《电子技术应用》

最新低成本的医疗检测与监测技术方案

2018/7/28 18:23:38

  近几年来,中国在建和将建的公立医院数量巨大,同时私立医院数量也在快速增长中。业内通常会用“患者药品和医疗设备的消费比”指标来衡量一个地区的医疗保健水平和服务,这个数值在发达国家中一般是1:1,即医生给患者开药的钱和应用设备来检查监测预防的费用大致相当;而中国是4:1到5:1之间,这就意味着国内患者大部分的支出都在买药。这也从一个方面说明国内医疗设备增长还有很大的空间。

  健康及医疗产业是各国政府长期支持和投入的产业,随着人们生活水平的提高,健康及医疗服务成为中国的一个风口,越来越多的资本开始关注这个行业。在加上中国人口老龄化趋势越来越明显,医疗电子设备的市场规模将会进一步放大。但医疗设备行业给人的感觉是医疗设备采购费用贵,高端产品基本被GE、飞利浦等国外厂商所垄断,国内厂商自主研发的医疗设备很难进入到高端市场。那中国企业要如何利用科技的进步和技术的创新,来设计出更低成本、更高精度,可满足更多需求的医疗电子设备呢?

  本文采访了几家半导体和传感器技术厂商,为工程师读者们带来了这方面的最新技术。

  更集成的传感器解决方案

  据ADI公司医疗健康事业部亚太区市场总监王胜介绍,在体征信号监测方面,ADI的产品和方案解决了用户最核心的问题,并获得了十分可观的市场回报,其中包括多用于医院的专业监护类产品和个人消费的可穿戴产品。具体来说,ADI在光电技术、生理阻抗测量、生理电势采集、温度、运动状态监测以及环境相关(如气体,CO2以及紫外线监测等)等领域都有持续投资以及产品方案在市场上的认可。

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  图1:ADI公司医疗健康事业部亚太区市场总监王胜。

  他拿ADI的光电法测量生理体征信号举例说,ADI的ADPD系列传感器及信号处理方案,正在被几乎所有的大品牌客户设计使用。例如ADPD142,APD153, ADPD144以及ADPD174等是目前市面上(可以看到的)集成最高(Photodiode + LED + 模拟前端采集AFE +LED driver + 环境光抑制等,输出就是I2C的数字量),也是体积最小、功耗最低(十分灵活的配置)、性能最好(在体积,功耗都很有优势的同时),以及非常成熟的方案(早已有大量出货)解决方案。可用于诊断级产品也可适用于消费级的产品相关体征信号的采集,例如心率, 血氧含量等。ADPD174GGI,可以大大简化系统级光学结构设计的挑战,解决内部环境光干扰问题等,进而保证最终产品的一致性和生产环节的成本和效率,目前此模块产品已被全球知名的可穿戴厂商采纳, 并已经大量出货。

  王胜特意提到ADI在6月份刚刚量产的最新一代光电测量模块产品ADPD188,可让该类应用在功耗、性能、设计简易度、简化客户的产线流程,以及成本等方面更加优化。

  专注于传感器的半导体设计和制造公司ams(艾迈斯半导体)在医疗电子设备领域,覆盖了从大型CT设备上的图像传感器,到小至比蚂蚁头更小的、可用于内窥镜的图像传感器。艾迈斯半导体AIM(汽车、工业与医疗)领域高级应用工程师李铭豪特别介绍了该公司一款超小型、数字化的CMOS图像传感器Naneye 2D/3D。

  李铭豪认为,在医疗水平不断进步的今天,无创的检查和手术越来越得到普及,如肾脏、心、肺、喉等存在体内循环管道的器官,操作医生利用这些体内管道,可将尿道镜或支气管镜等送至疑似病灶点,通过图像传感器得到的信息、或通过内窥镜中的手术装置进行采样分析,以判别是否存病变。这样的检查和手术可大减少手术时间、减少病人的痛苦及术后恢复时间。现在许多的微创手术也开始使用内窥镜的技术。当然,目前最通用的内窥镜检查是胃和肠道。但不同于胃肠检查,肾脏等内窥镜检查,对于内窥镜的尺寸,特别是直径上有苛刻的要求。

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  图2:ams公司Naneye 2D是专门针对微型内窥镜而开发的微型图像传感器。

