目前,中國醫療設備產業整體步入高速增長階段。人工智慧技術在醫療設備領域的應用主要集中于智慧診療、智慧影像識別、智慧可穿戴設備相關的智慧健康管理、醫療機器人等幾個方面。將人工智慧應用於的醫學影像的識別、診斷,以及具有醫療等級的智慧可穿戴設備結合遠端醫療的使用,將會是下一個熱點。

然而,智慧醫療設備的開發卻面臨低功耗、高性能、小體積和縮短設計週期等挑戰。我們在探討智慧醫療設備發展的同時,還必須考慮到降低醫療成本的需要。為此,本刊採訪了TI、Molex、Nordic和On Semiconductor等零組件廠商,請他們談談這一領域目前有哪些好的解決方案,以及未來將會如何發展。

智慧醫療設備涉及哪些熱門應用?

Nordic Semiconductor亞太區銷售及行銷總監Wendell Boyd表示,智慧醫療設備當前的發展狀況必須結合降低醫療成本的需求這一背景來看待,特別是現在人口老齡化已經成為了世界各國社會的醫療保健管理問題。這個問題同時具有社會和經濟方面的考量,這讓人們意識到現代技術可以助力醫護人員從遠端進行多種常規健康監測,意味著許多病患可以留在家中,從而節省大量的資源。

這種遠端診斷的趨勢推動了對可攜式/可穿戴智慧醫療設備的需求。就其電子零組件而言,這意味著必須做到小型化。而Nordic提供的超低功耗(ULP)無線IC,可以為醫療設備提供優化的設計解決方案。Wendell Boyd表示,特別是ULP無線解決方案支持使用可穿戴監視器(例如心率監視器)進行遠端診斷並降低成本。「我們的許多晶片都是多協定的,這意味著它們具有多種功能,可以在多種設備中實現設計自由度;」他介紹:「例如,廣東省的一位客戶選擇了我們的nRF52840藍牙5/低功耗藍牙多協議SoC元件,為包含心率監測儀的可穿戴腕帶產品提供了無線連接和強大的處理功能。」

ADI醫療業務系統應用經理俞毅剛介紹說,該公司在醫療電子的監測方面非常看好兩大類應用:醫療影像檢測類和生命徵象訊號監測類——尤其在以家庭/個人醫療應用為新興市場的生命徵象訊號監測領域以及醫療影像檢測市場等應用。

ADI希望透過不斷投入並和客戶一起,幫助終端患者(或使用者)和醫生解決他們所面臨的問題,例如測量精度、使用方便性、成本及可靠性等問題。更希望透過與客戶的不懈努力,開創性地在業務模式和產品應用形態等方面突破已有產品形態的邊界。在醫療電子應用,為解決人們共同面臨的「看病難,看病貴」、「醫療資源分佈」、「分級診療」以及「完善基層醫療設施」等挑戰做出自己的產業貢獻。

Molex亞太區行銷經理Jamie Yung表示,微型而又智慧化的醫療設備在全球市場上需要獨特的解決方案,能夠良好應對空間上的約束以及其他的問題。這些挑戰可以是非常實際的,比如說,將電池安放到微型設備中。答案則可能是薄膜電池。羽量級的垂直構造使這類產品可以理想應用於低功耗的可穿戴式醫療設備及消費類設備,並且適合其他基於感測器的應用使用。

On Semiconductor醫療分部亞太區市場部經理楊正龍指出,目前該公司在健康智慧醫療市場上側重消費類產品,把專業的醫療設備透過其先進技術把成本做低,從而從成本上、便利性上更加貼近市場,讓消費的群體更廣。同時結合市場目前物聯網大資料的趨勢,對個人健康提出長期的追蹤、預警和建議,從而達到利用高科技為生活服務,提升醫療設備的服務品質。

包括哪些智慧功能?

