潛力，它正推動(dòng)著(zhù)嵌入設計應用的發(fā)展。需要高性能的先進(jìn)醫療設備不但包括大型系統，也包括了手持和便攜設備。

高性能COM(模塊化計算機)使OEM廠(chǎng)商的設計可以更加靈活。有些產(chǎn)品采用了32 納米制程的英特爾 Core i7/Core i5 處理器技術(shù)、能效比高、有更多的圖形芯片可供選擇、可定制PCI Express配置并且提供ECC雙通道 RAM 以確保數據的準確。

現今的OEM廠(chǎng)商面臨著(zhù)復雜且嚴格的法規和市場(chǎng)要求。從影像、診斷、治療到病人監控和醫療信息技術(shù)系統基礎設施，設計人員用到了大量的產(chǎn)品和服務(wù)來(lái)滿(mǎn)足國際醫療標準中對硬件、軟件和連通性的要求。

設備更小巧、性能更強大

縮小設備尺寸是最重要的醫療設計趨勢之一，這主要是因為設計采用了尺寸更小的元器件。例如，之前需要手推車(chē)搭載的影像應用，現在開(kāi)發(fā)時(shí)必須要縮減其尺寸。COM通過(guò)縮減中型產(chǎn)品的尺寸以及為現有產(chǎn)品提供可升級性支持著(zhù)這種設計趨勢。

如圖中所示的CompactPCI 設備適用于需要節能、雙核性能的應用，例如醫療影像和其它實(shí)時(shí)應用。

例如，之前要求使用體積更大的單板機來(lái)完成的影像任務(wù)，現在可用ETXexpress-PC這樣的高性能COM來(lái)完成。在使用相同芯片組和中央處理單元(CPU)的情況下，若是采用microETXexpress-PC模塊，則可以進(jìn)一步縮小尺寸。此外，若是有姊妹設備不要求具有同樣強大的圖像處理能力，但是要求提高功率效率，那么可以使用microETXexpress-SP模塊。這些選擇的存在讓設計人員能為同一系列的醫療產(chǎn)品提供高低不同的性能選擇。此外，設計人員可以預見(jiàn)，若是有姊妹設備要求能夠耐沖擊和震動(dòng)，并且要能夠承受極限溫度條件，那么今后的COM也將能很好地滿(mǎn)足它們的需要，如最近推出的microETXexpress-XL。

可以承受極端環(huán)境。它可以提供高可靠性、耐沖擊和震動(dòng)，并且能在工業(yè)溫度E2(–40°~ 85°C)范圍內工作。

隨著(zhù)英特爾45納米架構的出現，小尺寸產(chǎn)品的性能得到了大幅提高。設計人員可以預期，近期的研發(fā)成果，比如英特爾32納米處理器技術(shù)，將會(huì )持續推動(dòng)醫療設備和系統在可靠性和性能方面的發(fā)展。特別是在空間、性能、發(fā)熱方面受限的嵌入式應用領(lǐng)域，45納米技術(shù)產(chǎn)品可以在時(shí)鐘頻率為1.1-1.6 GHz、電路熱功率小于5瓦的情況下實(shí)現高性能。對533 MHz前端總線(xiàn)的功率優(yōu)化讓這項技術(shù)實(shí)現最快速的數據傳送——這特別適用于那些需要在途中或在事故現場(chǎng)掃描和傳送受傷人員的圖像給醫院的實(shí)時(shí)影像工具。

數字技術(shù)推動(dòng)醫療市場(chǎng)的發(fā)展

隨著(zhù)醫療服務(wù)供應商努力于提高護理效率、改進(jìn)標準，數字技術(shù)讓醫療市場(chǎng)發(fā)生了翻天覆地的變化，并在醫療產(chǎn)品設計的許多方面扮演著(zhù)重要角色。例如，便攜設備收集醫療數據的速度和精確度滿(mǎn)足并且超過(guò)了目前的標準的要求，為醫療服務(wù)人員之間進(jìn)行安全而有效的數據傳送提供了一條大道。New Venture Research Corp的一份市場(chǎng)報告預測各種不同的市場(chǎng)因素將推動(dòng)嵌入醫療技術(shù)快速成長(cháng)。 到2013年，COM的銷(xiāo)售業(yè)績(jì)有望從2008年的0.787億美元增長(cháng)至2.56億。這意味著(zhù)COM的復合年度增長(cháng)率高達21.2%。

COM Express標準是一個(gè)PCI工業(yè)制造商計算機小組工業(yè)標準(由Kontron Corp初建，起初由Kontron、英特爾、PFU、RadiSys公司贊助)，該標準中定義的接口用于實(shí)現從傳統的平行接口與低電壓差分信號傳輸 (LVDS)的流暢轉換。COM Express既可以支持傳統的總線(xiàn)，如PCI、ATA、 LPC和HD Audio(或AC’97);也支持PCI、串行ATA或SAS和G級以太網(wǎng)等新型高速串行互連接口。做為一個(gè)不斷演進(jìn)的標準，COM Express最初設計用于適應下一代PCI Express (5 GHz)和串行ATA (300 Mb/秒)接口， 數據傳遞速率現在已經(jīng)分別達到160 Gb/秒 和1.2 GB/秒。為了確保未來(lái)COM Express模塊和載板之間的可升級性和互操作性，有五種共享信號配置(引腳類(lèi)型)被定義，用來(lái)簡(jiǎn)化系統集成。有些Pin-Out Type 只需要一個(gè)220針連接器，其它則需要兩個(gè)集成式 220針連接器來(lái)支持所有定義的信號。

