半导体技术是实现下一代医疗设备的基本要素

以前的大型医疗设备已经被重新设计成如今的便携式设备，有些设备大小如同手机，甚至更小。而像超声波系统这类医疗设备，过去只能用在大医院以及大城市的医疗诊所，而如今已经普及到农村的小型医疗诊所以及救护车上。随着医疗设备的小型化以及便携需求的发展，为了支持包括重量越来越轻和体积更小的便携式系统等下一代的医疗设备，半导体厂商面临着巨大挑战，他们必须开发集成度更高的芯片。

半导体公司所开发的前沿技术使得工程师能设计出可以改善人类医疗保健条件的设备。飞速高涨的医疗保健护理成本、肥胖症和各种慢性病的流行，以及老龄人口的大量增加，所有这些因素对那些用户可承受的价格且可靠的各种医疗设备的需求逐步提高，包括病人监护设备、医疗成像设备以及各种检查仪器。在现代历史上从来没有像今天这样，半导体行业正在为各种医疗设备的发展铺路，挽救了无数的生命，同时还大大降低医疗保健的成本。

病人监护系统

不管病人位于医院的什么地方，监护设备都能够实现对危重病人的连续观察，而且成本还要低于传统的病床边监护系统。通常的病人监护系统包括EKG(心电图)、血压、体温、血氧饱和度以及呼吸监控系统，有时候还包括AED(自动电击除颤器)功能，而在这些系统中常常包含高分辨率ADC(模数转换器)、低噪声放大器、仪器放大器，以及在该领域已经采用很多年的各种模拟功能的组合。上述这些都是成熟的、高性能系统，主要的半导体厂商都为其投入了大量的研发资金并开发了许多创新性的芯片。

在这些系统被配备到病房的同时，它们也正变得越来越小，甚至能够悬挂到病人的皮带上。在不久的将来，EKG、血压以及活动监控将会与无线通信技术相结合，允许病人呆在自己的家中，并实现病人关键体征的安全和可靠的实时监控，这也将在实质上降低总护理成本。

随着婴儿潮时期出生的人逐渐进入老龄化，需要特别护理的老人数量不断增加，家用监控设备的需求正在快速增加。根据世界卫生组织的资料，2006年全球60岁以上的老龄人口已经达到6.5亿。而到2025年，该数字预期将会激增至12亿。在美国，65岁以上的老龄人口在总人口中已经占据前所未有的较大比重，而且在整个21世纪中还将稳定增长。

“由于不断增长的老龄人口，对慢性病人的护理成本将飞快增长，”ADI公司医疗保健分部的全球战略行销经理Paul Errico表示，“如今为家用所设计的医疗设备能够监控血压、血糖水平以及心率，出现状况时设备将会向医生告警。这将省掉或者减少病人频繁地去诊所或医院看医生的费用，从而为距离医生或医院比较远的病人带来福音。”

要成为医疗保健管理的主要组成部分，病人监控系统必须与其他设备以及其他必须的病人信息资源实现充分的互操作性。尽管目前广泛的互操作性还没有实现，但这已经成为医疗和信息技术行业需优先解决的问题。例如，一家名为Continua Health Alliance的组织目前正在与技术行业、医疗设备行业以及医疗保健行业的领导企业合作，以建立一个互操作性解决方案系统。

医疗成像

随着技术的不断改进，包括CT(计算机X光断层扫描)扫描仪和超声波系统在内的医疗成像应用持续增长，从而为医生的分析和诊断提供更清晰和更精细的人体图像。在医疗成像领域，单个系统的通道数量呈现快速增加，半导体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。超声波、CT、MRI(核磁共振成像)以及PET(正电子发射断层扫描仪)等，所有这些高性能系统都在推动着标准器件在功耗、速度、精度以及动态范围等性能上的进步。

早在几年前，超声系统就已经缩小到如笔记本电脑一般的大小。而如今，这些系统的尺寸正向PDA(个人数字助理)和手机看齐，小到足以让医生可以将它们装在口袋里，做到随时随意使用。这大大地改变了超声系统在病人护理上的应用。无疑，便携式超声系统的功耗和电路板面积也与目前的系统有极大的差别。

“这些应用要求医疗设备设计师在几乎比手掌还小的设备中实现更高的图像质量和可靠的性能，而且还不能牺牲功率，”ADI公司医疗保健分部的全球战略行销经理Scott Pavlik解释说，“为了实现这一点，设计师们正在充分利用基础技术方面的巨大改善，特别是半导体器件的高度集成。超声应用方面的IC创新不仅简化了设计师的设计工作，还使超声系统的性能、体积以及功耗方面取得显著的改善，从而增大了产品应用的潜力，扩大了市场机会。”　　

