摘要：医疗电子正在成为半导体市场发展的新热点，作为与每个人健康息息相关的技术，理应获得我们更多的关注。
关键词：医疗电子；家庭监控和诊断；医学成像；临床设备
DOI：10.3969／j.issn.1005-5517.2010.09.001
虽然我们注定逃不开“生老病死”的自然规律，但我们可以在一定限度内延续生命。19世纪末期，人口平均寿命还仅仅平均为40岁上下：1980年，世界人口平均寿命已达61岁，1997年的统计结果显示，全球人口平均寿命为62.27岁，2009年，中国的平均寿命是73.05岁，平均寿命的显著提高很大一部分原因来自于医疗水平的提升，其中电子技术的应用功不可没。
火热的医疗电子市场
医疗行业正在经历转变，并被视为能够抵御衰退的市场之一。虽然相较于消费产品市场，医疗市场的变化速度相对缓慢，但也足够显著。技术不断演进，医疗电子市场广受半导体厂商关注，甚至有潜质成为超越通信和PC的半导体最大的应用领域。对比两者，医疗电子的前景丝毫不落下风。以手机为例，如果说每人一部手机是理想极限的话，我们不妨设想一下医疗电子的市场规模：—个家庭应该会配备的设备有电子血压计、计步器、血糖仪(包括胆固醇检测)、心电监护仪、电子体温计、简易呼吸器等等，按照s口之家计算，医疗电子设备需求量就超过了人口数量，这还不包括巨大需求量的医疗诊断和治疗设备。
人民生活水平的提高，社会的老龄化，政府对社会医疗健康投人的加大，是医疗设备市场需求的主要推动力；而技术的进步，尤其是电子技术包括半导体产品的创新将是市场的催化剂。全球医疗电子市场的热闹，一方面得益于电子技术的进步，男一方面受到以下趋势所影响：(1)人口老龄化，世界老年人口比例从20年前的11％增加到2007年的20％。(2)人们生活水平提高带来的对健康的关注度提升，人们对于增进健康照顾的期望持续增加。(3)保险公司和雇主在医疗开销的支付和保险范围逐渐消减，但受保人或病患需缴纳的医疗保健费用却日益增加。(4)科技的进步让一些轻微的疾病可在家庭内部进行早期分析、预防与治疗，远比去医院便捷廉价。
因此，医疗行业经历了从治疗到预防的范式转移(paradigm shift)。亚洲地区的政府和民众都更多地依赖医疗技术，并鼓励使用便携式家用监控和测试设备。预计今后数年内便携式医疗电子产品市场将会快速扩张。中国的医疗改革，技术创新以及医疗电子技术的便携化和家庭化趋势推动了并将继续推动中国医疗电子业务在未来一两年的持续增长。这些增长将主要来自于包括大型设备的便携化产品在内的传统医疗设备行业。行业标准、技术和相关政策的相继成熟，以及医疗设备便携化，将实现家用医疗保健产业更加快速的增长。数字化和以及基于此的网络化／远程化则会在另一个方面推动医疗电子的市场需求，例如x光机从模拟到数字化的转换，各种医疗电子设备的互连和数据库的共享等。
留意临床、成像以及家庭医疗这三个大类电子医疗应用，不难发现它们拥有共同的发展趋势。家庭医疗应用要求电子设备易于取放、便于使用，并且具有追踪、测试、监控、响应和向医院发送检查数据等能力。另外由于这类应用电子设备为手持式，小型化就成为最大的要求。对于成像类应用，便携性和低功耗产品的需求正在增长。例如便携式超声波仪器可缩短诊断时间；而在发展中国家的偏远地区，医生可以携带电池供电的临床设备：在军事医疗环境中，则可以对受伤士兵的组织和骨骼进行快速诊断，然后再将伤兵运回基地接受治疗。在这些应用中，对便携性的需求意味着更长的电池使用寿命，因而要求使用的电子设备具有低功耗的特点。在临床类应用中，可靠性和安全性被放在第一位，因为医护需要基于所收集的数据来制定治疗决策。例如胰岛素泵需要定时对患者施加预设的药物剂量，所以要求所使用的电子元件具有很高的可靠性。对于高成本的临床设备来说，系统必须保持生产多年才能收回它们的开发成本，所以这类设备的制造商要求所使用的元器件在终端设备的整个生产期内都能够从市场上采购到。
医疗用半导体的需求