此外，COM Express標準支持PCI Express Graphics (PEG)而非更古老的AGP，這極大地提高了醫生用于評估患者病情的圖片的質(zhì)量。COM Express標準其對G級以太網(wǎng) 和USB 2.0等先進(jìn)的通信技術(shù)的支持，也使得醫療人員可以實(shí)時(shí)查看這些高質(zhì)量的圖片?；贑OM Express模塊的嵌入式醫療應用通過(guò)模塊內置的串行DVO和LVDS功能消除了數據傳輸的瓶頸。

定制沒(méi)有過(guò)時(shí)

做為一款現貨供應的緊湊型模塊，COM擁有PC的所有核心功能，包括圖形芯片、以太網(wǎng)、音頻、通信接口、USB端口以及其它系統總線(xiàn)。這些功能等于是在小尺寸模塊上搭建了一臺完整的計算機主機。該模塊被安裝在定制主板上，定制主板集成了針對特定醫療終端用途而定制的面向應用的I/0和功率電路。只有定制設計的主板和特定醫療應用掛鉤，增加了一系列進(jìn)行獨特診療流程所需的功能——如醫療影像以及采集血壓或心率等病人數據。

定制方面的投入可以延伸到好幾代終端產(chǎn)品。這些產(chǎn)品采用多種CPU內核，可以通過(guò)替換CPU內核來(lái)拓展產(chǎn)品或產(chǎn)品線(xiàn)。相對的是，沒(méi)有硬件定制需求的低產(chǎn)量設計可能更適合用于標準的單板機解決方案。

標準COM實(shí)現可能會(huì )出現在未來(lái)的應用中，如微型超聲波機，它小到能夠裝在醫療技術(shù)人員的口袋里，并且能夠將圖片無(wú)線(xiàn)傳送至標準的PC上進(jìn)行遠程診斷?，F場(chǎng)急救人員可以使用這款新設備與主治醫生進(jìn)行溝通，這使得急救人員能夠在病人被送入急救室之前就進(jìn)行診療。

不管是終端用戶(hù)的預期推動(dòng)了設備的研發(fā)或是設備研發(fā)讓終端用戶(hù)懷有更大希望，隨著(zhù)新技術(shù)的興起，設計人員可以自由地擴展思路。例如，微米和納米級COM讓便攜設備的計算能力比之前的系統更為強大。microETXexpress模塊現已作為緊湊造型版納入COM Express標準。nanoETXexpress與官方COM Express標準的唯一差別就是尺寸不同。引腳定義和連接器放置與Type 1類(lèi)引腳完全同步。

醫療影像所取得的技術(shù)進(jìn)步闡明了這些優(yōu)點(diǎn)，并且應用范圍相比早幾年更為廣泛。例如，功能強大的影像設備被用于治療外傷、心臟病和癌癥等。便攜設備不再受低質(zhì)量圖像與低下的處理速度所限 。這些設備改進(jìn)減少了人工誤差、提高了診斷速度。他們使預防性醫學(xué)領(lǐng)域進(jìn)步迅速。

大型設備保持強大的計算能力

醫療設計系列的另一端，包括了住院記錄系統和大型影像應用，如房間大小的核磁共振儀和掃描機器。相比微型、便攜式醫療設備，這些大型設備在結構上更復雜，功能也更強大。這些大型設備緊隨提高計算能力的大潮，但沒(méi)有被小型化設計趨勢影響。格外依賴(lài)圖像處理的醫療應用越來(lái)越多，對它們而言，提高計算能力至關(guān)重要。CompactPCI成熟穩定的結構和高性能PCI-Express刀片機的存在，使得CompactPCI在這些應用的地位非常穩固。

CompactPCI特別適合用于需要有效處理大量數據的場(chǎng)合。憑借其分布式高速處理能力和高容量 I/O吞吐量，CompactPCI非常適用于醫療影像應用，用于改進(jìn)病人護理和將詳細數據實(shí)時(shí)傳送給病人和醫療護理專(zhuān)業(yè)人士。CompactPCI平臺產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員面臨的難題是如何開(kāi)發(fā)擁有強大處理能力的設備以滿(mǎn)足當前和未來(lái)影像應用的要求。由于用戶(hù)希望圖片比從前更精楚和更精確，從而使得這個(gè)問(wèn)題特別重要。

