嵌入式系統在醫療儀器設備中的應用概述

摘要： 嵌入式系統是先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)、電子技術(shù)以及各種具體應用相結合的產(chǎn)物，是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng )新的新型集成知識系統。

嵌入式系統是先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)、電子技術(shù)以及各種具體應用相結合的產(chǎn)物，是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng )新的新型集成知識系統。

文中介紹了嵌入式系統的特點(diǎn)及發(fā)展，提出了在嵌入式系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中應遵循的原則，并介紹了嵌入式系統在醫療儀器設備中的應用。

嵌入式系統是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、半導體技術(shù)、微電子技術(shù)、語(yǔ)音圖像數據傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應用對象相結合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，反映當代最新技術(shù)的先進(jìn)水平。嵌入式系統是當今非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域，在PC市場(chǎng)已趨于穩定的今天，嵌入式系統市場(chǎng)的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統所依托的軟硬件技術(shù)得到了快速發(fā)展，因此嵌入式系統自身獲得了快速發(fā)展。根據美國嵌入式系統專(zhuān)業(yè)雜志RTC報道，在21世紀初的10年中，全球嵌入式系統市場(chǎng)需求量具有比PC市場(chǎng)大10～100倍的商機。

有機構估計，全世界嵌入式系統產(chǎn)品潛在的市場(chǎng)將超過(guò)1萬(wàn)億美元。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內對嵌入式系統的定義也越來(lái)越清晰。它是微處理器、大規模集成電路、軟件技術(shù)和各種具體的行業(yè)應用技術(shù)相結合的結果，其中各種軟件技術(shù)占了嵌入式系統80%的工作量。嵌入式系統不同于一般PC 機上的應用系統，即使是針對不同的具體應用而設計的嵌入式系統之間的差別也很大。嵌入式系統一般功能單一、簡(jiǎn)單，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制較多?？梢哉f(shuō)，嵌入式系統是不可壟斷、需要不斷創(chuàng )新的技術(shù)。

嵌入式系統歷史及發(fā)展趨勢

事實(shí)上，在很早以前，嵌入式這個(gè)概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統在20世紀60年代就用于對電子機械電話(huà)交換的控制，當時(shí)被稱(chēng)為“存儲式程序控制系統”(Stored Program Control)。

嵌入式計算機的真正發(fā)展是在微處理器問(wèn)世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠(chǎng)家陸續推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構成的系統廣泛地應用于儀器儀表、醫療設備、機器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應用形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應用市場(chǎng)，計算機廠(chǎng)家開(kāi)始大量地以插件方式向用戶(hù)提供OEM產(chǎn)品，再由用戶(hù)根據自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲器板以及各式I/O插件板，從而構成專(zhuān)用的嵌入式計算機系統，并將其嵌入到自己的系統設備中。

為靈活兼容考慮，出現了系列化、模塊化的單板機。流行的單板計算機有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來(lái)人們可以不必從選擇芯片開(kāi)始來(lái)設計一臺專(zhuān)用的嵌入式計算機，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺專(zhuān)用計算機系統。用戶(hù)和開(kāi)發(fā)者都希望從不同的廠(chǎng)家選購最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購或自制的機箱中就能形成新的系統，因此希望插件相互兼容，從而導致了工業(yè)控制微機系統總線(xiàn)的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴展為帶寬達40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設計的簡(jiǎn)單STD總線(xiàn)廣泛應用于小型嵌入式系統。

20世紀80年代可以說(shuō)是各種總線(xiàn)層出不窮、群雄并起的時(shí)代。隨著(zhù)微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開(kāi)始把嵌入式應用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉換、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一個(gè)VLSI中，從而制造出面向I/O設計的微控制器，即俗稱(chēng)的單片機，成為嵌入式計算機系統異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進(jìn)一步提升了嵌入式計算機系統的技術(shù)水平，并迅速滲入到消費電子、醫療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運輸等各個(gè)領(lǐng)域。

20世紀90年代，在分布控制、柔性制造、數字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統進(jìn)一步加速發(fā)展。面向實(shí)時(shí)信號處理算法的DSP產(chǎn)品向著(zhù)高速、高精度、低功耗發(fā)展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導著(zhù)微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應用方面，發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國市場(chǎng)上掌上電腦不過(guò)四五個(gè)品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現出來(lái)。此外，Nokia推出了智能電話(huà)，西門(mén)子推出了機頂盒，Wyse推出了智能終端，NS推出了WebPAD。21世紀無(wú)疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)代，將嵌入式系統應用到各類(lèi)網(wǎng)絡(luò )中也必然是嵌入式系統發(fā)展的重要方向。嵌入式系統在各個(gè)領(lǐng)域應用的發(fā)展潛力巨大，其在醫療儀器領(lǐng)域的應用也越來(lái)越廣泛。

嵌入式系統

嵌入式系統的定義及分類(lèi)