医疗应用是半导体增长最迅速的领域之一，根据市场研究机构Databeans的统计，全球医疗电子支出每年增长15％。该机构还表示，医疗应用的半导体消耗量每年增加11％。至2012年医疗电子用半导体产值将接近50亿美元，其中家用和便携市场成长速度最快，年复合成长率高达16％。辅助复健、治疗装置、监视／传感器与遥测装置等，成为家用电子医疗市场的大头，光以血糖测量仪来看在2009年就有85亿美元商机，而到了2012年将成长到9s亿美元：而有益健康的家用医疗装置，预估更将大举成长2s％。图1显示了中国便携医疗市场的发展情况。
医疗电子三个主要发展领域(家庭测试、监控和诊断：成像；以及临床设备)中，临床设备仍然是最大的营收领域，其中包括：诊断实验设备、监护仪、植入式胰岛素泵，以及心脏起搏器。这些临床设备将不断追求更高性能，而便携和保健化／家用化将是该领域增长的另一个强劲动力。医疗保健正在向基于家庭的应用转移，这些通常采用电池供电的应用设备(如家庭输液泵、电震发生器、便携式血糖及胆固醇监控器、数字血压监控器，以及呼吸治疗产品)。
医疗屯子设备在精确性、稳定性、灵活性、功耗、性价比等方面有着很高的要求，便携化和远程化的趋势则对芯片设计在以上方面提出了进一步要求。医疗设备开发商在选择关键器件时，通常采用电子行业中最严格的标准。随着复杂的医疗照护技术日渐转移至照护点与家中，医疗系统对于尺寸大小、成本、耐用性、性能、以及易用性的需求也变得更具挑战性。模拟半导体制造商所面临的挑战则是要开发出能够提供使下一代医疗装置(其中包括了更轻、更小的便携式医疗装置)得以宴现的高集成性芯片技术。
小型化：对于大部分医疗应用来说，所需要的是将足够的处理能力集成到给定空间中。当然，医疗设备的尺寸大小可能与某些重要约束条件有关。比如，便携式血糖仪的外形和形状类似于PDA。对植入式设备，如心脏起搏器、用于治疗中枢神经系统失调的神经刺激设备和助听器等，考虑到它们所要植入的部位，尺寸是相当重要的。
低功耗：除小型化之外，低功耗是另一个发展趋势。对植入式设备而言，功耗最小化和电池寿命延长的好处不言而喻。外用医疗设备对功耗也很敏感。随着电子元件日趋小型化。以往的固定式医疗设备正在变为便携式。过去在医院必须动用推车来运输的超声波成像仪，现在的外形尺寸就像一部笔记本电脑。自动外用电震发
生器(defibrillator)现正广泛采用。从空气中提取氧气对病患进行氧气治疗的便携式制氧机，现在可以像钱包一样挎在肩上。所有这些设备都是依靠低功耗和小外形尺寸来实现的。
其他的挑战包括：半导体行业的变化速率远远超过医疗设备(销售采用最新工艺的最新产品较为困难)；医疗设备客户需要经过现场证明不会废弃的技术，以便满足严苛的医疗设备指导条例。
另一个方面，随着医学的发展、治疗手段的多样化和相关工程领域技术的不断进步，医疗电子设备正变得日益复杂化，事实上很多大型医疗电子设备都由多个子系统组成，需要集成多种传感器、机械部件、电子元件比如微处理器，还会涉及到多种专业总线和协议，其研发周期也是相当长，可能需要2-3年甚至更长的时间。在这种情况下，技术上的挑战往往并不在于单个技术领域所遭遇的瓶颈，而在于如何陕速整合多种技术、缩短整个医疗电子设备系统的开发时间、提高创新程度。
特别的，过去几十年，能够帮助医疗设备提高精度的半导体会更好地推进医疗电子的推广和普及，高精度数模转换器(DAC)在数据转换领域取得突破性进展，有助于为临床医生和放射科医生提供超清晰的图像，帮助他们看清比以前更细小的解剖结构和病变，如乳癌细胞。在大多数医疗电子产品如血压计、心率监控仪和脉冲式血氧饱和度仪(palse oximeter)中，实际的生理学信号都是低振幅的模拟信号，在这些信号在被测量、监控或显示之前，需要使用放大和滤波等信号调整技术。如果微控制器(MCU)能够提供超低功耗特性并带有嵌入式高性能模拟外设，就不仅可以提供数字滤波和处理功能，还能够支持生理学模拟数据的参数结果显示，而其市场接受度将会大大增加。现代化工艺技术已能够实现以单一SoC器件的形式将上述要求转为现实，通过使用与低功耗MCU相集成的嵌入式高性能外设如运算放大器、ADC和DAC，能够简化以电池供电的便携式医疗电子产品的模拟前端设计。
