目前,中國醫療設備產業整體步入高速增長階段。人工智慧技術在醫療設備領域的應用主要集中于智慧診療、智慧影像識別、智慧可穿戴設備相關的智慧健康管理、醫療機器人等幾個方面。將人工智慧應用於的醫學影像的識別、診斷,以及具有醫療等級的智慧可穿戴設備結合遠端醫療的使用,將會是下一個熱點。

然而,智慧醫療設備的開發卻面臨低功耗、高性能、小體積和縮短設計週期等挑戰。我們在探討智慧醫療設備發展的同時,還必須考慮到降低醫療成本的需要。為此,本刊採訪了TI、Molex、Nordic和On Semiconductor等零組件廠商,請他們談談這一領域目前有哪些好的解決方案,以及未來將會如何發展。

智慧醫療設備涉及哪些熱門應用?

Nordic Semiconductor亞太區銷售及行銷總監Wendell Boyd表示,智慧醫療設備當前的發展狀況必須結合降低醫療成本的需求這一背景來看待,特別是現在人口老齡化已經成為了世界各國社會的醫療保健管理問題。這個問題同時具有社會和經濟方面的考量,這讓人們意識到現代技術可以助力醫護人員從遠端進行多種常規健康監測,意味著許多病患可以留在家中,從而節省大量的資源。

這種遠端診斷的趨勢推動了對可攜式/可穿戴智慧醫療設備的需求。就其電子零組件而言,這意味著必須做到小型化。而Nordic提供的超低功耗(ULP)無線IC,可以為醫療設備提供優化的設計解決方案。Wendell Boyd表示,特別是ULP無線解決方案支持使用可穿戴監視器(例如心率監視器)進行遠端診斷並降低成本。「我們的許多晶片都是多協定的,這意味著它們具有多種功能,可以在多種設備中實現設計自由度;」他介紹:「例如,廣東省的一位客戶選擇了我們的nRF52840藍牙5/低功耗藍牙多協議SoC元件,為包含心率監測儀的可穿戴腕帶產品提供了無線連接和強大的處理功能。」

ADI醫療業務系統應用經理俞毅剛介紹說,該公司在醫療電子的監測方面非常看好兩大類應用:醫療影像檢測類和生命徵象訊號監測類——尤其在以家庭/個人醫療應用為新興市場的生命徵象訊號監測領域以及醫療影像檢測市場等應用。

ADI希望透過不斷投入並和客戶一起,幫助終端患者(或使用者)和醫生解決他們所面臨的問題,例如測量精度、使用方便性、成本及可靠性等問題。更希望透過與客戶的不懈努力,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,為解決人們共同面臨的「看病難,看病貴」、「醫療資源分佈」、「分級診療」以及「完善基層醫療設施」等挑戰做出自己的產業貢獻。

Molex亞太區行銷經理Jamie Yung表示,微型而又智慧化的醫療設備在全球市場上需要獨特的解決方案,能夠良好應對空間上的約束以及其他的問題。這些挑戰可以是非常實際的,比如說,將電池安放到微型設備中。答案則可能是薄膜電池。羽量級的垂直構造使這類產品可以理想應用於低功耗的可穿戴式醫療設備及消費類設備,並且適合其他基於感測器的應用使用。

On Semiconductor醫療分部亞太區市場部經理楊正龍指出,目前該公司在健康智慧醫療市場上側重消費類產品,把專業的醫療設備透過其先進技術把成本做低,從而從成本上、便利性上更加貼近市場,讓消費的群體更廣。同時結合市場目前物聯網大資料的趨勢,對個人健康提出長期的追蹤、預警和建議,從而達到利用高科技為生活服務,提升醫療設備的服務品質。

包括哪些智慧功能?

俞毅剛介紹,ADI在光電、生理電勢、生理阻抗、運動、體溫等各類高精度、高性能、高可靠性的感測器、訊號處理前端和整合模組方面,都在為生命徵象訊號監測類智慧醫療設備和可穿戴設備提供可靠易用的方案。同時,該公司的COF (Chip-On-Flex)高精度、高整合度的類比前端,也在為數位平板X光機、CT、高階彩色超音波設備的高品質醫學影像的智慧診斷提供可靠保證。另外,ADI在電源管理、訊號處理及資料通訊方面突出的技術和產品,也為現在和未來的智慧醫療設備所需的更低功耗、更小體積、遠端互連提供了完整系統級解決方案。

Molex的Soligie印刷式電子元件採用獨特的整合式設計與生產製程,可以實現創新的印刷式電子感測器系統,在印刷式電子基板上整合多種元件(圖1),Jamie Yung表示。這類產品可以應用於眾多的智慧診斷醫療設備,包括可穿戴的感測設備在內,例如24小時的心臟監護器等。

