淺析醫(yī)療電子設備設計五大技術要點

產品設計要想成功,很大程度上取決于能否在了解客戶需求的同時緊跟嵌入式系統(tǒng)領域的最新技術動態(tài)?；ヂ撫t(yī)療可以被理解為技術輔導式護理以及在醫(yī)療服務行業(yè)實行新策略的潛力，它正推動著嵌入設計應用的發(fā)展。需要高性能的先進醫(yī)療設備不但包括大型系統(tǒng)，也包括了手持和便攜設備。

高性能COM(模塊化計算機)使OEM廠商的設計可以更加靈活。有些產品采用了32 納米制程的英特爾 Core i7/Core i5 處理器技術、能效比高、有更多的圖形芯片可供選擇、可定制PCI Express配置并且提供ECC雙通道 RAM 以確保數據的準確。

現今的OEM廠商面臨著復雜且嚴格的法規(guī)和市場要求。從影像、診斷、治療到病人監(jiān)控和醫(yī)療信息技術系統(tǒng)基礎設施，設計人員用到了大量的產品和服務來滿足國際醫(yī)療標準中對硬件、軟件和連通性的要求。

設備更小巧、性能更強大

縮小設備尺寸是最重要的醫(yī)療設計趨勢之一，這主要是因為設計采用了尺寸更小的元器件。例如，之前需要手推車搭載的影像應用，現在開發(fā)時必須要縮減其尺寸。COM通過縮減中型產品的尺寸以及為現有產品提供可升級性支持著這種設計趨勢。

如圖中所示的CompactPCI 設備適用于需要節(jié)能、雙核性能的應用，例如醫(yī)療影像和其它實時應用。

例如，之前要求使用體積更大的單板機來完成的影像任務，現在可用ETXexpress-PC這樣的高性能COM來完成。在使用相同芯片組和中央處理單元(CPU)的情況下，若是采用microETXexpress-PC模塊，則可以進一步縮小尺寸。此外，若是有姊妹設備不要求具有同樣強大的圖像處理能力，但是要求提高功率效率，那么可以使用microETXexpress-SP模塊。這些選擇的存在讓設計人員能為同一系列的醫(yī)療產品提供高低不同的性能選擇。此外，設計人員可以預見，若是有姊妹設備要求能夠耐沖擊和震動，并且要能夠承受極限溫度條件，那么今后的COM也將能很好地滿足它們的需要，如最近推出的microETXexpress-XL。

可以承受極端環(huán)境。它可以提供高可靠性、耐沖擊和震動，并且能在工業(yè)溫度E2(–40°~ 85°C)范圍內工作。

隨著英特爾45納米架構的出現，小尺寸產品的性能得到了大幅提高。設計人員可以預期，近期的研發(fā)成果，比如英特爾32納米處理器技術，將會持續(xù)推動醫(yī)療設備和系統(tǒng)在可靠性和性能方面的發(fā)展。特別是在空間、性能、發(fā)熱方面受限的嵌入式應用領域，45納米技術產品可以在時鐘頻率為1.1-1.6 GHz、電路熱功率小于5瓦的情況下實現高性能。對533 MHz前端總線的功率優(yōu)化讓這項技術實現最快速的數據傳送——這特別適用于那些需要在途中或在事故現場掃描和傳送受傷人員的圖像給醫(yī)院的實時影像工具。

數字技術推動醫(yī)療市場的發(fā)展

隨著醫(yī)療服務供應商努力于提高護理效率、改進標準，數字技術讓醫(yī)療市場發(fā)生了翻天覆地的變化，并在醫(yī)療產品設計的許多方面扮演著重要角色。例如，便攜設備收集醫(yī)療數據的速度和精確度滿足并且超過了目前的標準的要求，為醫(yī)療服務人員之間進行安全而有效的數據傳送提供了一條大道。New Venture Research Corp的一份市場報告預測各種不同的市場因素將推動嵌入醫(yī)療技術快速成長。 到2013年，COM的銷售業(yè)績有望從2008年的0.787億美元增長至2.56億。這意味著COM的復合年度增長率高達21.2%。

