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医疗电子发展面临两大挑战:便携化与低功耗
2021-11-25 18:12:24

摘要:医疗电子产品走向便携式和小型化成为现实。随着医疗电子领域越来越受到关注,市场上提供的半导体方案也越来越多。对于医疗设备制造商来说,如何进行合理的选择呢?迈瑞公司的产品经理认为,医疗产品便携化给设计带来的最大挑战是产品功耗问题。

标签:便携式医疗设备 家用医疗市场 移动手术

全球人口老龄化、人们生活水平提高和偏远地区对医疗服务需求增加等因素正促使传统医疗方式的变革,移动性和便携性逐步成为影响医疗电子产业的关键。另一方面,半导体技术的发展推动医疗创新的步伐以前所未有的速度向前迈进,在快速处理计算、高精度模数转换和无线网络技术进步的带动下,医疗电子产品走向便携式和小型化成为现实。

医疗电子市场是一个稳定的市场,它不像消费类电子产品那样容易形成泡沫并快速破灭,虽然该产业的投资回报期较长,但它可能为参与者提供比其它商业领域更稳定和更持久的回报。据市场调研机构Espicom预计,2010年全球医疗器材市场将突破2,000亿美元,其中,医疗电子将占45%,达到900亿美元的规模。巨大的市场前景和稳定的回报吸引了众多厂商的投入,从半导体厂商到EMS、OEM公司,他们期待能从医疗电子市场中挖掘出金矿。

便携医疗电子市场的热点应用

SteveKennelly:便携医疗电子产品对于芯片方案的要求是具备更强大计算能力的同时拥有低功耗的特性。

便携医疗电子产品的出现缘起家庭医疗护理趋势的兴起和消费者对自身健康关注度的增加。“越来越多的人开始主动关心他们身体健康的状态,这导致了个人消费者对医疗保健和简单诊断产品的需求。”Microchip公司医疗产品事业部高级战略和产品市场经理SteveKennelly举例说,比如血糖仪、血氧计、疾病控制和诊断监视系统等设备开始走向便携化,这正是应对了目前这些产品开始进入家庭的趋势。

TI公司MSP430资深市场拓展工程师鲍震表示,目前在便携医疗电子领域比较热的应用主要是带液晶显示的体温计(温枪)、血糖仪、血氧计、生化分析仪、胰岛素注射和心脏除颤仪等产品,“其中,血压计是便携医疗设备应用最广的一个市场。”鲍震主要负责MSP43016位超低功耗MCU在中国区医疗市场的推广。

鲍震指出,便携医疗设备进入家庭与人们生活水平的提高密切相关,“目前在欧美地区,血压计和血糖仪等检测产品已经成为家庭必备的一种医疗设备,而中国目前还有形成这样的环境,预计随着沿海城市和内地大城市逐步开始消费这些产品,这个市场会慢慢起来,这与生活的富裕程度有关。”他补充说,目前在中国便携医疗电子市场比较热的应用是手持式温枪,“这是S RS之后兴起来的需求,市场用量非常大。”

除了基本检测医疗设备之外,“健康产品”是家用便携医疗设备的另一个主要发展方向。“随着亚健康人群越来越多,国内许多医疗设备制造商正在走健康产品路线,比如一些厂商用我们的MCU做一些低频理疗仪,通过产生一些脉冲信号对相关穴位进行放松和保健。目前市场上的消费者对这类产品很感兴趣,未来市场前景不错。”

无疑,家用医疗市场是推动医疗电子设备便携化的主要动力之一。而与此同时,在医疗护理方式改变和偏远地区对医疗服务需求增加等因素的驱动下,医院用的大型专业级医疗设备也开始走向便携化。“最为明显的是监护仪和超声设备,以前这两类设备都以台式为主,不能断电,而现在市场上可以看到类似笔记本外观的便携超声设备和监护仪。”TI公司HPA业务发展工程师马凯认为,医院用的专业医疗设备开始走向便携化主要应对两类需求:一是对于不能移动的病人,便携医疗设备可带来医护和诊疗的方便;二是对于偏远的农村地区,医生可以携带专业设备进行上门诊疗,提高了偏远地区的医疗水平。