  据李铭豪介绍,Naneye 2D主要特点有,尺寸只有1mm?1mm?1.6mm (包括内置镜头),包含250点?250点的图像像素;还焊接了最长至3米的连接导线,方便客户的装配及提高最终产品的成品率;具有5种不同可视角度和焦距的内置镜头可供选择;内置了10位的ADC转换电路及通过LVDS信号传输;传感器部分无需任何外围器,适合小型化设计的要求。

  更不可思议的是,ams还提供两个Naneye并列组合在一起的Naneye 3D产品,可实现立体视觉的效果。

  将带连接线束的Naneye、用导光的光纤以及微型的手术工具用一个绝缘套管封装在一起,构成一个极细的内窥镜探头。通常用于拍摄物的光源,是从控制盒处发光器件由光纤导入的,这主要可减少探头前端的直径,同时也可降低前端的温度,防止烫伤人体组织。当然,有些客户想用前端直接用LED照明,ams公司也可提供带LED的Naneye产品。

  李铭豪自豪地表示,与现有的微型内窥镜竞争对手相比,ams提供的集成连接线束及内置ADC采样电路的方案,减少了外围电路的成本,提高了生产的良率。同时数字化的产品大大提高了图像的信噪比。

  他还透露说,ams还将在近期推出更小尺寸的Naneye XS产品,尺寸只有0.65mm?0.65mm。

  Naneye产品目前已经被广泛地应用在了yicixing 尿道内窥镜等产品之中。

  TDK集团爱普科斯大中华区温度和压力传感器产品市场部经理刘炜则介绍了TDK压力传感器在医疗设备中的应用,他表示,“TDK的扩散硅压力传感器可以大幅提高压力测量的精度和准确度。经过精确的温度补偿,可确保不同温度下测量的准确性。能够帮助客户提高其产品的长期可靠性,减少故障发生率和维修率。”

  目前已经有欧洲和中国的主要医疗设备商采用TDK的压力传感器,广泛应用于各类气体和液体压力测量设备。比如呼吸麻醉机用绝对压力型和相对压力型传感器,可测量生化分析仪流体压力,具有检测精度高(偏差<0.1%)、测量范围广(高达40bar)、使用温度范围广(0~65℃)的特点。此外,抗电磁干扰(EMI)能力强、性能稳定可靠,因此使用寿命长达十年。

  除此之外,《电子工程专辑》的编辑曾在展会上看到过京瓷展出的“血流传感器”也非常有意思。该血流传感器模组的尺寸非常小,只有3.2mm?1.6mm?0.9mm,看起来非常适合应用在可穿戴设备或集成到移动设备中。

  京瓷工作人员介绍,这款低功耗小尺寸血流量传感器,是利用了光多普勒效果,来皮下组织血流量状态的传感器,包括可以根据检测数据,来判断用户是否出现脱水、中暑,以及检测到血压的变化等。不过,京瓷工作人员也表示,传感器可以提供前端的检测数据,但是后面数据的分析结果,则要找第三方来合作。毕竟基于数据得出结果,这个属于医疗或保健领域的专业,半导体公司通常都会与第三方来合作。

  据称,这款血流检测传感器,可以用在专用的耳机里,随时监测人体的一些生理指标。

  更低成本的医疗影像解决方案

  ADI的王胜对《电子工程专辑》表示,该公司在医疗电子的检查和监测方面重点关注的应用主要有两类,即医疗影像检测类和体征信号监测类。“我们推动的产品和技术也会重点面向这两大领域。”

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  图3:ADI医疗影像主力产品及方案举例。

  据王胜介绍,ADI推出的ADAS1131是一款256 通道、24 位电流数字转换器模块,适于多通道、小电流采集数据的医疗CT(计算机断层)、工业和安检扫描仪,及光电二极管传感器应用。ADAS1131的主要技术特性包括:无电荷损失、无死区时间的同步采样;超低噪声;可配置电流输入范围;集成了2个可配置采样速率的高速 ADC、内部缓冲器、用于数据采集的去耦和旁路电容;每通道功耗3mW;LVDS/CMOS串行接口;片上温度传感器。ADAS1131采用15mm?15mm的324引脚扁型SiP BGA封装,内部包含了电源和基准电压的去耦电容。球栅阵列为18?18全阵列,焊球间距为0.8mm,焊球直径0.45mm。0.8mm的焊球间距可使引脚间多布线,从而减少很多激光孔和埋孔,提高PCB的成品率、可靠性,进而降低成本。

  目前最新一代ADAS1135,也已推出,在主要性能指标上都有大幅度提升,并与ADAS1131封装兼容,用户很容易实现硬件的系统升级,以及在新设计上最新技术采纳。同时,推出128通多版本ADAS1134。

