近幾年來,中國大陸正興建中和即將興建的公立醫院數量龐大,同時私立醫院數量也在快速增加中。業界通常用「患者藥品和醫療設備的消費比」指標來衡量一個地區的醫療保健水準和服務,這個數值在發達國家中一般是1:1,即醫生給患者開藥的錢和應用設備來檢查監測預防的費用大致相當;而中國大陸則是4:1到5:1之間,這就意味著中國大陸患者大部份的支出都在買藥。這也從一個方面說明國內醫療設備增長還有很大的空間。

健康及醫療產業是各國政府長期支持和投入的產業,隨著人們生活水準的提高,健康及醫療服務成為中國的一個風口,越來越多的資本開始關注這個產業。再加上中國人口老齡化趨勢越來越明顯,醫療電子設備的市場規模將會進一步放大。但醫療設備產業給人的感覺是醫療設備採購費用貴,高階產品基本被GE、飛利浦等國外廠商所壟斷,國內廠商自主研發的醫療設備很難進入到高階市場。那麼,中國企業要如何利用科技的進步和技術的創新,來設計出更低成本、更高精度,可滿足更多需求的醫療電子設備呢?

本文採訪業界幾家半導體和感測器技術廠商,為工程師讀者們帶來這方面的最新技術。

更整合的感測器解決方案

據美商亞德諾(ADI)醫療健康事業部亞太區市場總監王勝介紹,在生命徵象訊號監測方面,ADI的產品和方案解決了使用者最核心的問題,包括多款用於醫院的專業監護類產品和個人消費的穿戴式產品。具體來說,ADI在光電技術、生理阻抗測量、生理電勢採集、溫度、運動狀態監測以及環境相關(如氣體、CO2以及紫外線監測等)等領域都有持續投資以及產品方案在市場上的認可。

ADI醫療健康事業部亞太區市場總監王勝

他拿ADI的光電法測量生命徵象訊號舉例說,ADI的ADPD系列感測器及訊號處理方案,幾乎用於所有主要品牌的客戶設計。例如ADPD142、APD153、ADPD144以及ADPD174等是目前市面上(可以看到的)整合度最高(Photodiode + LED + 類比前端採集AFE + LED驅動器 + 環境光抑制等,輸出就是I2C的數字量),也是體積最小、功耗最低(十分靈活的配置)、性能最好(在體積、功耗都很有優勢),以及非常成熟的方案(已大量出貨)解決方案。可用於診斷級產品也適用於消費級的產品相關生命徵象訊號的採集,例如心率、血氧含量等。

王勝特意提到ADI在6月份剛剛量產的最新一代光電測量模組產品ADPD188,可讓該類應用在功耗、性能、設計簡易度、簡化客戶的產線流程以及成本等方面最佳化。

專注於感測器半導體設計和製造的艾邁斯半導體(ams)在醫療電子設備領域,涵蓋了從大型電腦斷層(CT)設備上的影像感測器,到小至比螞蟻頭更小且可用於內視鏡的影像感測器。艾邁斯半導體AIM (汽車、工業與醫療)領域資深應用工程師李銘豪特別介紹該公司一款超小型、數位化的CMOS影像感測器Naneye 2D/3D。

李銘豪認為,在醫療水準不斷進步的今天,無創的檢查和手術越來越得到普及,如腎臟、心、肺、喉等存在體內迴圈管道的器官,操作醫生利用這些體內管道,可將尿道鏡或支氣管鏡等送至疑似病灶點,透過影像感測器得到的資訊或通過內視鏡的手術裝置進行採樣分析,以判別是否存病變。這樣的檢查和手術可大幅減少手術時間、減少病人的痛苦及術後恢復時間。現在許多的微創手術也開始使用內視鏡的技術。當然,目前最通用的內視鏡檢查是胃和腸道。但不同於胃腸檢查,腎臟等內視鏡檢查,對於內視鏡的尺寸,特別是直徑上有嚴苛的要求。

20180730_medtronic_NT71P2 ams的Naneye 2D是專門針對微型內視鏡而開發的微型影像感測器

據李銘豪介紹,Naneye 2D的尺寸只有1mmx1mmx1.6mm (包括內置鏡頭),包含250點x250點的影像畫素;還焊接了最長至3m的連接導線,方便客戶的裝配及提高最終產品的成品率;具有5種不同可視角度和焦距的內置鏡頭可供選擇;內建10位元的ADC轉換電路及通過LVDS訊號傳輸;感測器部份無需任何週邊器,適合小型化設計的要求。

