医疗电子发展方向

2009年04月17日 22:04    李宽
关键词: 电子 , 发展 , 医疗
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)是一次性的,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,芯片最好还是可配置的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,如何实现最优化处理等等。

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公司全球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,可以精确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,嵌入式处理器可以精确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精确地进行精密手术。

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,因为医疗专家基本上可在全球范围内按需分配。

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。

远程医疗+人工智能

超级电脑能够战胜国际象棋冠军GaryKasparov,是因为它储存了很多过去的比赛、策略和结果。医疗人工智能利用基于多年的实际医疗数据和病历的先进算法,帮助医生更好地决策。

医疗人工智能并不是真正意义上的新概念。大概在10年前,研究人员就开发了一个使用人工智能的系统,来诊断心脏病发作风险,它比大部分资深的心脏病专家的效率还高10%。然而采用嵌入式智能,其管理和处理大量数据和更丰富数据类型的能力,将使这些系统在诊断能力方面更加先进。

未来10年,我们设想医疗人工智能系统不仅能使用复杂算法进行智能决策,而且能通过捕获、分析和调节持续的实时病人数据流真正地学习。例如,研究人员正试验使用医疗人工智能和传感器网络,帮助老年痴呆患者过上更幸福、健康和安全的生活。老年痴呆病人的一些常见症状是健忘和精神混乱,这些有时会使他们处于极大的危险之中。为了解决这个问题,研究人员正在开发一个系统,该系统能够从家中传感器网络中自动收集病人数据,并使用医疗人工智能分析数据。支撑这一切的,是把病人的家庭转变为一个“智能家庭”:传感器将与日常物体集成,以确定病人是否打开炉子,或者是否打开冰箱、橱柜或大门等;热力和压力传感器将确定病人是坐在椅子上、躺在床上还是在房子里散步;生物传感器将测量心率和体温等生命体征,告诉我们它们的情况。来自这些传感器的实时数据共同提供一幅病人在室内的位置及其精神状态的无比清晰的图片。如果人工智能系统检测到一个异常情况,它会自动触发应急响应,提醒病人吃饭或吃药,或者如果在一定时间内室内没有记录任何活动,它就自动拨叫急救电话。

结语

“保健产业蕴含着兆亿美元的商机。”曾出任布什和克林顿总统经济顾问的保罗·皮尔泽在《财富第五波》中指出。我国在21世纪也面临着如何有效改善人民健康水平的重大挑战,例如,国务院新近颁布的《国家中长期科学技术发展规划纲要(2006~2020)》指出,重大疾病防治药战略前移,重点研究开发心脑血管病、肿瘤等重大疾病的早期预警和诊断、疾病危险因素早期干预等关键技术。不过,我国医疗电子刚刚起步,而且90%的医疗设备市场被外国公司所占有!大力开辟医疗市场,研发自主知识产权的医疗设备,成为我国从业人员的重要使命。
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