醫療電子市場兩大趨勢：便攜化與低功耗
2011-03-16全球人口老齡化、人們生活水準提高和偏遠地區對醫療服務需求增加等因素正促使傳統醫療方式的變革，移動性和便攜性逐步成為影響醫療電子產業的關鍵。另一方面，半導體技術的發展推動醫療創新的步伐以前所未有的速度向前邁進，在快速處理計算、高精度模數轉換和無線網路技術進步的帶動下，醫療電子產品走向可擕式和小型化成為現實。醫療電子市場是一個穩定的市場，它不像消費類電子產品那樣容易形成泡沫並快速破滅，雖然該產業的投資回報期較長，但它可能為參與者提供比其他商業領域更穩定和更持久的回報。據市場調研機構Espicom預計，2010年全球醫療器材市場將突破2，000億美元，其中，醫療電子將占45%，達到900億美元的規模。巨大的市場前景和穩定的回報吸引了眾多廠商的投入，從半導體廠商到EMS、OEM公司，他們期待能從醫療電子市場中挖掘出金礦。
便攜醫療電子市場的熱點應用SteveKennelly：便攜醫療電子產品對於晶片方案的要求是具備更強大計算能力的同時擁有低功耗的特性。便攜醫療電子產品的出現緣起家庭醫療護理趨勢的興起和消費者對自身健康關注度的增加。"越來越多的人開始主動關心他們身體健康的狀態，這導致了個人消費者對醫療保健和簡單診斷產品的需求。"Microchip公司醫療產品事業部高級戰略和產品市場經理SteveKennelly舉例說，比如血糖儀、血氧計、疾病控制和診斷監視系統等設備開始走向便攜化，這正是應對了目前這些產品開始進入家庭的趨勢。TI公司MSP430資深市場拓展工程師鮑震表示，目前在便攜醫療電子領域比較熱的應用主要是帶液晶顯示的體溫計（溫槍）、血糖儀、血氧計、生化分析儀、胰島素注射和心臟除顫儀等產品，"其中，血壓計是便攜醫療設備應用最廣的一個市場。"鮑震主要負責MSP43016位超低功耗MCU在中國區醫療市場的推廣。鮑震指出，便攜醫療設備進入家庭與人們生活水準的提高密切相關，"目前在歐美地區，血壓計和血糖儀等檢測產品已經成為家庭必備的一種醫療設備，而中國目前還有形成這樣的環境，預計隨著沿海城市和內地大城市逐步開始消費這些產品，這個市場會慢慢起來，這與生活的富裕程度有關。"他補充說，目前在中國便攜醫療電子市場比較熱的應用是掌上型溫槍，"這是S RS之後興起來的需求，市場用量非常大。"除了基本檢測醫療設備之外，"健康產品"是家用便攜醫療設備的另一個主要發展方向。"隨著亞健康人群越來越多，國內許多醫療設備製造商正在走健康產品路線，比如一些廠商用我們的MCU做一些低頻理療儀，通過產生一些脈衝信號對相關穴位進行放鬆和保健。目前市場上的消費者對這類產品很感興趣，未來市場前景不錯。"無疑，家用醫療市場是推動醫療電子設備便攜化的主要動力之一。而與此同時，在醫療護理方式改變和偏遠地區對醫療服務需求增加等因素的驅動下，醫院用的大型專業級醫療設備也開始走向便攜化。"最為明顯的是監護儀和超聲設備，以前這兩類設備都以臺式為主，不能斷電，而現在市場上可以看到類似筆記本外觀的便攜超聲設備和監護儀。"TI公司HPA業務發展工程師馬凱認為，醫院用的專業醫療設備開始走向便攜化主要應對兩類需求：一是對於不能移動的病人，便攜醫療設備可帶來醫護和診療的方便；二是對於偏遠的農村地區，醫生可以攜帶專業設備進行上門診療，提高了偏遠地區的醫療水準。
深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司的一位元資深產品經理也表示，便攜化是目前醫療電子產品發展的大趨勢，它不僅實現了移動醫護和診療，還使移動手術成為可能。"比如應用在軍隊中，便攜醫療設備可以讓醫生在野外很快搭建起專業的手術室，對傷患進行及時的治療。"此外他還指出，便攜發展趨勢讓互連性成為醫療電子設備的必備功能，"醫療體系正在出現一個新的動向，便攜醫療產品中獲得的資料通過連網的方式發到醫院的電子醫療記錄系統中，及時獲得醫生的診斷和建議。"
