医疗设备设计研发
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医疗设备设计研发范文第1篇
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关键词：医疗电子；模拟；MCU；连接器
DOI： 10.3969/ j.issn.1005-5517.2013.12.002
医疗对高性能模拟混合信号的挑战
ADI公司亚太区医疗行业市场经理王胜指出，医疗设备种类众多，其要求也各不相同，但其共性都包括：高集成度，低功耗，小体积，系统级方案以及专业的技术和商务服务，当然，合理的价格也是成功的必要因素之一。
便携医疗领域的各类电子医疗设备要求电子元器件更高的集成度，更小的尺寸以及更低的功耗；高端医疗设备要求更快的速度，更高的精度，更紧凑的高集成度，当然更好的稳定性和安全性以及合理的价格控制已成为共性的需求。
除了传统的个人医疗电子设备如血压计、血糖仪等因其技术和市场都已很成熟，从而受到全球消费者的认可外，其他新的技术和应用也将带动未来的便携式消费类医疗电子设备市场的发展。例如，针对个人和家庭应用的生命体征信号检测等。在2013年，值得关注的的变化是在越来越多的传统的非医疗保健类的消费电子产品中嵌入生命体征信号检测的功能。
目前，中国本土医疗设备制造商正逐步向中高端高技术附加值的方向开发产品，如高端彩超、多层CT以及高端监护类产品等去扩大国内外的市场份额，我们期望能看到越来越多的接近并达到同行业最高技术水平和产品性能的本土品牌不断涌现。但我们认为这些成功绝不是技术盲目效仿的结果，而是能够找到自身的技术优势和特点，针对特定的细分市场而开发出具有技术和性能竞争优势的产品。单一的低成本已不再是赢得市场的唯一法宝，其在技术、产品定位和市场策略方面的创新同样至关重要。当然，我们必须把握开发成本相对较低，项目开发及执行效率较高的优势，也要迎合市场发展的新需求，例如移动及便携式的发展，确实扩大新产品的投入，争取早进入，早引领，并获得快回报。
医疗设备制造商要想进入市场并在市场上保持长期增长，进而不断增加市场份额， 通常有两个方面需要注意：其一是要有核心技术，其二是要有良好的市场策略和营销渠道。而两者都要与时俱进，不断地进行创新。
医疗保健是趋势
Maxim Integrated战略市场事业部医疗设备应用总监John DiCristina指出，全球范围内医疗保健的费用支出很高且在不断增长。如果能够使医疗保健系统更接近病患，并最终走入家庭，将有效降低医疗保健成本、提高收益、提升生活质量，这种可预测性医疗保健系统将是发展的趋势。让越来越多的人拥有现代化医疗保健产品，因此对便携性的要求也越来越高。在医疗保健市场，医疗设备联网越来越普及，数据可以处处共享，安全就成了大问题，医疗设备生产商将更多的注意力转向安全保护，确保患者隐私、数据的真实性、患者安全以及设备生产商自身保护。
高精度模拟的重要性
高技术硬件（如集成电路，IC）的哪些特征会在不断变化的医疗市场中取得竞争优势呢？“在我看来，答案非常简单，但不很明显。”Exar高性能模拟产品应用工程副总裁 Craig Swing说。我们生活在一个数字世界，但人类不是数字。人类是模拟生物，我们有5种感官：视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉，这才是模拟的核心。数字仿真如视频、音频和许多触摸屏应用程序等许多东西，仍通常需要系统里的某种模拟数字电路（ADC），或数字模拟电路（DAC），才使其工作。这就意味着要采用数字处理中必要的数字电路系统，将模-数电路（ADC）和数-模电路（DAC）以及必要的原本为模拟电路的缓冲或感应放大器集成在一起，去开发未来市场中占据主导地位的专用标准产品（ASSP）。这就是为什么Exar使用最先进的连接、电源、数据压缩、模拟信号链的核心竞争力来开发下一代应用特定标准产品，为我们的客户开发新一代的医疗设备！