  在数字X射线产品方面,其ADAS1256 COF(Chip-On-Flex)256通道集成前端模块,除了单芯片集成256通道、16位分辨率、22us线路扫描速度等性能外,ADAS1256 COF解决方案还提供了9种功耗模式,因为功耗与噪声不能同时达到最低的要求,所以功耗模式的切换功能就能使得用户自行选择适应当时需求的最佳功耗、噪声模式。对于病人来说,最关心的是辐射剂量。因为在做各种检查时,X射线对病人本省也会造成伤害。对于这点,ADAS1256 COF解决方案降低探测器本身的噪声,所以在X射线剂量很少时,低噪声的探测器也能够接收并清晰呈现图像。

  “我们的最新路线图产品的规划中,进一步优化速度和功耗,以及集成更多系统级功能的产品,也将很快面世,并已在行业重要客户中实际测试和最终产品开发。”

  “我们的最新路线图产品的规划中,进一步优化速度和功耗,以及集成更多系统级功能的产品,也将很快面世,并已在行业重要客户中实际测试和最终产品开发。”王胜指出。

  在体征信号监测方面,ADI有前面提到过的ADPD系列产品。

  在医院用及家用便携式医疗电子领域,ADI拥有一系列创新产品和解决方案,例如支持多种便携式医疗保健领域的高精度、低功耗片上计量仪ADuCM350已在国内和国外的几家有代表性的大客户中都取得里程碑式的进展。

  除此以外, 在运动检测的相关领域,ADI拥有一系列创新产品和解决方案,突破性的超低功耗3轴数字MEMS产品ADXL362在运动检测唤醒模式下功耗仅为300 nA,其超低功耗的特征是可穿戴运动监测设备的理想解决方案。

  Indy 宜鼎国际大陆子公司总经理游礼印则介绍了宜鼎在在医疗电子方面的布局。他指出,宜鼎的CF/SD卡和嵌入式内存模块等方案已经在监护仪、超声、血球分析仪和医疗平板等设备上被采用。目前已经推出了一些列完整的解决方案,包括DDR4 ECC/RDIMM,M.2,NVME及各类服务器启动盘(例如:SATADOM)等存储方案,可配合上述各类海量存储、边缘运算等应用上,对于365天/24小时高速运作,低电压节电环境,且满足服务器超融合系统运作的兼容性与性能上的要求。而且还根据医疗行业客户的特殊定制化要求,推出了各类量身定制的解决方案。

  他特别提到了宜鼎集团子公司安提(Aetina),所提供医疗专业影像需求上提供的医疗专用方案,包括MXM GPU 模块,以及近期炙手可热的Nvidia TX1/TX2人工智能平台,为医疗客户的AIoT的解决方案。

  最后,他还介绍了他们今年推出的iCAP智能管理软件,可让行业客户在设备管理上便捷掌握现场设备状况,以医疗行业应用为例,即可实现医院院内不同楼层的连网设备,通过iCAP软件掌握系统运行状况、存储设备寿命等的即时信息,以提前应对设备寿命到期现场更换的工作排期,降低设备突发状况发生的人员及设备调度,进而降低人员成本及提高设备使用率。

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  图4:Indy 宜鼎国际大陆子公司总经理游礼印。

  总结

  王胜总结说,ADI非常看好医疗电子领域的技术和业务前景,将持续地战略关注,并积极参与相关的研讨并投资相关的技术和产品开发。ADI希望通过自己的不断投入,和客户一起,帮助最终的患者(或使用者)和医生解决他们面临的问题,例如测量精度、使用方便性、成本及可靠性等问题。更希望与我们客户的不懈努力,能够开创性地在业务模式和产品应用形态等方面,突破已有产品形态的边界,在医疗电子应用,为解决我们共同面临的“看病难,看病贵”、“医疗资源分布布局”、“分级诊疗”以及“完善基层医疗设施”等挑战做出自己的行业贡献。

  在医疗电子设备中,传统昂贵的医疗检测设备既是医疗电子市场最大比重的医疗电子设备,也是形成国家医疗保险与病人治疗庞大费用的重要原因。而半导体厂商不断地在医疗检测与健康指标监测方面,推出新的产品来提升医疗电子产品的检测数据的精确度和产品性能,同时最好还能降低整机设备的成本,以便更多的病人能够享受到技术带来的福利。这既是医疗电子厂商需要关注的热点技术,也应该是所有从事医疗电子设备研发行业的工程师的研发使命之一。


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