俞毅剛介紹,ADI在光電、生理電勢、生理阻抗、運動、體溫等各類高精度、高性能、高可靠性的感測器、訊號處理前端和整合模組方面,都在為生命徵象訊號監測類智慧醫療設備和可穿戴設備提供可靠易用的方案。同時,該公司的COF (Chip-On-Flex)高精度、高整合度的類比前端,也在為數位平板X光機、CT、高階彩色超音波設備的高品質醫學影像的智慧診斷提供可靠保證。另外,ADI在電源管理、訊號處理及資料通訊方面突出的技術和產品,也為現在和未來的智慧醫療設備所需的更低功耗、更小體積、遠端互連提供了完整系統級解決方案。

Molex的Soligie印刷式電子元件採用獨特的整合式設計與生產製程,可以實現創新的印刷式電子感測器系統,在印刷式電子基板上整合多種元件(圖1),Jamie Yung表示。這類產品可以應用於眾多的智慧診斷醫療設備,包括可穿戴的感測設備在內,例如24小時的心臟監護器等。

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圖1:Soligie柔性混合電路。
(來源:Molex)

(圖片來源:Molex)

談到以高性價比的方式生產醫療設備,Soligie的卷對卷醫療轉換系統可以實現轉換、層壓和模切製程的完全整合,適合醫用級別應用中的膠粘劑和基板使用。同樣,高性能的柔性銀電路解決方案在聚酯基板上採用了細間距的超窄銀走線以及複雜的元件,針對傳統上在聚醯亞胺上採用的蝕刻銅走線提供了一種經濟的替代性醫療技術。

Wendell Boyd指出,現今的醫療設備採用了多種感測器,根據軟體演算法分析來跟蹤和記錄配戴者的生理狀態和性能水準,而Nordic的產品支援這種「智慧」功能。例如,前面介紹的可穿戴腕帶產品整合了由Nordic SoC元件監測的3D加速度計和心率感測器,以追蹤和記錄使用者的健康和運動資料。這款腕帶可用作24小時動態心率監測器、睡眠監測器和活動跟蹤器,用於記錄所走步數、行走距離、燃燒的卡路里和活動持續時間。nRF52840 SoC元件具有一個64MHz、32位元Arm Cortex-M4F處理器,用作CPU以管理感測器的睡眠和運動演算法實現,以及資料儲存。

楊正龍表示,隨著社會科技的發展,醫療設備從以前孤立的設備轉變成現在互連智慧的生態系統裡面的一個環節。通過大數據的分析,可以更加高效定位患者出現的問題。同時透過萬物互連的技術,可以讓醫療設備智慧偵測到問題或者潛在風險,自動給患者提出相關預警。未來的醫療設備將不再以孤立的單個功能設備存在,而是大智慧大健康醫療生態系統裡面的組成體,因此對於醫療設備互連的時延性、資料傳輸及時性、準確性、高整合度等方面都是未來智慧醫療設備趨勢。

醫療電子面臨的設計挑戰

在生命徵象訊號監測類設備,低功耗、診斷級性能、高整合/小體積、設計週期短是目前面臨的挑戰,俞毅剛表示。為此ADI提供了系統級解決方案和參考設計,專門技術團隊提供系統級的專業支援和技術服務。

在醫療影像檢測類,如X光平板探測器,設計面臨的挑戰有:更低X光劑量、快速動態影像、便攜、減少設計週期等。CT面臨的挑戰有:更多層數(16層到64層,到128層,到320層)、更低X光劑量、更低系統成本、縮短上市時間等。ADI提供的更高通道數、完整訊號鏈、更低功耗、更快速、更低雜訊的整合子系統,具競爭力的成本和連貫的產品藍圖,配合專門的專家團隊提供系統級應用支援,?明客戶克服挑戰,加快設計到發佈時間。

Jamie Yung則指出,智慧醫療設備設計的主要挑戰在微型化方面,而Molex提供的佈線系統可以節省空間,並且高度可靠並具有極輕的重量,同時還保證了堅固性。比如,Molex在2018年底宣佈推出全新的微端接產品,適合含有微小構件的應用使用。該解決方案對於行動設備產業的供應商來說是一種理想的選擇,這些供應商往往需要可分離的微端接產品,配合尺寸不斷縮小的元件使用。這類微端接產品不僅僅適用於智慧手機,還可以應用到微型化的醫療設備當中。

Molex還提供一種最暢銷的PicoBlade連接器,可滿足不斷成長的市場需求,在惡劣應用中確保安全穩固的連接效果。這些市場中就包含了醫療市場。1.25mm間距的PicoBlade連接器提供四種接頭選項,具有充分的通用性、緊湊型與靈活性。

