医学电子是一个新兴的领域,是IC和医学的交叉学科,其发展得益于微电子业和生物医学的巨大突破和紧密结合。近年来,这个金矿正吸引越来越多的人眼球。
医芯及便携式:充满挑战
便携式医疗设备由于其独特性,对芯片的要求要高于常规的便携式产品,主要具有以下特点:
·超低功耗。由于人体的生理周期长,有时需要几小时到几十小时的检测,因此需要超低功耗。“一些芯片的功耗小到1mW以下。”中科院微电子所的微电子设备研究室主任夏洋说,“因此选择芯片时,要尽量采用0.13微米及以下工艺的芯片,工作模式也需要优化,例如有些信号没有必要高速采集,采用合理的电源管理模式等方法。”
·低成本。一些吃下肚的芯片(例如胶囊内镜)是性的,并且为大众服务,因此降低成本非常重要。采取的措施是尽量集成、并进行批量生产,芯片还是可配置的SoC。
·智能化。过去无源芯片多。但是现在有源的智能芯片涌现,他们的集成度较高,通常要集成了传感器、AD、RF等。例如重庆金山公司的胶囊内镜,代替了常规的内窥镜,在体内每分钟拍照1~2次,并通过无线把图像传输出来,需要持续8小时。
·小型化。为了方便患者携带,或者直接吞下肚(有时还是孩子吞服),需要产品小型化。因此,应尽量采用SoC、SIP(系统封装)或高密度模块。高密度集成时会遇到一些困难,例如把多传感器放在高密度的范围内时,干扰错综复杂:物理参量、数字-模拟、发射-接收、强信号的体现,如何实现化处理等等。
·无线通信和体外控制。体内与体外的通信也很重要,具有广阔的发展前景。例如低功耗的无线信号的发射和接收。胃内窥镜到了食道如何在胃里呆十多个小时不下去,涉及到胶囊镜的方向如何控制,重庆金山公司主要采用两种方法:1,重力,2,体外磁场干预。
·参数测量的复杂性和处理。相对来说,体温较好测量,而脉搏很复杂,心肌信号、脑电图的信号小到0.3Hz,信号处理具有难度。同时,还要解决好时间和信号参数的关系。例如孩子早晨咳嗽是风寒,晚上咳嗽是风热。
·封装。因为封装是和人体直接相关的,必须适合穿戴。
嵌入式+网络+信息化:潜力巨大
尽管开发医芯和医疗电子方案的难度比其他电子产品大很多,但是其巨大的商业前景也吸引着众商家的目光。例如Freescale曾做过一个大概的计算,到2015年,普通人一天就能够轻松地接触1000多个嵌入式处理器件,其中在健康和医疗方面占了可观的比重。以下看看Freescale和Intel等公司对医疗的设想。
医疗/保健方案
“多核技术可以为医疗电子做出贡献。”Intel公司副总裁兼亚太研发中心总经理王文汉博士举例说,“现在照X光片,结果看上去模糊不清,将来可以让8核、16核帮忙——从各个角度照片-计算。过去在大医院做的复杂扫描,现在小型医疗站就可以做,不用去大医院排队等候了。”除了图像处理方面,在计算方面多核业举足轻重,王博士说,现在患者用的药,将变成针对每个人的个性化药,就像我国古代的华佗把脉,说用什么药,要几两几钱,每个人配的药都不同,将来通过多核,用户的PC机就变成神医华佗了,可以地处理你个人专用的药,而非药房统一剂量的配药。通过多核还可以测算你的DNA。在保健方面,嵌入式处理器可以地计算出你吃的东西量。“多核的优势还有低功耗,”Intel中国区嵌入式产品事业部王禾经理补充道,“医院手术室的无影灯,需要低功耗的无风扇多核处理器控制,以减少噪声干扰。”
Freescale的CTO(首席执行官)LisaT.Su说道,很多器件使诊断设备达到了新的水平,例如MoneboTechnologies开发的心电图监控设备,还有其他公司开发出的便携式脉搏血氧计等,可测量病人血液中的氧饱和度。还有一家公司甚至推出GlucoBoy,一个适用于青少年糖尿病患者的器件,它把葡萄糖测量和手持视频游戏结合起来。
远程医疗
远程医疗是使用技术远程监视、诊断,有时甚至进行治疗的技术,而无需与病人同处一地。当前需要把病例电子化,然后,“我们需要从过去的信息收集(电子病例)转变为更积极的远程测试、检测和防御功能,Freescale称之为“Wellness(全面健康)”。LisaT.Su博士展望了嵌入式控制其为医疗电子所做的贡献,“目前,远程医疗通常要使用一些便携式或家用诊断器件,测量血压、心率以及其他生命体征,以便进行跟踪。然后,您必须把这些结果上传到PC,并通过网络发送给医生或医疗提供商,以监控结果。在这个过程中,有很多人为干预。