MEMS作为前沿技术，在医疗电子设备中将得到越来越多的应用。如采用MEMS加速度传感器，结合心电图(ECG)，可综合判断患者的心电图及相应的运动状况，并可以监控病人不正常情况(如老人跌到)的发生。除了芯片本身性能和功耗、尺寸的耍求，由于这些应用都是在前期研究中，对各种状态的判断和计算所需要的原理的认识也是很大的挑战。
此外，许多医疗设备具有的功能与其他类型的应用类似。因此，医疗设备中会使用许多通用半导体部件。医疗设备制造商通常会对他们的供应商提出一些其他在市场中不常见的要求。例如，医疗设备制造商必须遵守其设备销往的国家／地区政府机构制定的法规。制造商执行的体系需要具有不同程度的灵活性，以满足这些法规要求。大多数情况下，为了满足这些法规要求，制造商会对他们的供应商提出一些特殊要求。各个制造商提出的要求各不相同，因为这些要求是基于每个制造商自己的质量管理体系。例如，对于可追溯性，不同制造商会执行不同的管理体系来满足这一共同要求。即使面对的法规是相同的，两个不同制造商也可能会使用不同的体系来达成目标。这意味着半导数据从家庭监控系统传递给PC或到所连网的医院的需要，带来对无线连接能力的需求。在收发患者记录时需要注意数据传输的安全性。便携设备的数据速率不高，有些情况下在远郊可能无法使用，连接能力、RF干扰，以及远程故障排除因而成为主要的难题。而对于实现这类功能的医疗电子设备。目前仍然缺少定义明确的法规标准。为了应对不断增加的挑战。半导体供应商正在不断创新，现在提供的方案是完整的方案，不仅仅是芯片。例如：当便携超声波仪器已经引进显示器时，仅仅展示芯片如何工作已经不再被接受：而使用一个开发工具套件或演示套件来展示如何实现完整的解决方案却变得更为重要。完整的解决方案可包括一个视频卡、LCD控制器、LCD面板、IP、参考设计，并能够实现色彩空间转换、缩放、Alpha混合、屏幕显示(OSD)、帧缓存器控制。以及视频定时生成等功能。企业的观点
ADI亚太区行业市场总监周文胜坦言该公司在满足医疗应用的产品长寿命周期上具有长期的传统和清晰的策略。采用严格的质量控制过程来实现产品的可靠性。相对于其他的一些行业，医疗设备要求半导体产品具有更高的性能和稳定性、可靠性，也包括更稳定的供货和更长的生命周期。所以ADI不光是在产品的研发和生产上。在产品的供货和生命周期等方面也尽量满足市场和客户的需求。ADI对通用器件的投资很大，着力于提高器件的精度和稳定度，满足医疗设备的发展需求。针对超声波设备和CT等应用通道密度越来越高的趋势，ADI不断推出高集成高性能的产品。比如用于超声波的AD9272和AD9273八通道集成式APE，以及128通道的CT模拟前端ADAs1128。另一方面是家用医疗设备的主要要求将集中在省电、节省成本和设计简单等方面。因此，集成式解决方案将是制造商的首选。不过，家用型设备现在甚至也要求更高的性能，这是因为使用环境正变得越来越复杂，例如在移动的状态下将需要更高性能的模拟和数字技术。ADI技术能为医疗行业客户带来差异化，向医疗保健用户提供线性、混合信号、MEMS和数字信号处理技术方面的全面产品组合，可用于影像、病人监护、仪器仪表、消费类和家用医疗等领域。ADI还致力与系统方案的研究，为客户提供系统级的技术支持。ADI的核心技术加上系统专业知识，可以为医疗设备制造商实现医疗保健设计的差异化一一支持未来诊断和监护设备以及健康和护理设备的发展。
Linear产品市场经理Allson Steer认为，医疗电子设备正在引起家庭医疗保健市场的革命，使人们不必走出家门就可诊断多种健康问题。技术正在实现便携式自助护理保健系统，以帮助人们监视诸如血压、血糖和体温等生命体征。家庭医疗监察和监视系统允许人们控制他们的健康状况，但是这些医疗设备必须是快速和高效率，而且在最重要的时刻运行。随着便携式医疗传感器的演进，就非侵入式护理而言，对更长电池寿命和更小外形尺寸的需求变得更关键了。需要小型解决方案尺寸和低功耗的医疗电子设备例子包括：血液分析系统、脉动血氧计、数字x射线、数字体温计等等。