更不可思議的是,ams還提供兩個Naneye並列組合在一起的Naneye 3D產品,可實現立體視覺的效果。

將帶連接線束的Naneye、用導光的光纖以及微型的手術工具用一個絕緣套管封裝在一起,構成一個極細的內視鏡探頭。通常用於拍攝物的光源,是從控制盒處發光器件由光纖導入的,這主要可減少探頭前端的直徑,同時也可降低前端的溫度,防止燙傷人體組織。當然,有些客戶想用前端直接用LED照明,ams公司也可提供帶LED的Naneye產品。

李銘豪自豪地表示,與現有的微型內視鏡競爭對手相比,ams提供的整合連接線束及內建ADC採樣電路的方案,減少了週邊電路的成本,提高了生產的良率。同時數位化的產品大幅提高了影像的訊雜訊比(SNR)。

他還透露說,ams還將在近期推出更小尺寸的Naneye XS產品,尺寸只有0.65mmx0.65mm。

20180730_medtronic_NT71P3 Naneye產品目前已被廣泛地應用在yicixing尿道內視鏡等產品中

TDK集團愛普科斯(EPCOS)大中華區溫度和壓力感測器產品市場部經理劉煒介紹了TDK壓力感測器在醫療設備中的應用,他表示,「TDK的擴散矽壓力感測器可以大幅提高壓力測量的精度和準確度。經過精確的溫度補償,可確保不同溫度下測量的準確性。能夠協助客戶提高其產品的長期可靠性,減少故障發生率和維修率。」

目前已經有歐洲和中國的主要醫療設備商採用TDK的壓力感測器,廣泛應用於各類氣體和液體壓力測量設備。例如呼吸麻醉機用絕對壓力型和相對壓力型感測器,可測量生化分析儀流體壓力,具有檢測精度高(偏差 < 0.1%)、測量範圍廣(高達40bar)、使用溫度範圍廣(0~65℃)的特點。此外,抗電磁干擾(EMI)能力強、性能穩定可靠,因此使用壽命長達十年。

除此之外,《電子工程專輯》的編輯曾在展會上看到過京瓷株式會社(KYOCERA Corp.)展出的「血流感測器」也非常有意思。該血流感測器模組的尺寸非常小,只有3.2mmx1.6mmx0.9mm,看起來非常適合應用在穿戴式設備或整合到行動設備中。

KYOCERA的工作人員介紹,這款低功耗小尺寸血流量感測器,利用了光多普勒效果監測皮下組織血流量狀態,包括根據檢測資料判斷使用者是否出現脫水、中暑,以及檢測到血壓的變化等。不過,KYOCERA也表示,感測器可以提供前端的檢測資料,但是後面資料的分析結果,則要找協力廠商來合作。畢竟基於資料得出結果,這個屬於醫療或保健領域的專業,半導體公司通常都會與協力廠商來合作。

據稱,這款血流檢測感測器,可以用在專用的耳機裡,隨時監測人體的一些生理指標。

更低成本的醫療成像解決方案

ADI的王勝對《電子工程專輯》表示,該公司在醫療電子的檢查和監測方面重點關注的應用主要有兩類,即醫療成像檢測類和生命徵象號監測類。

據王勝介紹,ADI推出的ADAS1131是一款256通道、24位元電流數位轉換器模組,適於多通道、小電流採集資料的醫療CT、工業和安檢掃描器,及光電二極體感測器應用。ADAS1131的主要技術特性包括:無電荷損失、無死區時間的同步採樣;超低雜訊;可配置電流輸入範圍;整合了2個可配置採樣速率的高速ADC、內部緩衝器、用於資料擷取的去耦和旁路電容;每通道功耗3mW;LVDS/CMOS序列介面;晶片上溫度感測器。ADAS1131採用15mm x 15mm的324引腳扁型SiP BGA封裝,內部包含電源和基準電壓的去耦電容。球柵陣列為18 x 18全陣列,焊球間距為0.8mm,焊球直徑0.45mm。0.8mm的焊球間距可使引腳間多佈線,從而減少很多雷射孔和埋孔,提高PCB的成品率、可靠性,進而降低成本。

目前也已推出最新一代ADAS1135,在主要性能指標上都有大幅度提升,並與ADAS1131封裝相容,使用者很容易實現硬體的系統升級,以及在新設計上最新技術採納。同時,推出128通多版本ADAS1134。