COM Express標準是一個PCI工業(yè)制造商計算機小組工業(yè)標準(由Kontron Corp初建，起初由Kontron、英特爾、PFU、RadiSys公司贊助)，該標準中定義的接口用于實現從傳統(tǒng)的平行接口與低電壓差分信號傳輸 (LVDS)的流暢轉換。COM Express既可以支持傳統(tǒng)的總線，如PCI、ATA、 LPC和HD Audio(或AC’97);也支持PCI、串行ATA或SAS和G級以太網等新型高速串行互連接口。做為一個不斷演進的標準，COM Express最初設計用于適應下一代PCI Express (5 GHz)和串行ATA (300 Mb/秒)接口， 數據傳遞速率現在已經分別達到160 Gb/秒 和1.2 GB/秒。為了確保未來COM Express模塊和載板之間的可升級性和互操作性，有五種共享信號配置(引腳類型)被定義，用來簡化系統(tǒng)集成。有些Pin-Out Type 只需要一個220針連接器，其它則需要兩個集成式 220針連接器來支持所有定義的信號。

此外，COM Express標準支持PCI Express Graphics (PEG)而非更古老的AGP，這極大地提高了醫(yī)生用于評估患者病情的圖片的質量。COM Express標準其對G級以太網 和USB 2.0等先進的通信技術的支持，也使得醫(yī)療人員可以實時查看這些高質量的圖片?；贑OM Express模塊的嵌入式醫(yī)療應用通過模塊內置的串行DVO和LVDS功能消除了數據傳輸的瓶頸。

定制沒有過時

做為一款現貨供應的緊湊型模塊，COM擁有PC的所有核心功能，包括圖形芯片、以太網、音頻、通信接口、USB端口以及其它系統(tǒng)總線。這些功能等于是在小尺寸模塊上搭建了一臺完整的計算機主機。該模塊被安裝在定制主板上，定制主板集成了針對特定醫(yī)療終端用途而定制的面向應用的I/0和功率電路。只有定制設計的主板和特定醫(yī)療應用掛鉤，增加了一系列進行獨特診療流程所需的功能——如醫(yī)療影像以及采集血壓或心率等病人數據。

定制方面的投入可以延伸到好幾代終端產品。這些產品采用多種CPU內核，可以通過替換CPU內核來拓展產品或產品線。相對的是，沒有硬件定制需求的低產量設計可能更適合用于標準的單板機解決方案。

標準COM實現可能會出現在未來的應用中，如微型超聲波機，它小到能夠裝在醫(yī)療技術人員的口袋里，并且能夠將圖片無線傳送至標準的PC上進行遠程診斷?，F場急救人員可以使用這款新設備與主治醫(yī)生進行溝通，這使得急救人員能夠在病人被送入急救室之前就進行診療。

不管是終端用戶的預期推動了設備的研發(fā)或是設備研發(fā)讓終端用戶懷有更大希望，隨著新技術的興起，設計人員可以自由地擴展思路。例如，微米和納米級COM讓便攜設備的計算能力比之前的系統(tǒng)更為強大。microETXexpress模塊現已作為緊湊造型版納入COM Express標準。nanoETXexpress與官方COM Express標準的唯一差別就是尺寸不同。引腳定義和連接器放置與Type 1類引腳完全同步。

醫(yī)療影像所取得的技術進步闡明了這些優(yōu)點，并且應用范圍相比早幾年更為廣泛。例如，功能強大的影像設備被用于治療外傷、心臟病和癌癥等。便攜設備不再受低質量圖像與低下的處理速度所限 。這些設備改進減少了人工誤差、提高了診斷速度。他們使預防性醫(yī)學領域進步迅速。

大型設備保持強大的計算能力

醫(yī)療設計系列的另一端，包括了住院記錄系統(tǒng)和大型影像應用，如房間大小的核磁共振儀和掃描機器。相比微型、便攜式醫(yī)療設備，這些大型設備在結構上更復雜，功能也更強大。這些大型設備緊隨提高計算能力的大潮，但沒有被小型化設計趨勢影響。格外依賴圖像處理的醫(yī)療應用越來越多，對它們而言，提高計算能力至關重要。CompactPCI成熟穩(wěn)定的結構和高性能PCI-Express刀片機的存在，使得CompactPCI在這些應用的地位非常穩(wěn)固。

CompactPCI特別適合用于需要有效處理大量數據的場合。憑借其分布式高速處理能力和高容量 I/O吞吐量，CompactPCI非常適用于醫(yī)療影像應用，用于改進病人護理和將詳細數據實時傳送給病人和醫(yī)療護理專業(yè)人士。CompactPCI平臺產品開發(fā)人員面臨的難題是如何開發(fā)擁有強大處理能力的設備以滿足當前和未來影像應用的要求。由于用戶希望圖片比從前更精楚和更精確，從而使得這個問題特別重要。

