半導(dǎo)體技術(shù)是實(shí)現(xiàn)下一代醫(yī)療設(shè)備的基本要素

以前的大型醫(yī)療設(shè)備已經(jīng)被重新設(shè)計(jì)成如今的便攜式設(shè)備，有些設(shè)備大小如同手機(jī)，甚至更小。而像超聲波系統(tǒng)這類醫(yī)療設(shè)備，過去只能用在大醫(yī)院以及大城市的醫(yī)療診所，而如今已經(jīng)普及到農(nóng)村的小型醫(yī)療診所以及救護(hù)車上。隨著醫(yī)療設(shè)備的小型化以及便攜需求的發(fā)展，為了支持包括重量越來越輕和體積更小的便攜式系統(tǒng)等下一代的醫(yī)療設(shè)備，半導(dǎo)體廠商面臨著巨大挑戰(zhàn)，他們必須開發(fā)集成度更高的芯片。

半導(dǎo)體公司所開發(fā)的前沿技術(shù)使得工程師能設(shè)計(jì)出可以改善人類醫(yī)療保健條件的設(shè)備。飛速高漲的醫(yī)療保健護(hù)理成本、肥胖癥和各種慢性病的流行，以及老齡人口的大量增加，所有這些因素對那些用戶可承受的價格且可靠的各種醫(yī)療設(shè)備的需求逐步提高，包括病人監(jiān)護(hù)設(shè)備、醫(yī)療成像設(shè)備以及各種檢查儀器。在現(xiàn)代歷史上從來沒有像今天這樣，半導(dǎo)體行業(yè)正在為各種醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展鋪路，挽救了無數(shù)的生命，同時還大大降低醫(yī)療保健的成本。

病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

不管病人位于醫(yī)院的什么地方，監(jiān)護(hù)設(shè)備都能夠?qū)崿F(xiàn)對危重病人的連續(xù)觀察，而且成本還要低于傳統(tǒng)的病床邊監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。通常的病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)包括EKG(心電圖)、血壓、體溫、血氧飽和度以及呼吸監(jiān)控系統(tǒng)，有時候還包括AED(自動電擊除顫器)功能，而在這些系統(tǒng)中常常包含高分辨率ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、低噪聲放大器、儀器放大器，以及在該領(lǐng)域已經(jīng)采用很多年的各種模擬功能的組合。上述這些都是成熟的、高性能系統(tǒng)，主要的半導(dǎo)體廠商都為其投入了大量的研發(fā)資金并開發(fā)了許多創(chuàng)新性的芯片。

在這些系統(tǒng)被配備到病房的同時，它們也正變得越來越小，甚至能夠懸掛到病人的皮帶上。在不久的將來，EKG、血壓以及活動監(jiān)控將會與無線通信技術(shù)相結(jié)合，允許病人呆在自己的家中，并實(shí)現(xiàn)病人關(guān)鍵體征的安全和可靠的實(shí)時監(jiān)控，這也將在實(shí)質(zhì)上降低總護(hù)理成本。

隨著嬰兒潮時期出生的人逐漸進(jìn)入老齡化，需要特別護(hù)理的老人數(shù)量不斷增加，家用監(jiān)控設(shè)備的需求正在快速增加。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的資料，2006年全球60歲以上的老齡人口已經(jīng)達(dá)到6.5億。而到2025年，該數(shù)字預(yù)期將會激增至12億。在美國，65歲以上的老齡人口在總?cè)丝谥幸呀?jīng)占據(jù)前所未有的較大比重，而且在整個21世紀(jì)中還將穩(wěn)定增長。

“由于不斷增長的老齡人口，對慢性病人的護(hù)理成本將飛快增長，”ADI公司醫(yī)療保健分部的全球戰(zhàn)略行銷經(jīng)理Paul Errico表示，“如今為家用所設(shè)計(jì)的醫(yī)療設(shè)備能夠監(jiān)控血壓、血糖水平以及心率，出現(xiàn)狀況時設(shè)備將會向醫(yī)生告警。這將省掉或者減少病人頻繁地去診所或醫(yī)院看醫(yī)生的費(fèi)用，從而為距離醫(yī)生或醫(yī)院比較遠(yuǎn)的病人帶來福音。”

要成為醫(yī)療保健管理的主要組成部分，病人監(jiān)控系統(tǒng)必須與其他設(shè)備以及其他必須的病人信息資源實(shí)現(xiàn)充分的互操作性。盡管目前廣泛的互操作性還沒有實(shí)現(xiàn)，但這已經(jīng)成為醫(yī)療和信息技術(shù)行業(yè)需優(yōu)先解決的問題。例如，一家名為Continua Health Alliance的組織目前正在與技術(shù)行業(yè)、醫(yī)療設(shè)備行業(yè)以及醫(yī)療保健行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)合作，以建立一個互操作性解決方案系統(tǒng)。