楊正龍認為,智慧醫療設備是未來的趨勢,需要更多的資料分析運算提升智慧的體驗,就需要更高的技術處理能力,需要植入無線模組而讓醫療設備達到智慧互連的特點。同時,為了達到無線聯接不中斷的即時性,低功耗的要求是技術上一個很大的挑戰,會影響到設備的壽命和節能指標。On Semiconductor目前提供革新的Struix技術,可以提供完整的整合方案,從而使醫療設備的體積減小,並增加更多的功能;同時,該公司提供的超低功耗藍牙低功耗(BLE)產品RSL10,一方面可以提供無線連接的功能,另一方面可以達到業界領先的功耗特點(圖2)。其系統級封裝(SiP)模組則將天線、RSL10無線電和所需的所有被動元件整合在一個僅6×8×1.46mm的微型封裝中,從而大大減少了開發成本並加速了設計。此外,On Semiconductor還推出了RSL10 Mesh,除了提供產業最低功耗,還支援藍牙SIG網狀網路標準,可提供更多功能。

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圖2:RSL10可穿戴醫療產品應用。
(來源:On Semiconductor)

解決方案及差異化設計

俞毅剛介紹,ADI推出的業界首款256通道、24位元電流數位轉換器模組ADAS1131,適合於多通道、小電流採集資料的醫療CT、工業和安檢掃描器,以及光電二極體感測器應用。目前最新一代ADAS1135也已推出,在主要性能指標上都有大幅度提升,並與ADAS1131封裝相容,使用者很容易實現硬體的系統升級,以及在新設計上最新技術採納。同時,其還推出了128通道版本ADAS1134。

ADAS1256 COF 256通道整合前端模組適用於數位X光(圖3)。除了單晶片整合256通道、16位解析度、22μs線路掃描速度等性能外,該解決方案還提供了9種功耗模式。俞毅剛表示:「因為我們知道,功耗與雜訊不能同時達到最低的要求,所以功耗模式的切換功能就能使得用戶自行選擇適應當時需求的最佳功耗、雜訊模式。對於病人來說,最關心的是輻射劑量,因為在做各種檢查時,X光對病人本身也會造成傷害。對於這點,ADAS1256 COF解決方案降低探測器本身的雜訊,所以在X光劑量很少時,低雜訊的探測器也能夠接收並清晰呈現影像。」

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圖3:ADAS1256 COF前端模組數位X光機應用。
(圖片來源:ADI)

「在我們的最新產品藍圖規劃中,會進一步最佳化速度和功耗,以及整合更多系統級功能的產品,也將很快問世,並已在產業重要客戶中實際測試和最終產品開發;」他補充:「另外在超音波的類比前端晶片解決方案方面,ADI的相關產品一直引領著產業內類似產品和方案的趨勢。」

除了以上醫療影像檢測應用中的主打技術和產品,在生命徵象訊號監測方面,ADI還提供專業的監護類產品(多用於醫院內)和可穿戴產品(個人消費品或個人健康產品)。「具體來說,ADI在光電技術、生理阻抗測量、生理電勢採集、溫度、運動狀態監測以及環境相關(如氣體、CO2以及紫外線監測等)等領域都有持續投資以及產品方案在市場上的極大認可;」他指出,尤其是在光電法測量生理生命徵象訊號方面,ADI的ADPD系列感測器及訊號處理方案,正在被幾乎所有大的品牌客戶設計使用。可用於診斷級產品,也適用於消費級產品相關的生命徵象訊號的採集,例如心率、血氧含量等。

此外,ADI還提供低功耗、單導聯、心率監護儀模擬前端(AFE)——針對新興的健身設備、可攜式/佩戴式監控設備和遠端健康監護設備的ECG訊號調理而設計——面向可攜式醫療保健領域的高精度、低功耗片上計量儀,以及運動檢測用3軸數位MEMS等產品。

Jamie Yung則指出,下一代智慧醫療設備的微型化設計,需要採用既能夠最優利用空間並減輕重量,又能提供更多功能的製造技術。Molex提供的構造解決方案包括成型互連設備(MID)和雷射直接成型(LDS)技術;將它們結合到一起後,則可以在一個三維封裝內整合各種功能,從而實現高度緊湊而又羽量級的高性能設備。

MID是一種三維熱塑性載體,它整合了導電的金屬表面,從而創造出真正的機電裝置。Molex提供一系列的MID技術,而雷射直接成型(LDS)就是其中最常見的一種。LDS採用了3軸雷射,在已經使用專用催化樹脂成型的MID的表面上建立起走線。