采用45納米技術的英特爾Core 2 Duo處理器已經被整合到當前的CompactPCI 6U和3U產品。結果就是，采用新一代英特爾芯片組之后吞吐量相比上一代處理器有了極大的提高，達到了8.5 GB/秒。在功耗沒有明顯提高的情況下，CompactPCI采用多核架構等同于將內核速度提高了25%(2.53 GHz)，將二級緩存容量提高了50%(6 MB)，將前端總線的速度提高了60%(1066 MHz)。

總的來說，多核的特性可以保證CompactPCI的性能， 并且沒有在散熱上投入更多成本。此外，集成有采用32納米制程CPU的CompactPCI板可以在消耗更少功率的情況下提供更強的計算性能、能夠進一步對已部署的系統(tǒng)進行升級、延長其壽命。例如，現有的使用多達10個CompactPCI 2.16 單核、單卡槽主板系統(tǒng)，可以通過使用四核雙槽主板實現相同的性能。通過采用英特樂公司的32納米處理器技術、基于Atom的低功耗處理器和多核架構，預期CompactPCI能進一步提高性能和更加節(jié)能。CompactPCI在醫(yī)療設備市場中的地位不僅穩(wěn)固，并且還將進一步高速發(fā)展壯大。

CompactPCI適用于要求嚴格的醫(yī)療應用。CompactPCI配置有氣封的、高密度引腳和插座型連接器，與邊卡連接器和卡槽式連接器不同。由于電容低且阻抗受控，PCI信號的反射程度被降至最低 。盡管邊卡連接器和卡槽式連接器都適用于不用移動的醫(yī)療設備，但CompactPCI中的高密度引腳使得其能在更惡劣的環(huán)境下工作。

例如， CompactPCI可能適用于在醫(yī)院的許多科室都要用到的手推車，并且經常在病人之間用來用去。 CompactPCI采用220地針腳，可靠性(在 COM Express標準中有定義)很好，提供了合適的屏蔽和接地，適合降低地彈噪聲和在嘈雜的環(huán)境下持續(xù)工作。氣封型連接器將電路板和底板堅固而可靠連在一起。此外，高引腳密度允許有幾百個接地引腳，而良好接地和屏蔽和設備能降低地彈噪聲和在嘈雜的環(huán)境下持續(xù)地工作。因為醫(yī)療影像設備經常不間斷地工作，CompactPCI的基本設計元素可以適應要求恒定高計算能力的苛刻工作環(huán)境。

醫(yī)療設備：使用壽命要長

總的來說，醫(yī)療設備設計人員對產品設計中所用的元器件有著諸多偏好和要求。壽命管理、程序管理以及供應鏈管理對所有產品的設計和取得最終成功都發(fā)揮著關鍵的作用。大多數醫(yī)療應用需要能夠使用10年或更長時間的長壽命平臺。設計人員必須選擇壽命適當的元器件，它們不僅要能撐過12個月或稍長的設計周期，而且還得能通過FDA的審批，并且需要能夠正常工作10年之久。

因此,盡管醫(yī)療標準中對醫(yī)療設備壽命的要求大多是10年，但元器件制造商正在采取措施將醫(yī)療設備的壽命延長到10年以上。英特爾公司大力支持元器件制造商們的這一目標，并且承諾指定的處理器和芯片組有7年的壽命。到2015年，將會有能應對這一要求的COM面世，例如綁定CPU和芯片組的microETXexpress-DC，并且在今后還將繼續(xù)提高。

技術進步帶來的其它幫助包括醫(yī)療設備的進一步演進和醫(yī)療設備市場的增長。這些技術進步包括新的顯示技術，設計靈活程度提高、速度更快的I/O(如USB3.0)。隨著更多針腳選項的出現以及市場期待的增長，醫(yī)療領域OEM廠商需要適用于特定應用領域的技術和設備。低功率設計的優(yōu)勢可在更小巧、對用戶更友好和更方便攜帶的醫(yī)療設備中體現，這些醫(yī)療設備可以方便地送往需要緊急救援但醫(yī)療條件又很差的地區(qū)，比如第三世界國家。

結論

在涉及元器件選擇和實現的時候，技術的進步(例如，通用電子設計，更具體地說，COM取得的進步)以及其它因素(例如，更早上市、更長壽命、質量和靈活性)將帶來挑戰(zhàn)。目前，元器件制造商掌控著資源，并且在設計過程中扮演著更加必不可少的角色。然而，他們不僅需要了解技術設計要求，還需要了解設計趨勢，行業(yè)影響、客戶要求和法規(guī)要求。這些設計元素使得元器

制造商-設計人員間的關系成為醫(yī)療設備能否取得全面成功的關鍵。