深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司的一位资深产品经理也表示,便携化是目前医疗电子产品发展的大趋势,它不仅实现了移动医护和诊疗,还使移动手术成为可能。“比如应用在军队中,便携医疗设备可以让医生在野外很快搭建起专业的手术室,对伤员进行及时的治疗。”此外他还指出,便携发展趋势让互连性成为医疗电子设备的必备功能,“医疗体系正在出现一个新的动向,便携医疗产品中获得的数据通过连网的方式发到医院的电子医疗记录系统中,及时获得医生的诊断和建议。”

便携化趋势给医疗电子产品的设计提出了低功耗、小型化和简单易用等方面的要求。应对这些要求,各领先半导体厂商纷纷推出高集成度的芯片方案,以帮助医疗电子设备厂商快速推出产品。

MSP430系列是TI专门针对医疗市场推出的超低功耗MCU方案,共包括三大产品系列:FG43X、FG461X和FG42X0。据鲍震介绍,最早推出的FG439是全球首颗针对医疗电子市场推出的单芯片方案,“这个产品当时是专门为国外血糖仪市场设计,目前已经应用到许多新的领域,比如生化分析仪等。”他说,在这颗芯片中集成了前端运算放大器、12位双通道高精度ADC、DAC和DMA以及内置参考源等。“这是一个高集成度的方案,采用我们这颗芯片所做的血压计和血糖仪,无需使用任何外部组件,体积非常小,功耗也很低。”

鲍震表示,MCU应用于医疗电子的特殊需求主要表现在三个方面:一是高集成度;二是超低功耗;三是简单易用。“这也是我们产品的三大特点。”他介绍说,继FG439系列之后,TI还推出了升级版本FG461X系列,进一步降低了产品的功耗,同时它还包含最高达120KB闪存和8KBRAM,由于它在单芯片上提供高集成度的智能外设与较大的存储选项,可满足脉搏血氧饱和度测试计与无线心电图机等便携医疗设备的要求。在此基础上,TI还推出了FG42X0系列,将ADC的精度提高到16位。

除此以外,TI还计划在明年推出MSP的新一代产品,根据目前便携医疗电子产品的需求,内置USB接口和RF无线传输功能。“这是未来一种趋势,越来越多的便携医疗产品会要求将采集到的数据传输到电脑中。”鲍震表示,“针对医疗市场,TI今后的产品将不断考虑市场发展的需求,一方面利用TI庞大的资源库,将更多的器件集成到整体方案中,进一步提高产品的集成度,同时满足产品低功耗的要求,另一方面会考虑进行一些总线外扩,增加一些接口,提高产品设计的灵活性。”

Microchip是另一家积极投身于医疗电子市场的半导体公司。它于去年专门成立了医疗产品部,以专门满足医疗电子设备市场的特殊需求。配合该部门的成立,该公司还开设了一个基于Web的医疗设计中心。“便携医疗电子产品的发展趋势是小型化、智能化和更好的连接性,对于芯片方案的要求是在具备更强大计算能力的同时,具有低功耗特性。应对这一需求,我们推出的8位和16位MCU产品集成低功耗高精度模拟器件和串行EEPROM,除了超低静态电流之外,它能帮助设计者实现低功耗下的高性能控制,这对于需要高寿命电池的便携式产品来说非常重要。”Kennelly表示,今年Microchip还将针对医疗市场推出新的8位和16位产品,集成高精度的模拟放大器、数据转换器和电源管理芯片。

Kennelly进一步补充说,医疗电子产品开发始于化学、生物和传感技术,设计工程师对电子部分的设计经验相对比较少,为此,Microchip推出了易学易用的开发工具,兼容Microchip所有的8位和16位MCU产品,帮助设计工程师降低开发难度和风险。

对于医疗电子设备来说,高精度的模拟器件也是非常重要的器件。专注于模拟器件的半导体公司也在积极应对便携医疗设备对低功耗和高集成度的要求,比如ADI最近推出了完整的8通道单芯片模拟前端AD9271,在单芯片上集成了完整的8通道超声接收器,主要瞄准便携式超声设备。与此前的多芯片方案相比,系统尺寸和功耗分别降低了50%和25%,同时,噪声水平及其他性能均达到急重症护理的要求。