醫(yī)療成像

隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，包括CT(計(jì)算機(jī)X光斷層掃描)掃描儀和超聲波系統(tǒng)在內(nèi)的醫(yī)療成像應(yīng)用持續(xù)增長，從而為醫(yī)生的分析和診斷提供更清晰和更精細(xì)的人體圖像。在醫(yī)療成像領(lǐng)域，單個系統(tǒng)的通道數(shù)量呈現(xiàn)快速增加，半導(dǎo)體公司也集中精力提高集成度和降低功耗，并降低每通道的成本。超聲波、CT、MRI(核磁共振成像)以及PET(正電子發(fā)射斷層掃描儀)等，所有這些高性能系統(tǒng)都在推動著標(biāo)準(zhǔn)器件在功耗、速度、精度以及動態(tài)范圍等性能上的進(jìn)步。

早在幾年前，超聲系統(tǒng)就已經(jīng)縮小到如筆記本電腦一般的大小。而如今，這些系統(tǒng)的尺寸正向PDA(個人數(shù)字助理)和手機(jī)看齊，小到足以讓醫(yī)生可以將它們裝在口袋里，做到隨時隨意使用。這大大地改變了超聲系統(tǒng)在病人護(hù)理上的應(yīng)用。無疑，便攜式超聲系統(tǒng)的功耗和電路板面積也與目前的系統(tǒng)有極大的差別。

“這些應(yīng)用要求醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師在幾乎比手掌還小的設(shè)備中實(shí)現(xiàn)更高的圖像質(zhì)量和可靠的性能，而且還不能犧牲功率，”ADI公司醫(yī)療保健分部的全球戰(zhàn)略行銷經(jīng)理Scott Pavlik解釋說，“為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，設(shè)計(jì)師們正在充分利用基礎(chǔ)技術(shù)方面的巨大改善，特別是半導(dǎo)體器件的高度集成。超聲應(yīng)用方面的IC創(chuàng)新不僅簡化了設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)工作，還使超聲系統(tǒng)的性能、體積以及功耗方面取得顯著的改善，從而增大了產(chǎn)品應(yīng)用的潛力，擴(kuò)大了市場機(jī)會。”　　

實(shí)現(xiàn)一個超聲系統(tǒng)需要四個主要部件：LNA(低噪聲放大器)、VGA(可變增益放大器)、AAF(抗混疊濾波器)，以及一個高速ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。2007年，ADI公司發(fā)布了首款超聲設(shè)備用集成模擬前端芯片—AD9271。該芯片利用單個IC取代了從前的分立式解決方案，芯片中集成了8個通道，每個通道都包括一個LNA、VGA、AAF以及一個12位ADC，其前所未有的集成度使得醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師將移動超聲系統(tǒng)中信號路徑的尺寸減小了50%，功耗降低了25%，所有這些都是在關(guān)鍵護(hù)理設(shè)置所需的噪聲電平以及其它性能參數(shù)得到保證的條件下實(shí)現(xiàn)的。

高集成度在如今的便攜式超聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中并非唯一必須實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要素。系統(tǒng)還需要足夠的靈活度，并能夠通過調(diào)整來滿足各種不同類型的超聲檢查需求，還要在可編程增益、濾波器截止頻率以及系統(tǒng)端接方面具有易用性。對于半導(dǎo)體廠商來說，僅僅是定義這些極為復(fù)雜的內(nèi)容并為客戶提供樣片、評估板以及數(shù)據(jù)手冊是不夠的，還需要能輕松地實(shí)現(xiàn)對這些產(chǎn)品進(jìn)行評估的軟件工具。所有這些都表明，半導(dǎo)體廠商與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師之間的距離正在不斷拉近。

在美國，估計(jì)每年需要做6200萬次CT掃描。CT掃描成像設(shè)備將專用的X光設(shè)備與復(fù)雜的計(jì)算機(jī)相結(jié)合，產(chǎn)生人體的2維和3維圖像，來診斷包括癌癥在內(nèi)的各種病癥。CT掃描儀能夠以更快的速度提供更精細(xì)的圖像，病人承受的X射線劑量也較少。

目前或者下一代的CT掃描儀都要求大幅增加通道數(shù)量，然而無論是系統(tǒng)的體積還是成本都不能與通道數(shù)量同比率增加。系統(tǒng)中最復(fù)雜的部分，即模擬前端，是保證系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。于是，為實(shí)現(xiàn)更多的通道數(shù)，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)師必須尋找途徑來集成更多的功能，同時還要降低功耗和成本。