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圖1:Soligie柔性混合電路。
(來源:Molex)

(圖片來源:Molex)

談到以高性價比的方式生產醫療設備,Soligie的卷對卷醫療轉換系統可以實現轉換、層壓和模切製程的完全整合,適合醫用級別應用中的膠粘劑和基板使用。同樣,高性能的柔性銀電路解決方案在聚酯基板上採用了細間距的超窄銀走線以及複雜的元件,針對傳統上在聚醯亞胺上採用的蝕刻銅走線提供了一種經濟的替代性醫療技術。

Wendell Boyd指出,現今的醫療設備採用了多種感測器,根據軟體演算法分析來跟蹤和記錄配戴者的生理狀態和性能水準,而Nordic的產品支援這種「智慧」功能。例如,前面介紹的可穿戴腕帶產品整合了由Nordic SoC元件監測的3D加速度計和心率感測器,以追蹤和記錄使用者的健康和運動資料。這款腕帶可用作24小時動態心率監測器、睡眠監測器和活動跟蹤器,用於記錄所走步數、行走距離、燃燒的卡路里和活動持續時間。nRF52840 SoC元件具有一個64MHz、32位元Arm Cortex-M4F處理器,用作CPU以管理感測器的睡眠和運動演算法實現,以及資料儲存。

楊正龍表示,隨著社會科技的發展,醫療設備從以前孤立的設備轉變成現在互連智慧的生態系統裡面的一個環節。通過大數據的分析,可以更加高效定位患者出現的問題。同時透過萬物互連的技術,可以讓醫療設備智慧偵測到問題或者潛在風險,自動給患者提出相關預警。未來的醫療設備將不再以孤立的單個功能設備存在,而是大智慧大健康醫療生態系統裡面的組成體,因此對於醫療設備互連的時延性、資料傳輸及時性、準確性、高整合度等方面都是未來智慧醫療設備趨勢。

醫療電子面臨的設計挑戰

在生命徵象訊號監測類設備,低功耗、診斷級性能、高整合/小體積、設計週期短是目前面臨的挑戰,俞毅剛表示。為此ADI提供了系統級解決方案和參考設計,專門技術團隊提供系統級的專業支援和技術服務。

在醫療影像檢測類,如X光平板探測器,設計面臨的挑戰有:更低X光劑量、快速動態影像、便攜、減少設計週期等。CT面臨的挑戰有:更多層數(16層到64層,到128層,到320層)、更低X光劑量、更低系統成本、縮短上市時間等。ADI提供的更高通道數、完整訊號鏈、更低功耗、更快速、更低雜訊的整合子系統,具競爭力的成本和連貫的產品藍圖,配合專門的專家團隊提供系統級應用支援,?明客戶克服挑戰,加快設計到發佈時間。

Jamie Yung則指出,智慧醫療設備設計的主要挑戰在微型化方面,而Molex提供的佈線系統可以節省空間,並且高度可靠並具有極輕的重量,同時還保證了堅固性。比如,Molex在2018年底宣佈推出全新的微端接產品,適合含有微小構件的應用使用。該解決方案對於行動設備產業的供應商來說是一種理想的選擇,這些供應商往往需要可分離的微端接產品,配合尺寸不斷縮小的元件使用。這類微端接產品不僅僅適用於智慧手機,還可以應用到微型化的醫療設備當中。

Molex還提供一種最暢銷的PicoBlade連接器,可滿足不斷成長的市場需求,在惡劣應用中確保安全穩固的連接效果。這些市場中就包含了醫療市場。1.25mm間距的PicoBlade連接器提供四種接頭選項,具有充分的通用性、緊湊型與靈活性。

楊正龍認為,智慧醫療設備是未來的趨勢,需要更多的資料分析運算提升智慧的體驗,就需要更高的技術處理能力,需要植入無線模組而讓醫療設備達到智慧互連的特點。同時,為了達到無線聯接不中斷的即時性,低功耗的要求是技術上一個很大的挑戰,會影響到設備的壽命和節能指標。On Semiconductor目前提供革新的Struix技術,可以提供完整的整合方案,從而使醫療設備的體積減小,並增加更多的功能;同時,該公司提供的超低功耗藍牙低功耗(BLE)產品RSL10,一方面可以提供無線連接的功能,另一方面可以達到業界領先的功耗特點(圖2)。其系統級封裝(SiP)模組則將天線、RSL10無線電和所需的所有被動元件整合在一個僅6×8×1.46mm的微型封裝中,從而大大減少了開發成本並加速了設計。此外,On Semiconductor還推出了RSL10 Mesh,除了提供產業最低功耗,還支援藍牙SIG網狀網路標準,可提供更多功能。

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圖2:RSL10可穿戴醫療產品應用。
(來源:On Semiconductor)

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