应对移动性的需求,ADI还在去年年底发布了使用其最新的精密PulSAR模数转换器AD7980,该产品的小封装尺寸和低功耗特性使其适合于穿戴式心电图仪(EKG)、血压监视器、氧气传感器以及其它便携医疗产品,可将病人信息无线传送到数据中心或护士办公室。这种移动性允许病人在医院里走动时只穿戴像PDA一样大小的监视器而无需增加体积很大的医用设备,从而提高了病人的舒适度。

在模拟器件方面,TI已经将高精度的ADC、运算放大器和传感器集成到其SoC方案中。此外,针对中高端专业级大型医疗设备的应用场合,TI还提供专门的模拟器件方案,比如24位6通道或8通道的ADC和高精度放大器等。“人体的信号非常微弱,通常会产生很多混模的干扰,因此,对于模拟器件来说,高精度模拟信号的采集和抗噪能力非常重要。”马凯表示,“随着医疗产品走向便携化,模拟信号采集部分的集成度要求越来越高,以前是3通道,现在都是8通道了,此外便携产品需要进行充电,因此还增加了对电源管理部分的要求。”

方案选择有讲究

随着医疗电子领域越来越受到关注,市场上提供的半导体方案也越来越多。对于医疗设备制造商来说,如何进行合理的选择呢?迈瑞公司的产品经理认为,医疗产品便携化给设计带来的最大挑战是产品功耗问题,“随着医疗水平发展,这一行业对产品计算能力的要求越来越高,而与此同时,便携化又要求产品的功耗越低越好。如何在产品具备强大计算能力的前提下保持低功耗是一个非常关键的问题。”

此外他指出,漏电流也是产品设计中需要重点考虑的问题。他解释说,医疗电子产品在出口市场需要满足当地政府关于医疗卫生监管法规和条例的规定,接受各种各样的认证。“在这些认证中,产品的安全性是首位,比如美国的FDA认证,考虑到对人体的安全性,他们对产品漏电流的检测非常严格,这一数值甚至低于你直接用手指拿着5号电池正负极的导通电流。”他表示,在便携医疗电子产品中,漏电流的问题主要发生在电源管理部分,因此在电源管理方案选择时,要重点考虑器件在不同环境下的漏电流问题。

应对许多医疗产品对隔离电压的要求,TI推出了电容式数字隔离器,“传统设计是采用光耦或电感方式,集成片上电容的隔离方式可实现更快速的数据传输和更高的信号完整性,其抗磁干扰能力比电感器件提高6倍,功耗较高性能光学耦合器降低60%。”他透露,目前TI发布的是一个2通道产品,接下来还将有3通道和4通道的产品发布。

对于医疗电子领域来说,产品的质量和可靠性是重中之重。在美国FDA等认证中,甚至要求医疗设备厂商的元器件供应商也通过相关的认证,同时保证产品的可追溯性,防止灰色市场的元器件混入医疗电子产品中。因此在方案的选择中,设备厂商要对供应商的质量保证体系特别关注。Microchip的Kennelly表示:“目前我们已经通过了ISO/TS16949的认证,可满足医疗领域的客户对质量的严格要求。”

除此以外,量产阶段的持续供应也是器件选择时需要仔细考虑的因素。“医疗电子的设计周期通常很长,在选用器件时要仔细考虑产品生命周期的问题和潜在供应商的历史供应状况,以免出现产品设计完成导入量产时遇到元器件停产的风险。”Kennelly说。

迈瑞公司的该位产品经理也指出,在产品设计阶段选型时将供应链因素考虑进去对医疗电子设备制造商来说尤其重要,“医疗设备的生产大部分都是小批量采购,很难让元器件供应商为你专门进行定制开发,采购能力不如消费和通信设备制造商强势,同时医疗电子产品的生命周期很长,设计中要特别小心元器件的停产问题。”他建议,厂商在元器件选择时最好依据两个原则:一是市场的主流方案;二是容易替换,“主流的方案和供应商在持续供应上比较有保障,同时尽可能在设计中采用标准器件,这为日后遇到停产等供应问题时能快速找到替代方案提供保证。”


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