这些ASSP开始与核心放大器、DAC、ADC模拟电路一样独立存在。但经过精心规划，这些细胞可以结合必要的数字电路，使系统工作。这可能听上去像SoC（片上系统）技术，但其实不是。所以往往SoC开发者专注于数字电路作为系统的中心部分，在我看来，这不会为许多下一代医疗IC赢得未来。为什么？因为人类是模拟的，如果你正确使用模拟，其余的会随之而来。因此，对于高技术医疗IC，SoC开发和ASSP开发之间是有区别的。SoC开发更关注数字电路，而ASSP开发则更专注于满足消费者，病人和医疗监督者需求的模拟电路。
需要注意的另外一件事情是，接口模拟人类需求所需要的模拟电路系统既可归入高频类，也可分入高精密应用类。高精密应用有时在实现上可使用低成本的数字工艺和电路技术，但这些需要在开发超大规模复杂电路上予以投入，以减轻工艺上所带来的噪音和电压不精确等负面影响。因此，要在性能最优和成本最低方面做到优化，通常情况下，纯粹的模拟解决方案就可获得最佳的效果。这可以在集成电路级上实现，有时，如果将数种集成电路技术（模拟和数字）集成到同一个组件之内，也可以在MCM（多芯片模块）上实现。这对于高频应用而言同样正确。通常，这些会涉及到低噪声、高带宽放大器。从SoC的观点来看，在实现上存在难度；但如果从ASSP的角度来看的话，高频应用的模拟电路是可以开发出来的，因为在此情况下，各种模拟功能变成了使系统为消费者、患者以及医疗机构工作“必须要有”（must have）的电路。
总之，医疗设备与IC硬件都在以加速度扩张来满足市场需要，Exar致力于提供模拟解决方案，结合数字电路，丰富人类体验！
可穿戴产品对MCU的挑战
Silicon Labs公司微控制器产品市场总监Daniel Cooley谈到，要创造出能成功地满足所有这些挑战的可穿戴计算设备，需要开发人员考虑以下设备特性和功能。
为了以经济的价格来提供这些产品特性，便携式医疗设备、健康和健身追踪器的开发人员必须在设计中将分立式元器件的数量降至最低，以降低系统成本。半导体供应商也承担了提供功能丰富的嵌入式控制解决方案的任务，要在严格的功耗和成本预算内实现性能和可靠性的提升。这些便携式医疗设备的设计核心正是节能型的微控制器（MCU），如Silicon Labs基于ARM技术的EFM32 Gecko MCU，它在超低供电电流下可带来优异的处理性能。
像所有的便携式电池供电设备一样，个人医疗设备和可穿戴活动监测器需要极致的能效来使电池寿命最大化。一些设备使用可充电电池，而其他的产品则设计为使用高性价比的用户可置换的锂离子或AAA电池即可运行数周或数月。例如Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU就是这类电池供电便携式应用的理想选择，因为它们在所有能耗模式下都提供行业领先的能效。
易用性也是便携式医疗/健康追踪器产品的根本要求，因为它可减少由操作员失误所致的测量错误。这类用户友好型设备应该要求最简易的用户交互，以实现正常的操作、一种简单化的用户输入（例如更少的按钮和流畅的软件菜单）和大型容易查看的显示（如带背光的大型液晶显示器）。为了支持这些功能，MCU必须提供现场可编程非易失性存储器（通常为系统内可编程闪存），以及灵活的I/O配置来充分利用有限的管脚。
个人医疗市场广泛使用了通用串行总线（USB）接口，来支持标准化的数据和信息传输，而不受限于哪家设备制造商。个人医疗设备制造商可从各种各样的、带片上USB控制器的8位和32位MCU中选择，也可考虑各种单芯片、“即插即用”桥接解决方案，它们支持从USB转接到UART、从USB转接到SMBus和I2C、甚至从USB转接到I2S（使终端产品能够容易地添加音频功能）。USB桥接极大地简化了USB在个人医疗设备设计的实现流程。桥接芯片通常用所有必需的USB软件实现了预编程，消除了开发人员必须具有很深的专业知识来实现复杂的USB规范这一局限。