实现一个超声系统需要四个主要部件：LNA(低噪声放大器)、VGA(可变增益放大器)、AAF(抗混叠滤波器)，以及一个高速ADC(模数转换器)。2007年，ADI公司发布了首款超声设备用集成模拟前端芯片—AD9271。该芯片利用单个IC取代了从前的分立式解决方案，芯片中集成了8个通道，每个通道都包括一个LNA、VGA、AAF以及一个12位ADC，其前所未有的集成度使得医疗设备设计师将移动超声系统中信号路径的尺寸减小了50%，功耗降低了25%，所有这些都是在关键护理设置所需的噪声电平以及其它性能参数得到保证的条件下实现的。

高集成度在如今的便携式超声系统设计中并非唯一必须实现的关键要素。系统还需要足够的灵活度，并能够通过调整来满足各种不同类型的超声检查需求，还要在可编程增益、滤波器截止频率以及系统端接方面具有易用性。对于半导体厂商来说，仅仅是定义这些极为复杂的内容并为客户提供样片、评估板以及数据手册是不够的，还需要能轻松地实现对这些产品进行评估的软件工具。所有这些都表明，半导体厂商与系统设计师之间的距离正在不断拉近。

在美国，估计每年需要做6200万次CT扫描。CT扫描成像设备将专用的X光设备与复杂的计算机相结合，产生人体的2维和3维图像，来诊断包括癌症在内的各种病症。CT扫描仪能够以更快的速度提供更精细的图像，病人承受的X射线剂量也较少。

目前或者下一代的CT扫描仪都要求大幅增加通道数量，然而无论是系统的体积还是成本都不能与通道数量同比率增加。系统中最复杂的部分，即模拟前端，是保证系统性能的关键。于是，为实现更多的通道数，半导体设计师必须寻找途径来集成更多的功能，同时还要降低功耗和成本。

在CT领域，半导体设计师与系统设计师的合作绝对非常关键的。在过去的几年里，CT的开发已经取得了大量创新和巨大的进展，但在未来的几年里仍需要更多的创新和发展。例如，ADI公司为医疗成像最新推出一款芯片—ADAS1128，能够支持高层数的CT系统，以极高的精度和分辨率实时捕获像跳动的心脏这样的运动图像。该芯片提供128个数据转换通道，帮助诊断系统设计师开发能够生成人体骨骼和内部器官的清晰图像的CT扫描仪，同时，相对于旧式的机器，还减小了接触辐射的剂量，这在心脏病学、神经病学以及血管造影这些关键领域中是极为宝贵的。另一方面，我们提供更高集成度的方案。今年4月我们针对CW（连续波）和PW（脉冲波）多普勒超声推出了第三代八通道超声接收器——AD9276和AD9277，是业内首个在单个芯片中集成了CW多普勒信号处理的增益、滤波、数据转换和解调功能的芯片，以满足从日常产前保健到高级心脏成像等越来越复杂的诊断要求。与此同时，针对亚洲市场的需求，我们在中国的工程师协调设计了心电图（ECG）、运动监护等方案，满足市场的需求。

医疗仪器

这部分的医疗设备包括血液分析仪、血压计、输液泵、透析机以及大量各种其他体外用功能设备。

除了非常成熟的检查系统外，采用前沿半导体技术的一个实例就是在血压计中采用三轴加速度计技术。最常见的血压检查方法通常得到的血压数据都不准确，因为手臂与心脏没有处于相同的平面上。而采用三轴加速度计(与当前计算机游戏中所用相同)能够测量出手臂的倾斜，从而有助于获得精确的血压读数。

诊断时所用的血液分析的常见方法是检查其DNA特性。当存在病毒时，血液的DNA特性通常会改变，使得血样的阻抗呈现复数形式。通过将病毒血样对应到这些阻抗特性，医疗专家就能识别并检测出血液中的病毒。这就要求系统设计师将频谱分析仪设计到手持式仪器里，显然这无法利用现有的分立元件来实现。因此，他们必须与半导体企业一道，探索是否能够将该功能集成到单芯片上，就像目前已有最新的阻抗计模拟前端芯片。　　

半导体公司通常会去实现那些高性能系统所需的技术及产品，真正的关键是在保持极具竞争性的系统功耗预算和尺寸面积要求的同时，获得所要求的性能，还要能够将其它的高价值功能集成到同一块半导体芯片上，以提供最大的优势，这也正是半导体公司不断努力掌握的应用知识。在这方面，我们的客户就是我们的老师，半导体厂商、系统制造商以及最重要一方—病人，都能从主要技术拥有者之间的有效交流中获益。

针对疾病控制、卫生与健康以及给药而设计最新系统的设计师正在以半导体为基础，设计出能够改善人们生活的新一代产品。医疗设备设计师与半导体设计师之间的交流是至关重要的，因为半导体公司对医疗设备设计师的需求了解得越多，全球需要医疗护理的人们获益将越多。

Patrick O'Doherty是模拟、混合信号和数字信号处理集成电路的全球领先供应商ADI公司的医疗保健分部经理。在这个岗位上，他领导了ADI公司在预防、检测、诊断和护理各种病患的相关技术的业务开发和行销工作。