在數位X射線產品方面,其ADAS1256 COF(Chip-On-Flex)256通道整合前端模組,除了單晶片整合256通道、16位元解析度、22us線路掃描速度等性能外,ADAS1256 COF解決方案還提供了9種功耗模式,因為功耗與雜訊不能同時達到最低的要求,所以功耗模式的切換功能就能使得用戶自行選擇適應當時需求的最佳功耗、雜訊模式。對於病人來說,最關心的是輻射劑量。因為在做各種檢查時,X射線對病人本省也會造成傷害。對於這點,ADAS1256 COF解決方案降低探測器本身的雜訊,所以在X射線劑量很少時,低雜訊的探測器也能夠接收並清晰呈現影像。

王勝指出:「我們正規劃最新的產品藍圖,以進一步最佳化速度和功耗,而整合更多系統級功能的產品也將很快面世,並已在業界重要客戶中實際測試和最終產品開發。」

在生命徵象訊號監測方面,ADI則提供了ADPD系列產品。針對醫院用及家用可攜式醫療電子領域,ADI擁有一系列創新產品和解決方案,例如支援多種可攜式醫療保健領域的高精度、低功耗晶片計量儀ADuCM350,已廣泛用於國內和國外的幾家代表性大客戶。

除此以外,在運動檢測的相關領域,ADI提供超低功耗3軸數位MEMS產品ADXL362,在運動檢測喚醒模式下功耗僅為300nA,其超低功耗的特徵是可穿戴運動監測設備的理想解決方案。

Indy宜鼎國際大陸子公司總經理游禮印介紹宜鼎在在醫療電子方面的佈局。他指出,宜鼎的CF/SD卡和嵌入式記憶體模組等方案已經在監護儀、超音波、血球分析儀和醫療平板等設備上被採用。目前已經推出了一些列完整的解決方案,包括DDR4 ECC/RDIMM、M.2、NVME及各類伺服器開機磁片(例如:SATADOM)等儲存解決方案,可配合上述各類海量儲存、邊緣運算等應用上,對於365天/24小時高速運作的低電壓節電環境,且滿足伺服器超融合系統運作的相容性與性能上的要求。而且還根據醫療產業客戶的特殊客製化要求,推出各類量身定制的解決方案。

Indy 宜鼎國際大陸子公司總經理游禮印

他特別提到了宜鼎集團子公司安提(Aetina),提供了醫療專業成像需求上提供的醫療專用方案,包括MXM GPU 模組,以及近期炙手可熱的Nvidia TX1/TX2人工智慧平台,為醫療客戶的AIoT的解決方案。

最後,他還介紹了他們今年推出的iCAP智慧管理軟體,可讓業界客戶在設備管理上便捷掌握現場設備狀況,以醫療產業應用為例,即可實現醫院院內不同樓層的連網設備,通過透iCAP軟體掌握系統運行狀況、儲存裝置壽命等的即時資訊,以提前因應裝置壽命到期現場更換的工作排期,降低設備突發狀況發生的人員及設備調度,進而降低人員成本及提高設備使用率。

總結

王勝總結說,ADI看好醫療電子領域的技術和業務前景,將持續地戰略關注,並積極參與相關的研討並投資相關的技術和產品開發。ADI希望透過不斷投入,和客戶共同協助最終的患者(或使用者)和醫生解決所面臨的問題,例如測量精度、使用方便性、成本及可靠性等問題。更希望與客戶的努力,能夠開創性地在業務模式和產品應用形態等方面,突破已有產品形態的邊界,在醫療電子應用,為解決共同面臨的「看病難,看病貴」、「醫療資源分佈佈局」、「分級診療」以及「完善基層醫療設施」等挑戰做出貢獻。

在醫療電子設備中,傳統昂貴的醫療檢測設備既是醫療電子市場最大比重的醫療電子設備,也是形成國家醫療保險與病人治療龐大費用的重要原因。而半導體廠商不斷地在醫療檢測與健康指標監測方面,推出新的產品來提升醫療電子產品的檢測資料的精確度和產品性能,同時最好還能降低整機設備的成本,以便更多的病人能夠享受到技術帶來的福利。這既是醫療電子廠商需要關注的熱點技術,也應該是所有從事醫療電子設備研發行業的工程師的研發使命之一。