数据的无线传输将使个人医疗、保健和健身应用的连接变得更容易和更方便。RF发射器和接收器与MCU协同一致工作，能为多样化的便携式/可穿戴设备应用提供无线连接。此外，无线MCU——如Silicon Labs基于ARM的 Ember ZigBee SoC这样的单芯片器件，集成了一个MCU内核并带一个RF收发器——现在就能广泛地提供给医疗/健康追踪器的开发人员。无论使用何种连接方式或系统架构，通信协议栈在MCU中将需要更多的代码空间。因此，在更小占位面积的器件中具有更大的内存将是日益增长的需求。
助听器刚刚兴起
安森美半导体消费类健康产品线高级经理Jakob Nielsen说，对于中国本土企业的特点，以助听器为例，当前中国市场对听力方案的需求刚刚兴起（例如为数众多的较小公司目前正推广多种多样的助听器方案，同时也在开发具有更多功能及优势的下一代助听器）。此外，有些公司专注于因应人工耳蜗需求，这些人工耳蜗通常旨在用于患有严重听力障碍的儿童。中国本土的助听器制造商可以采用像安森美半导体这样领先半导体供应商提供的先进预配置DSP系统，快速地从设计转向生产，加快产品上市，在市场竞争中占有利位置。
严苛环境对连接器的挑战
为乡村诊所制造医疗电子诊断和监控设备的设计工程师面对开发用于严苛环境中的产品的挑战，比如极端的温度和非传统震动、振动。这些情况通常在医院设置环境中并不存在。
在设计耐受严苛条件的设备时，医疗系统互连产品的选择是一个关键的考虑事项。领先的互连产品制造商采取的一个方法是堆叠具有极低侧高（0.7mm高）的PCB板对板连接器，具有窄的占位面积（2.5mm宽），这样的互连产品通常具有高保持力、双触点系统，提供强大的电气信号完整性锁定。
领先的互连产品供应商提供的堆叠连接器材料是额定温度高达260℃的高温LCP塑料，并且镀有闪亮的金层（最小4μ”），这是用于严苛环境的最好的信号触点镀层材料。另一个关键的互连特性是小间距，范围为 0.2mm。
由于医疗设备设计人员需要在更薄、更小的空间中装入越来越多的功能，具备这些特性的连接器至关重要，因而连接器密度和热管理成为挑战。
与传统的冲压成型连接器相比，微机电系统（MEMS）技术正在帮助减少60%的空间需求，微型柔性板对板（flex-to-board）和板对板应用中的MEMS技术已经经过测试，可以耐受最高60G震动/振动。此外，这项技术能够提供最高5A的连接电流，实现低功率。当处于严苛应用中时，这些特性可让医疗设备运行良好。
医疗电子的三个变化及挑战
风河智能系统部门总经理Santhosh Nair 称，相对于席卷全球的物联网大潮，医疗电子领域对这种技术似乎有点滞后。值得欣慰的是，这个情况已经开始改观了。这主要体现在以下几个方面：第一，移动健康的概念和相关产品开始引起人们的关注；第二，随着BYOD（Bring Your Own Device，自带设备）在各个领域的兴起，有些医院也开始接受一些患者把个人平常在家使用的健康护理设备带入医院来使用；第三，医疗设备开始呈现集中化（Consolidation）的迹象，以便节省空间和能耗。
医疗电子领域接纳物联网概念之所以相对滞后，也是有其客观原因的。这些原因依然是必须逾越的挑战。
第一大挑战就是基础设施的更新。尽管无线网络覆盖率越来越高，电子产品越来越普及，但与之配套的医疗环境基础设施仍然是传统上比较老旧的。大多数厂商都比较热衷于人们直接看到的终端医疗设备的研发制造，对于处于后台的基础设施方面的投资热情还不高。
第二大挑战是产品整个生命周期的成本仍然难以管理控制。医疗影像设备、血液透析机、心脏除颤器等设备每年都有很大的采购量，但这些设备的更新换代却很慢，有些型号十几年都没有换，因为法规非常严格，而制造商也不愿意冒风险去改变任何功能，更别说利用软件来实现设备的更新换代了！这跟一般消费电子产品几个月就换代的周期相比是极大的反差。
第三大挑战是信任度问题。医疗行业对电子系统的信任度相对滞后。其实，能源、航空等重要领域也是如此。相比之下，银行业就走得比较靠前，ATM早就十分普及了，许多业务都可以在网上办理。面对面的金融服务已经过度到比较复杂的理财业务了。