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶(hù)應用程序等部分組成(見(jiàn)圖1)，用于實(shí)現對其他設備的控制、監視或管理等功能。

嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件(OS)和應用程序編程。有時(shí)設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著(zhù)系統的運作和行為;而操作系統控制著(zhù)應用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式系統通?？砂磮D2分類(lèi)。嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、交通、電子、醫療儀器、通信、工控、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應用。

嵌入式系統的特點(diǎn)

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點(diǎn)：

(1)對實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應時(shí)間，從而使內部的代碼和實(shí)時(shí)內核的執行時(shí)間減少到最低限度;

(2)具有功能很強的存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時(shí)也有利于軟件診斷;

(3)可擴展的處理器結構，以便最迅速地開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足應用的最高性能的嵌入式微處理器;

(4)嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線(xiàn)及移動(dòng)的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

嵌入式系統同通用型計算機系統相比具有六大重要特征：

(1)專(zhuān)用性強：嵌入式系統通常是面向特定應用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶(hù)群設計的系統中，它通常都具有功耗低、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統設計趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強，與網(wǎng)絡(luò )的耦合也越來(lái)越緊密;

(2)知識集成度高：嵌入式系統是將先進(jìn)的計算機技術(shù)、半導體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應用相結合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng )新的知識集成系統;

(3)系統內核?。呵度胧较到y的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現更高的性能，這樣才能在具體應用中對處理器的選擇更具有競爭力;

(4)系統精簡(jiǎn)：嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，一般沒(méi)有系統軟件和應用軟件的明顯區分。它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，便具有較長(cháng)的生命周期;

(5)高實(shí)時(shí)性和可靠性：為了提高執行速度和系統可靠性，嵌入式系統中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存儲于磁盤(pán)等載體中;

(6)系統開(kāi)發(fā)需要專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境：嵌入式系統本身不具備自主開(kāi)發(fā)能力，設計完成以后用戶(hù)通常不能直接對其中的程序功能進(jìn)行修改，因此必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

嵌入式系統在醫療儀器中的應用

醫療儀器設備的最新發(fā)展趨勢

進(jìn)入2008年，越來(lái)越多的利好消息出現在醫療儀器設備領(lǐng)域。近期，德國、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫療和全民醫療領(lǐng)域加大投入。而我國和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國也將在2008年繼續其備受世人矚目的醫療改革。這些政府級別的投入將增加全社會(huì )對醫療儀器設備的需求。隨著(zhù)生活水平的不斷提高，人們對于自身健康的關(guān)注也提升到一個(gè)前所未有的高度。今天，越來(lái)越多的高科技手段開(kāi)始運用到醫療儀器的設計中。心電圖、腦電圖等生理參數檢測設備，各類(lèi)型的監護儀器、超聲波、X射線(xiàn)成影設備、核磁共振儀器以及各式各樣的物理治療儀都開(kāi)始在各地醫院廣泛使用。遠程醫療、HIS、病人呼叫中心、數字化醫院等先進(jìn)理念的出現和應用，使醫院的管理比以往任何時(shí)候都更加完善和高效，同時(shí)病人享受到更加快捷方便和人性化的服務(wù)。

在技術(shù)領(lǐng)域，醫療儀器設備則開(kāi)始呈現向便攜性和網(wǎng)絡(luò )化發(fā)展的趨勢?？梢噪S身攜帶的血壓計、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫院中使用的呼吸機、心電監護儀必然會(huì )有越來(lái)越大的市場(chǎng)需求。而網(wǎng)絡(luò )化的進(jìn)一步普及也正在進(jìn)入醫療儀器設備領(lǐng)域，通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)技術(shù)，醫生可以遠程訪(fǎng)問(wèn)病人的資料;數字化網(wǎng)絡(luò )化的醫療檢測設備使病人不必再攜帶大量的檢測資料奔波在醫院的各個(gè)科室甚至是遠隔千里的不同醫院之間，從而節省了就醫者的時(shí)間和重復檢測的費用;而網(wǎng)絡(luò )化的醫療儀器設備和系統也使遠程醫療變?yōu)楝F實(shí)，身在某些不發(fā)達地區的重癥患者有可能通過(guò)遠程醫療獲得高水平醫生的救治而重獲新生。在我國，由于醫療資源尤其是高端優(yōu)質(zhì)醫療資源的缺乏和地區間分布不均衡引起了廣被詬病的“看病難”問(wèn)題。醫療儀器設備網(wǎng)絡(luò )化所帶來(lái)的這些益處對解決該問(wèn)題也有著(zhù)非?，F實(shí)的意義。

嵌入式系統在醫療儀器設備中的應用

由于醫療儀器設備固有的自身特點(diǎn)和以上提到的最新發(fā)展趨勢的要求，用于醫療儀器設備的技術(shù)和系統也應該與這些特點(diǎn)和要求相適應。嵌入式系統應用于醫療儀器設備，符合發(fā)展趨勢帶來(lái)的要求和變化。