在CT領(lǐng)域，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)師與系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的合作絕對非常關(guān)鍵的。在過去的幾年里，CT的開發(fā)已經(jīng)取得了大量創(chuàng)新和巨大的進(jìn)展，但在未來的幾年里仍需要更多的創(chuàng)新和發(fā)展。例如，ADI公司為醫(yī)療成像最新推出一款芯片—ADAS1128，能夠支持高層數(shù)的CT系統(tǒng)，以極高的精度和分辨率實(shí)時捕獲像跳動的心臟這樣的運(yùn)動圖像。該芯片提供128個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，幫助診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)師開發(fā)能夠生成人體骨骼和內(nèi)部器官的清晰圖像的CT掃描儀，同時，相對于舊式的機(jī)器，還減小了接觸輻射的劑量，這在心臟病學(xué)、神經(jīng)病學(xué)以及血管造影這些關(guān)鍵領(lǐng)域中是極為寶貴的。另一方面，我們提供更高集成度的方案。今年4月我們針對CW（連續(xù)波）和PW（脈沖波）多普勒超聲推出了第三代八通道超聲接收器——AD9276和AD9277，是業(yè)內(nèi)首個在單個芯片中集成了CW多普勒信號處理的增益、濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和解調(diào)功能的芯片，以滿足從日常產(chǎn)前保健到高級心臟成像等越來越復(fù)雜的診斷要求。與此同時，針對亞洲市場的需求，我們在中國的工程師協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)了心電圖（ECG）、運(yùn)動監(jiān)護(hù)等方案，滿足市場的需求。

醫(yī)療儀器

這部分的醫(yī)療設(shè)備包括血液分析儀、血壓計(jì)、輸液泵、透析機(jī)以及大量各種其他體外用功能設(shè)備。

除了非常成熟的檢查系統(tǒng)外，采用前沿半導(dǎo)體技術(shù)的一個實(shí)例就是在血壓計(jì)中采用三軸加速度計(jì)技術(shù)。最常見的血壓檢查方法通常得到的血壓數(shù)據(jù)都不準(zhǔn)確，因?yàn)槭直叟c心臟沒有處于相同的平面上。而采用三軸加速度計(jì)(與當(dāng)前計(jì)算機(jī)游戲中所用相同)能夠測量出手臂的傾斜，從而有助于獲得精確的血壓讀數(shù)。

診斷時所用的血液分析的常見方法是檢查其DNA特性。當(dāng)存在病毒時，血液的DNA特性通常會改變，使得血樣的阻抗呈現(xiàn)復(fù)數(shù)形式。通過將病毒血樣對應(yīng)到這些阻抗特性，醫(yī)療專家就能識別并檢測出血液中的病毒。這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將頻譜分析儀設(shè)計(jì)到手持式儀器里，顯然這無法利用現(xiàn)有的分立元件來實(shí)現(xiàn)。因此，他們必須與半導(dǎo)體企業(yè)一道，探索是否能夠?qū)⒃摴δ芗傻絾涡酒?，就像目前已有最新的阻抗?jì)模擬前端芯片?！　?/p>

半導(dǎo)體公司通常會去實(shí)現(xiàn)那些高性能系統(tǒng)所需的技術(shù)及產(chǎn)品，真正的關(guān)鍵是在保持極具競爭性的系統(tǒng)功耗預(yù)算和尺寸面積要求的同時，獲得所要求的性能，還要能夠?qū)⑵渌母邇r值功能集成到同一塊半導(dǎo)體芯片上，以提供最大的優(yōu)勢，這也正是半導(dǎo)體公司不斷努力掌握的應(yīng)用知識。在這方面，我們的客戶就是我們的老師，半導(dǎo)體廠商、系統(tǒng)制造商以及最重要一方—病人，都能從主要技術(shù)擁有者之間的有效交流中獲益。

針對疾病控制、衛(wèi)生與健康以及給藥而設(shè)計(jì)最新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師正在以半導(dǎo)體為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)出能夠改善人們生活的新一代產(chǎn)品。醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師與半導(dǎo)體設(shè)計(jì)師之間的交流是至關(guān)重要的，因?yàn)榘雽?dǎo)體公司對醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)師的需求了解得越多，全球需要醫(yī)療護(hù)理的人們獲益將越多。

Patrick O'Doherty是模擬、混合信號和數(shù)字信號處理集成電路的全球領(lǐng)先供應(yīng)商ADI公司的醫(yī)療保健分部經(jīng)理。在這個崗位上，他領(lǐng)導(dǎo)了ADI公司在預(yù)防、檢測、診斷和護(hù)理各種病患的相關(guān)技術(shù)的業(yè)務(wù)開發(fā)和行銷工作。