你可以想象，不论是医务人员还是患者，她们日常生活都习惯了使用智能手机、平板电脑，在医院或者健康护理的时候却不得不使用款式老旧的医疗设备，那种反差是多么明显。大家一定都希望医疗设备也可以尽快跟上时代的进步。
对中国本土企业来说，中国已经是全球制造大国，说明中国是有能力开发和制造出让全世界满意的设备，当然包括医疗设备。中国要把已有的竞争优势发挥出来，就必须补上自己的"短板"，这就是从产品设计到制造都遵循国际标准与规范。尽快获得国际规范认证，是中国医疗设备提升并进入国际市场的敲门砖。
部分厂商的产品和方案
ADI
AD8232：单导联心率监护模拟前端
ADI针对各类生命体征监护应用推出了一款低功耗、单导联、心率监护仪模拟前端（AFE） AD8232，专为满足新兴的健身设备、便携式/佩戴式监控设备和远程健康监护设备的ECG信号调理要求而设计。AD8232 AFE将健身和医疗监护的价值和性能提升到一个新的水平。中卫莱康科技发展有限公司基于ADI单导联心率监护仪模拟前端AD8232设计实现的主打产品：“心博士”远程心电监测仪，目前该产品已具备实时心电监测和血压、血糖、血脂和运动数据上传及管理功能。
Maxim
就可穿戴医疗部分，Maxim的体征监测服（FIT shirt）代表了未来医疗保健的一个发展趋势。该体征监测服能够以三导联心电图方式监测心电信号；此外还集成加速计，能够监测活动量，报告脉搏速率；内部还包含温度传感器，能够监测体温。所有监测数据通过蓝牙上传到智能手机，这就是第一代体征监测服。现在正在研发第二代体征监测服，将包含更多的Maxim产品：将使用Maxim自己的加速计、自己的蓝牙RF芯片，还将在产品内增加安全功能。Maxim不仅会增加蓝牙无线接口，还会增加近场通信接口。
村田MEMS传感器创“主动智能生活”概念
智能医疗领域，村田的MEMS设计和制造技术造就了体积小，功耗低的性能，这使村田在内置式医疗领域占有领先地位。
“主动安全检测”是村田在医疗领域不得不提的一个主张。突发性疾病，如心脏病，往往给治疗带来了被动性，即使是在病房里，从病情发生到处理，这之间的滞后性也可能随时为生命安全直接造成威胁。因此，在临床上，我们更需要提前对各种突发性的疾病进行早起预防。例如借助心脏冲击扫描：村田高精度的MEMS加速度传感器，可通过感知人体的心跳引起的机械振动为医生快速精确地提供患者的心率，每博输出量，呼吸率，心率变异性等指标。这针对心脏瓣膜病，冠心病等的早期检测，能提供重要的参考数据。再比如高风险的植入式心脏起搏器的应用，通过村田独有的3D传感器技术，实现了对于患者人体运动状态的检测并动态调整搏动输出量。换言之，传统的心脏起搏器，通过每分钟固定输出一个搏动量来支持心脏病患者的心脏搏动需求。但通过村田的MEMS加速度传感器，可以感知患者的不同运动状态诸如奔跑，上下楼梯，睡眠，下蹲等，进而根据这些运动状态所需要的心脏搏动能力，动态调整每分钟的输出量。此外，村田还有能够在手术以及治疗过程中更灵活方便地调节角度变化以及捕捉动态影像的倾角传感器，以及用于眼压监测、脑压监测等领域的元器件。
安森美
安森美半导体的可穿戴医疗设备研发活动着重于三类关键领域：听力健康、病人监测及疼痛管理。这些领域的特征是需要小巧、可穿戴、采用电池供电的设备，都包含两项关键技术特征：超低电平的信号感测、信号处理及控制。
在助听器领域，安森美提供公开可编程的DSP方案及预配置DSP系统，这两种方案的特征包括领先业界的性能参数，如24位高精度计算及超高音频保真度。安森美的可编程DSP方案可使客户能够使用全集成开发环境，应用他们自己独特的音频处理算法。
风河
风河已经推出了自己的物联网软件平台--Wind River Intelligent Device Platform （IDP）。
医疗设备设计研发范文第2篇
MCU正集成越来越多的模拟和混合信号，有些MCu公司干脆称之为SoC。那么这是否意味着未来MCU不再是创新的中心?