醫療儀器領(lǐng)域大量醫療儀器的應用，如心臟起搏器、放射設備及分析監護設備，都需要嵌入式系統的支持。各種化驗設備，如肌動(dòng)電流描記器、離散光度化學(xué)分析、分光光度計等，都需要使用高性能的、專(zhuān)用化的DSP系統來(lái)提高其精度和速度。引入嵌入式系統后，現有的各種監護儀的功能與性能都將得到大幅度的提高。

一般來(lái)說(shuō)，醫療系統都非常龐大，但我們看到的一個(gè)趨勢是便攜式、低成本產(chǎn)品漸漸流行。便攜醫療產(chǎn)品可分為兩種：一種是手持產(chǎn)品，如用于患者監控的產(chǎn)品，像測量脈搏、血壓等的產(chǎn)品，醫生可以隨身攜帶;另一種則不一定能夠隨身攜帶，但它們是低成本、簡(jiǎn)單的設備，一般用于設備較簡(jiǎn)單的醫院。針對便攜化的趨勢，要求醫療電子設備必須具備體積小、功耗低、價(jià)格低和易于使用的特點(diǎn)。

在醫療儀器的設計方面，有三個(gè)設計策略非常重要：一是采用模塊化設計方法，采用這種方法可以在基本的平臺上設計出不同型號的產(chǎn)品;二是背板設計方法，每個(gè)大系統一般都會(huì )有背板，上面可以插很多不同的板，它可以使系統的速度很快;三是便攜產(chǎn)品。由于嵌入式系統具有的特點(diǎn)，上述醫療儀器設計策略都可以采用嵌入式系統實(shí)現。

在醫療儀器應用中，嵌入式系統的普及率非常高。在設計過(guò)程中，根據需要對嵌入式系統重新編程，可避免前端流片(NRE)成本，減少和ASIC相關(guān)的訂量，降低芯片多次試制的巨大風(fēng)險。此外，隨著(zhù)標準的發(fā)展或者當需求出現變化時(shí)，還可以在現場(chǎng)更新。而且，設計人員能夠反復使用公共硬件平臺，在一個(gè)基本設計基礎上，建立不同的系統，支持各種功能，從而大大降低了生成成本。使產(chǎn)品具有較長(cháng)的生命周期，可以保護醫療儀器不會(huì )太快過(guò)時(shí)，醫療行業(yè)的產(chǎn)品生命周期比較長(cháng)，因此這一特性非常重要?，F代數字醫療儀器設備不但包括診療設備，而且還有數據存儲服務(wù)器和接口軟件。嵌入式系統可為醫療儀器設備設計、生產(chǎn)和使用提供先進(jìn)的技術(shù)支持。

嵌入式系統在醫療儀器領(lǐng)域的應用前景

隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，數字化產(chǎn)品空前繁榮。嵌入式軟件已經(jīng)成為數字化產(chǎn)品設計創(chuàng )新和軟件增值的關(guān)鍵因素，是未來(lái)市場(chǎng)競爭力的重要體現。從醫療儀器領(lǐng)域來(lái)看，除了新的傳感檢測技術(shù)不斷運用推廣之外，對所采集信息的分析、存儲和顯示也提出了更高的目標。這就要求現代的醫療儀器具備更強大的計算和存儲能力以及更穩定可靠的性能。另外，醫療儀器作為一個(gè)特殊的行業(yè)，又要求設備能夠達到更高級別的環(huán)保要求。如何進(jìn)一步地智能化、專(zhuān)業(yè)化、小型化，同時(shí)做到低功耗、零污染，將會(huì )是一個(gè)無(wú)止境的追求過(guò)程，這為嵌入式系統在醫療儀器中的應用提供了更廣闊的天地和更高的要求。

我國目前有19.2萬(wàn)家醫療衛生機構，擁有的醫療儀器設備中有15%是上世紀70年代前后的產(chǎn)品，需要更新?lián)Q代，這將會(huì )推動(dòng)未來(lái)幾年甚至更長(cháng)一段時(shí)間我國醫療儀器設備需求增長(cháng)。2007是醫療體制改革啟動(dòng)之年，政府加大了公共衛生基礎設施的投入，給醫療儀器帶來(lái)較大的發(fā)展空間。根據“十一五”規劃，2007年“新農村合作醫療”試點(diǎn)覆蓋面將逐步擴大，2008年在全國基本推行，2010年實(shí)現基本覆蓋農村居民的目標，這對于我國醫療儀器將是重大利好。同時(shí)，中國醫療儀器產(chǎn)品結構的調整，對嵌入式系統應用于醫療儀器也提供了一個(gè)很好的發(fā)展機會(huì )，同時(shí)也對嵌入式系統的開(kāi)發(fā)者提出了新的挑戰，開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品除了應具有獨特的創(chuàng )新功能外,開(kāi)發(fā)者還應遵循一定的原則。只有這樣，才能使嵌入式系統在醫療儀器中的應用事半功倍。