采用45納米技術(shù)的英特爾Core 2 Duo處理器已經(jīng)被整合到當前的CompactPCI 6U和3U產(chǎn)品。結果就是，采用新一代英特爾芯片組之后吞吐量相比上一代處理器有了極大的提高，達到了8.5 GB/秒。在功耗沒(méi)有明顯提高的情況下，CompactPCI采用多核架構等同于將內核速度提高了25%(2.53 GHz)，將二級緩存容量提高了50%(6 MB)，將前端總線(xiàn)的速度提高了60%(1066 MHz)。

總的來(lái)說(shuō)，多核的特性可以保證CompactPCI的性能， 并且沒(méi)有在散熱上投入更多成本。此外，集成有采用32納米制程CPU的CompactPCI板可以在消耗更少功率的情況下提供更強的計算性能、能夠進(jìn)一步對已部署的系統進(jìn)行升級、延長(cháng)其壽命。例如，現有的使用多達10個(gè)CompactPCI 2.16 單核、單卡槽主板系統，可以通過(guò)使用四核雙槽主板實(shí)現相同的性能。通過(guò)采用英特樂(lè )公司的32納米處理器技術(shù)、基于A(yíng)tom的低功耗處理器和多核架構，預期CompactPCI能進(jìn)一步提高性能和更加節能。CompactPCI在醫療設備市場(chǎng)中的地位不僅穩固，并且還將進(jìn)一步高速發(fā)展壯大。

CompactPCI適用于要求嚴格的醫療應用。CompactPCI配置有氣封的、高密度引腳和插座型連接器，與邊卡連接器和卡槽式連接器不同。由于電容低且阻抗受控，PCI信號的反射程度被降至最低 。盡管邊卡連接器和卡槽式連接器都適用于不用移動(dòng)的醫療設備，但CompactPCI中的高密度引腳使得其能在更惡劣的環(huán)境下工作。

例如， CompactPCI可能適用于在醫院的許多科室都要用到的手推車(chē)，并且經(jīng)常在病人之間用來(lái)用去。 CompactPCI采用220地針腳，可靠性(在 COM Express標準中有定義)很好，提供了合適的屏蔽和接地，適合降低地彈噪聲和在嘈雜的環(huán)境下持續工作。氣封型連接器將電路板和底板堅固而可靠連在一起。此外，高引腳密度允許有幾百個(gè)接地引腳，而良好接地和屏蔽和設備能降低地彈噪聲和在嘈雜的環(huán)境下持續地工作。因為醫療影像設備經(jīng)常不間斷地工作，CompactPCI的基本設計元素可以適應要求恒定高計算能力的苛刻工作環(huán)境。

醫療設備：使用壽命要長(cháng)

總的來(lái)說(shuō)，醫療設備設計人員對產(chǎn)品設計中所用的元器件有著(zhù)諸多偏好和要求。壽命管理、程序管理以及供應鏈管理對所有產(chǎn)品的設計和取得最終成功都發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵的作用。大多數醫療應用需要能夠使用10年或更長(cháng)時(shí)間的長(cháng)壽命平臺。設計人員必須選擇壽命適當的元器件，它們不僅要能撐過(guò)12個(gè)月或稍長(cháng)的設計周期，而且還得能通過(guò)FDA的審批，并且需要能夠正常工作10年之久。

因此,盡管醫療標準中對醫療設備壽命的要求大多是10年，但元器件制造商正在采取措施將醫療設備的壽命延長(cháng)到10年以上。英特爾公司大力支持元器件制造商們的這一目標，并且承諾指定的處理器和芯片組有7年的壽命。到2015年，將會(huì )有能應對這一要求的COM面世，例如綁定CPU和芯片組的microETXexpress-DC，并且在今后還將繼續提高。

技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的其它幫助包括醫療設備的進(jìn)一步演進(jìn)和醫療設備市場(chǎng)的增長(cháng)。這些技術(shù)進(jìn)步包括新的顯示技術(shù)，設計靈活程度提高、速度更快的I/O(如USB3.0)。隨著(zhù)更多針腳選項的出現以及市場(chǎng)期待的增長(cháng)，醫療領(lǐng)域OEM廠(chǎng)商需要適用于特定應用領(lǐng)域的技術(shù)和設備。低功率設計的優(yōu)勢可在更小巧、對用戶(hù)更友好和更方便攜帶的醫療設備中體現，這些醫療設備可以方便地送往需要緊急救援但醫療條件又很差的地區，比如第三世界國家。

結論

在涉及元器件選擇和實(shí)現的時(shí)候，技術(shù)的進(jìn)步(例如，通用電子設計，更具體地說(shuō)，COM取得的進(jìn)步)以及其它因素(例如，更早上市、更長(cháng)壽命、質(zhì)量和靈活性)將帶來(lái)挑戰。目前，元器件制造商掌控著(zhù)資源，并且在設計過(guò)程中扮演著(zhù)更加必不可少的角色。然而，他們不僅需要了解技術(shù)設計要求，還需要了解設計趨勢，行業(yè)影響、客戶(hù)要求和法規要求。這些設計元素使得元器

制造商-設計人員間的關(guān)系成為醫療設備能否取得全面成功的關(guān)鍵。