“网络技术的进步在不断对此进行改进。例如,加拿大NewBrunswick的圣约翰医院的护士测量术后在家休养的病人的生命体征,以确定他们是否在正确康复,或是还需要其他救助。这实际上降低了病人的医疗成本,也空出了医院非常紧缺的术后病床,并使病人更舒适地在家休养。”
虽然当今的远程医疗已经取得很大的进步,但仍有很多事情要做。下一步就是让智能器件和系统不需要诊断,真正通过自动远程医疗实现先进的治疗。
在自动远程医疗中,关键药物疗法可根据联网传感器和器件收集的信息进行实时调整。通过比较病人的实时数据和历史数据,可在合理范围内自动调节剂量。
嵌入式智能不仅在上述领域发挥作用,还可以通过远程医疗实现机器人手术。目前,通过使用可消除人手正常抖动的操纵杆,医生能够进行本地机器人手术,从而帮助外科医生更地进行精密手术。
机器人手术目前仅在病人和医生同处一个病房的情况中使用。未来网络延迟和视频等问题将解决,届时我们有望进行远程机器人手术,因为医疗基本上可在范围内按需分配。
然而,实现这一目标所需的条件现在还没有完全到位。为了做到这一点,必须保证有近乎完美延迟的高质量网络,来发送视频图像,控制机器人。到2015年,这种可能性将更大。我们将拥有更快、更强大的多核处理和先进的联网功能,同时还将改进网络带宽和视频压缩。有了在处理、视频和网络功能领域的进步,远程机器人手术将成为可能。
”除了图像处理方面,在计算方面多核业举足轻重,王博士说,现在患者用的药,将变成针对每个人的个性化药,就像我国古代的华佗把脉,说用什么药,要几两几钱,每个人配的药都不同,将来通过多核,用户的PC机就变成神医华佗了,可以地处理你个人专用的药,而非药房统一剂量的配药。通过多核还可以测算你的DNA。在保健方面,嵌入式处理器可以地计算出你吃的东西量。“多核的优势还有低功耗,”Intel中国区嵌入式产品事业部王禾经理补充道,“医院手术室的无影灯,需要低功耗的无风扇多核处理器控制,以减少噪声干扰。”
Freescale的CTO(首席执行官)LisaT.Su说道,很多器件使诊断设备达到了新的水平,例如MoneboTechnologies开发的心电图监控设备,还有其他公司开发出的便携式脉搏血氧计等,可测量病人血液中的氧饱和度。还有一家公司甚至推出GlucoBoy,一个适用于青少年糖尿病患者的器件,它把葡萄糖测量和手持视频游戏结合起来。
远程医疗
远程医疗是使用技术远程监视、诊断,有时甚至进行治疗的技术,而无需与病人同处一地。当前需要把病例电子化,然后,“我们需要从过去的信息收集(电子病例)转变为更积极的远程测试、检测和防御功能,Freescale称之为“Wellness(全面健康)”。LisaT.Su博士展望了嵌入式控制其为医疗电子所做的贡献,“目前,远程医疗通常要使用一些便携式或家用诊断器件,测量血压、心率以及其他生命体征,以便进行跟踪。然后,您必须把这些结果上传到PC,并通过网络发送给医生或医疗提供商,以监控结果。在这个过程中,有很多人为干预。
“网络技术的进步在不断对此进行改进。例如,加拿大NewBrunswick的圣约翰医院的护士测量术后在家休养的病人的生命体征,以确定他们是否在正确康复,或是还需要其他救助。这实际上降低了病人的医疗成本,也空出了医院非常紧缺的术后病床,并使病人更舒适地在家休养。”
虽然当今的远程医疗已经取得很大的进步,但仍有很多事情要做。下一步就是让智能器件和系统不需要诊断,真正通过自动远程医疗实现先进的治疗。
在自动远程医疗中,关键药物疗法可根据联网传感器和器件收集的信息进行实时调整。通过比较病人的实时数据和历史数据,可在合理范围内自动调节剂量。
嵌入式智能不仅在上述领域发挥作用,还可以通过远程医疗实现机器人手术。目前,通过使用可消除人手正常抖动的操纵杆,医生能够进行本地机器人手术,从而帮助外科医生更地进行精密手术。
机器人手术目前仅在病人和医生同处一个病房的情况中使用。未来网络延迟和视频等问题将解决,届时我们有望进行远程机器人手术,因为医疗基本上可在范围内按需分配。
然而,实现这一目标所需的条件现在还没有完全到位。为了做到这一点,必须保证有近乎完美延迟的高质量网络,来发送视频图像,控制机器人。到2015年,这种可能性将更大。我们将拥有更快、更强大的多核处理和先进的联网功能,同时还将改进网络带宽和视频压缩。有了在处理、视频和网络功能领域的进步,远程机器人手术将成为可能。
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