此外,Molex旗下的Temp-Flex生產專用的電線和電纜產品,在研發上進行了大力的投資,為包括醫療在內的眾多專業市場提供技術解決方案。為了確保產品的品質與一致性,Temp-Flex採用了裝備齊全的現場製造設施。使用的擠壓製程利用了含氟聚合物絕緣層,專注於對醫療產業中薄壁的保護,並可提高在電子產業中的加工速度。Temp-Flex的全部產品線通常是針對極端條件和惡劣環境而設計,符合RoHS的規定,具備了醫療產業所需的全部可靠性,適合需要加固解決方案的用例和環境使用。

Wendell Boyd介紹,2018年Nordic推出了nRF52840多協議SoC元件;這款SoC支援複雜的藍牙5/低功耗藍牙和其他低功耗無線協議應用,而這些應用在以往是無法通過單晶片解決方案來實現的。他補充指出:「前面介紹的可穿戴腕帶通過nRF52840 SoC所提供的低延遲低功耗藍牙無線連接功能,將健康、運動和睡眠資料同步到使用者的藍牙4.0 (及更高版本)智慧手機或平板電腦上,可透過配合的應用程式查看資訊。該應用程式同時提供iOS和Android版本,整合了運動訓練、體重管理和睡眠監測功能。」

此外,他透露,Nordic最近還與一家位於深圳的醫療技術公司合作設計了一款「指夾」血氧儀。在這個案例中,客戶選擇了Nordic的nRF52810低功耗藍牙SoC元件,以提供血氧儀所需的處理能力和無線連接,血氧儀使用專有演算法和無創光學方法來精確測量配戴者當前的血氧飽和度(SpO2)、脈搏率(PR)和血流灌注指數(PI)。

nRF52810採用功能強大的64MHz、32位Arm Cortex-M4處理器設計,可實現SpO2訊號採集、SpO2演算法運行,並為佩戴者的藍牙4.0 (及更高版本)智慧型手機或平板電腦提供低延遲的低功耗藍牙無線連接(圖4)。

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圖4:Dexcom的G5行動連續葡萄糖監測(CGM)系統使用低功耗藍牙技術,將血糖資料從監護儀無線傳輸至智慧手機。
(圖片來源:Nordic)

最近,Nordic還研發了nRF91系列蜂巢式IoT模組產品。例如其中的首款nRF9160 SiP模組,其尺寸僅為10×16×1mm,適用於緊湊型可穿戴醫療設備。這款完整的解決方案整合了蜂巢式連接和物聯網應用可能需要的所有功能,外部僅需要配置電池、SIM以及天線。

楊正龍則表示,On Semiconductor擁有獨特豐富的IP技術,可以提供整合度高、功耗低、產品小型化的特點:「利用豐富的醫療產業的經驗,我們可以根據客戶的需求客製化產品,做到差異化支援,最後達到客戶產品的獨特性。」

幾點補充

俞毅剛指出,ADI以上各產品和方案,都不是單一的一代產品,而是具有戰略規劃的系列產品,目的是儘量引領市場的發展趨勢,解決使用者系統級應用難題和最終用戶使用體驗的全面提升。所以在性能提升和成本優化方面不斷改進,進而鞏固性價雙面優勢的市場地位;他總結指出:「當然,對於不同的應用場景和具體的設計目標以及使用者的判別條件的差異,有不同的相對性能比較結論。通常情況下,我們的新產品在總體性能上的提升至少要在前一代產品的基礎上提高1/3或以上。多數情況下我們都能實現更大幅度的性能。對於開創性的產品,通常可以幫助整機廠商帶來的性能提升會更顯著。當然,我們通常不會在整體性能提升的同時,給使用者帶來系統級成本上的增加。」

Jamie Yung則強調,對患者使用的醫療設備,其受控滅菌作業在醫療領域仍然是一個最苛刻的挑戰。為了因應這一挑戰,Molex有一處獲ISO13485認證的100,000級無塵室設施,能在醫療等級外科電纜和非外科電纜的生產過程中確保與產業標準和監管要求的完全合規。

對醫療級連接的需求也透過Molex的MediSpec醫用塑膠圓形(MPC)連接器系統得到了滿足。MediSpec醫用塑膠圓形(MPC)互連系統將最優的性能與易用性結合到了一起,整合了經驗證的高性價比技術來滿足醫療設備使用者嚴格標準的要求。透過一系列緊湊的高性能天線,Molex還為醫療設備的無線連接提供支援,這些天線具有多種形狀係數,適合醫療應用以及物聯網、汽車和工業部門採用的全部常見的天線協定與頻率。

本文同步刊登於2019年1月號電子技術設計平面雜誌