有些医疗测量需要模拟电路连续运行，每秒取得数千甚至数百万个读数。而有的应用每天仅需要一个读数。就这些非经常性测试而言，模拟电路仅需加一次电，进行测量，然后在一天的剩余时间中一直保持空闲状态，运行在低功率“休眠”模式。在IC上需要提供低功率休眠或打盹模式，以在断电时实现低功耗。Linear提供多种满足这些便携式家庭护理产
品需求的超低功率信号调理、数据转换器和电源IC；提供通用产品，具有很高的模拟性能，专注于效率和灵活性。能够满足大多数应用的需求。在医疗行业中，以太网供电对于我们来说是一个非常活跃的领域。客户期盼在运用我们的PD前端来设计高效开关电源的过程中得到我们的支持，从而借助这些开关电源来为那些需要在各个房间之间搬动。以实现最高利用率的便携式设备(床边监护器等)供电。 Microchip在医疗电子产品市场中的策略就是通过将独特优势引入该市场继续实现稳健的增长。Microchip医疗产品部门高级经理Steve Kennelly直言：“我们的主要关注点是手持便携式医疗设备，它们可以充分地发挥我们的优势。”举例来说，Microchip引领该行业进入了低功耗时代。让设备设计人员可以实现可能的最长电池寿命。在具有模拟信号、基于传感器的系统中。其先进的模拟产品系列(包括自动调零运算放大器)可以提供优越的性能。Microchip提供了一系列解决方案为医疗设备增加通信功能，包括带有板载USB、以太网、CAN和LIN控制器的单片机(MCU)。对于无线通信，Microchip提供了支持ZigBeeg和Wi-Fi协议的收发器，该收发器也支持Sub－GHz无线通信。为了能最容易地实现应用。公司还推出了一些经专业认证的模块，它们无需射频设计就可以使用。Microchip的目标是让医疗电子客户可以自由地创新，使他们能创造出更多新产品为人们改善医疗保健水平。
Actel产品行销经理Minal Sawant认为，作为这些应用设备的供应商，半导体供应商必须确保产品满足最高的可靠性和质量水平。这包括进行广泛的可靠性试验。以降低FIT率，执行IOS9001质量管理标准并保证持续符合标准要求。可靠性的一个重要方面包括在辐射环境下的性能，例如在肿瘤治疗设备等应用中，假如半导体器件易于受到辐射的影响，引起触发器翻转，从而改变IC的功能，可能造成灾难性的后果。Acre!产品最适合临床和诊断以及成像应用。例如：临床应用中的心率监控仪要求小型化和节能。可以使用FPGA来减轻处理器负荷，将其释放出来完成其它功能，从而实现节能和小型化。在机器人辅助外科中的机器手臂控制面板成像应用中，FPGA能够助力电压、温度、电流等系统监控功能，并将其反馈给决策用的处理器。Actel SmartFusion智能混合信号FPGA提供了一种独特的数字和模拟元件组合，利用其模拟资源如集成式ADC，电压、电流、温度监控器，以及嵌入式ARM微处理器来完成上述感测功能。IGLOO和SmartFusion FPGA圭黾供的低功耗和高集成度特性能够满足新兴的医疗电子行业的需求。
Atmel微控制器策略行销经理赵宗慧指出，虽然一般的消费电子产品的半导体器件通常对于价格非常敏感，但是便携医疗电子产品中的半导体器件(尤其是重要的微控制器)还必须满足其它严格的要求才能够取得成功。首先，它们必须非常可靠，并拥有高精度以防止误诊或错误报警。在便携医疗电子产品用微控制器市场中，竞争要素是在具有超低功耗(延长电池寿命)的微控制器中嵌入高性能模拟外设(实现更精确的测量)，并提供可选的有线／无线连接能力(这对于监控应用尤为重要)。
在便携医疗电子产品等电池供电应用中，Atmel AVR XMEGA系列微控制器可实现真正的1.6V工作电压，这意味着这些器件能够连接一个1.8V(±10％)的稳压电源，以节省成本和延长电池寿命。除了确保高模拟精度以外，XMEGA还具有高速12位模拟外设，能够实现高达2Msps的采样率，XMEGA的ADc带有增益级和过采样(over-sampling)特性，能够支持大多数便携医疗电子产品。