Silicon Labs公司Mike分析认为，2011年及以后，新一代MCU设计将提供更高级的混合信号集成技术，实现超低功耗处理、无线连接和智能感应。随着便携式和电池供电应用的增长，具有省电技术(例如片上DC-DC转换器和低压差LDo稳压器)的MCU将成为广受欢迎的解决方案。2011年，集成嵌入式无线收发器的高集成度MCU，或称为“Wireless MCU(无线MCU)”也将在应用(例如家居自动化、安全系统、智能仪表和能量收集系统)中不断增长。今后我们也将看到集成多种类型感应器(诸如电容式触摸感应器、红外线和环境光感应器，以及环境感应器)的MCU。具有成本效益、片上集成无线连接和感应能力的超低功耗、小封装MCU将在各种嵌入式应用中(例如无线感应网络)大量应用。
因此，我们认为模拟／混合信号功能将继续保持较高需求，因为最具竞争力的应用通常需要高精确度和准确度。仅有少数公司具有混合信号设计经验，从而可以在不影响性能的基础上进行单芯片集成。这些公司将继续从高难度复杂混合信号设计的迅速扩张中受益。
普芯达赵依军也认为集成更多的数模混合信号是嵌入式系统发展的必由之路，“MCU将会集成更多更复杂的模拟功能和处理模块，构成一个真正意义上的soc，它将使嵌入式系统的开发理念发生深刻的变化。”但这并不意味着Mcu会脱离数字核心，相反，这一变化会促进数字部分性能的提升以满足越来越高的处理要求。目前，普芯达不仅会设计集成了模拟和混合信号的MCU，还会在以前属于纯粹模拟电路的一些应用中开发智能化的芯片。
飞思卡尔的曾劲涛指出，模拟功能将成为MCU产品的一个差异化优势。分立模拟器件在大多数情况下仍然具有性能优势。但是。随着MCU集成模拟的功能不断增强，分立模拟器件的优势正在逐渐减弱。例如：飞思卡尔FlexisMM系列专门为医疗设备设计。集成高精度的16位ADc、DAC、运放等高精度模拟单元进一步降低系统成本，加快开发进程。
ADI公司称近期推出的BFS06F处理器集成了高性能DSP和高性能AD转换器，在400MHz主频的前提下，性能达到11.Tbit ENOB(有效位数)。
TI公司一直是积极推进MCU中增加模拟／混合信号的企业。今年1月的低成本浮点Piccolo MCU――TMS320F2866x，可以单独来实现PLC(电力线通信)。使低能耗电机控制与可再生能源应用的开发人员可采用单个F2806x MCU通过低成本方式执行控制环路、电力线通信(PLC)协议以及调制方案。
MCU集成模拟的利弊分析
最大的嵌入式芯片Mcu企业――瑞萨电子对MCu集成模拟十分慎重，去年10月才宣布在MCU研发中增加模拟／混合信号功能。瑞萨电子的邱荣丰指出，开发模拟功能的芯片不容易，因为从工艺考虑的话，模拟功能用的技术工艺是很高的，所以整个芯片会变得很大，这样会影响到成本。
上海普芯达的赵依军也认为，集成模拟带来了开发难度。由于模拟和数字开发工作集中在同一颗芯片上，芯片和应用设计难度都有所增加。尤其是在模数双方的相互抗千扰处理上，工程师们将面临较大的挑战。
市场调查公司Gartner半导体和电子研究总监Adib Ghubril对Mcu中集成模拟的观点也是谨慎的。Adib分析道，小型化可以提高系统的可靠性(主板上的芯片数量更少)、使体积更小(从而提高可用性和灵活性)，并能使人们获得更高的收益。但是，与其具有相似功能的纯粹的数字MCU相比，混合信号MCU存在性能降低的问题，一尽管目前人们尚未弄清两者之间在系统级(即主板级)上存在何种差异。而且，相比于模拟和数字电路分别按照各自独立的技术路线图发展、数模集成会增加晶圆片级的风险：承担这些风险必须能够有利于给我们带来回报。通常，虽然我们期望Freescale以及Kenesas(瑞萨)等领军企业能够推出体积更小的器件：但是，Gartner发现许多公司缺乏必要的资金去实施此类集成路线图。
许多公司使用混合信号MCU这种术语去描述具有板上比较器(on-board comparators)或模数／数模转换器的芯片；虽然这一术语也许是正确的，但它还是存在一些误导，“因为在我的头脑中，混合信号技术综合了类似电压基准／调节器、传感器甚至功率放大器等东西，并最终将会包含功率放大器。”但另一方面，“特殊应用”MCU的趋势一般受到嵌入界股东的支持，同时，在芯片制造商中能够更为清晰地看到这种趋势。
分立模拟器件的机会
而分立模拟器件厂商对此的看法如何呢?Intersil公司Tamara Schmitz在《电子产品世界》20lO年12期《信号链的集成与去集成》中指出：“……但你为什么要选择去集成呢?原因有很多。产品或应用可能比较新，还没到有必要投资开发一个ASSP设计的地步。其次是没有一点灵活性。万一你想升级到更高阶的滤波器，以补偿一个新的强干扰?万一你想尝试一个新的转换器配置?万一你必须快速建立一个原型产品?万一小的设计改动能让你的系统设计更加灵活，并且能容纳更多的应用和更多的客户?我个人特别喜欢的情况是：万一你希望得到更低的功耗呢?许多转换器需要1.8V电源，而许多运算放大器可能需要3.3v或5v来达到系统所需的动态范围／CMRK。分立方案的选择更多，对应用的优化也更多。许多有经验的系统设计者对电路布板和电源旁路十分精通，他们倾向于选用分立方案，这样可以保留进一步选择的便利。”