新興方案瞄準醫療電子市場便攜化趨勢給醫療電子產品的設計提出了低功耗、小型化和簡單易用等方面的要求。應對這些要求，各領先半導體廠商紛紛推出高集成度的晶片方案，以幫助醫療電子設備廠商快速推出產品。MSP430系列是TI專門針對醫療市場推出的超低功耗MCU方案，共包括三大產品系列：FG43X、FG461X和FG42X0。據鮑震介紹，最早推出的FG439是全球首顆針對醫療電子市場推出的單晶片方案，"這個產品當時是專門為國外血糖儀市場設計，目前已經應用到許多新的領域，比如生化分析儀等。"他說，在這顆晶片中集成了前端運算放大器、12位雙通道高精度ADC、DAC和DMA以及內置參考源等。"這是一個高集成度的方案，採用我們這顆晶片所做的血壓計和血糖儀，無需使用任何外部元件，體積非常小，功耗也很低。"鮑震表示，MCU應用於醫療電子的特殊需求主要表現在三個方面：一是高集成度；二是超低功耗；三是簡單易用。"這也是我們產品的三大特點。"他介紹說，繼FG439系列之後，TI還推出了升級版本FG461X系列，進一步降低了產品的功耗，同時它還包含最高達120KB快閃記憶體和8KBRAM，由於它在單晶片上提供高集成度的智慧外設與較大的存儲選項，可滿足脈搏血氧飽和度測試計與無線心電圖機等便攜醫療設備的要求。在此基礎上，TI還推出了FG42X0系列，將ADC的精度提高到16位。除此以外，TI還計畫在明年推出MSP的新一代產品，根據目前便攜醫療電子產品的需求，內置USB介面和RF無線傳輸功能。"這是未來一種趨勢，越來越多的便攜醫療產品會要求將採集到的資料傳輸到電腦中。"鮑震表示，"針對醫療市場，TI今後的產品將不斷考慮市場發展的需求，一方面利用TI龐大的資源庫，將更多的器件集成到整體方案中，進一步提高產品的集成度，同時滿足產品低功耗的要求，另一方面會考慮進行一些匯流排外擴，增加一些介面，提高產品設計的靈活性。"
Microchip是另一家積極投身於醫療電子市場的半導體公司。它于去年專門成立了醫療產品部，以專門滿足醫療電子設備市場的特殊需求。配合該部門的成立，該公司還開設了一個基於Web的醫療設計中心。"便攜醫療電子產品的發展趨勢是小型化、智慧化和更好的連接性，對於晶片方案的要求是在具備更強大計算能力的同時，具有低功耗特性。應對這一需求，我們推出的8位元和16位元MCU產品集成低功耗高精度模擬器件和串列EEPROM，除了超低靜態電流之外，它能幫助設計者實現低功耗下的高性能控制，這對於需要高壽命電池的可擕式產品來說非常重要。"Kennelly表示，今年Microchip還將針對醫療市場推出新的8位元和16位元產品，集成高精度的類比放大器、資料轉換器和電源管理晶片。Kennelly進一步補充說，醫療電子產品開發始於化學、生物和傳感技術，設計工程師對電子部分的設計經驗相對比較少，為此，Microchip推出了易學易用的開發工具，相容Microchip所有的8位元和16位元MCU產品，幫助設計工程師降低開發難度和風險。對於醫療電子設備來說，高精度的模擬器件也是非常重要的器件。專注於模擬器件的半導體公司也在積極應對便攜醫療設備對低功耗和高集成度的要求，比如ADI最近推出了完整的8通道單晶片類比前端AD9271，在單晶片上集成了完整的8通道超聲接收器，主要瞄準可擕式超聲設備。與此前的多晶片方案相比，系統尺寸和功耗分別降低了50%和25%，同時，雜訊水準及其他性能均達到急重症護理的要求。應對移動性的需求，ADI還在去年年底發佈了使用其最新的精密PulSAR模數轉換器AD7980，該產品的小封裝尺寸和低功耗特性使其適合於穿戴式心電圖儀（EKG）、血壓監視器、氧氣感測器以及其他便攜醫療產品，可將病人資訊無線傳送到資料中心或護士辦公室。這種移動性允許病人在醫院裏走動時只穿戴像PDA一樣大小的監視器而無需增加體積很大的醫用設備，從而提高了病人的舒適度。在模擬器件方面，TI已經將高精度的ADC、運算放大器和感測器集成到其SoC方案中。此外，針對中高端專業級大型醫療設備的應用場合，TI還提供專門的模擬器件方案，比如24位6通道或8通道的ADC和高精度放大器等。"人體的信號非常微弱，通常會產生很多混模的干擾，因此，對於模擬器件來說，高精度類比信號的採集和抗噪能力非常重要。"馬凱表示，"隨著醫療產品走向便攜化，類比信號採集部分的集成度要求越來越高，以前是3通道，現在都是8通道了，此外便攜產品需要進行充電，因此還增加了對電源管理部分的要求。"
方案選擇有講究隨著醫療電子領域越來越受到關注，市場上提供的半導體方案也越來越多。對於醫療設備製造商來說，如何進行合理的選擇呢？邁瑞公司的產品經理認為，醫療產品便攜化給設計帶來的最大挑戰是產品功耗問題，"隨著醫療水準發展，這一行業對產品計算能力的要求越來越高，而與此同時，便攜化又要求產品的功耗越低越好。如何在產品具備強大計算能力的前提下保持低功耗是一個非常關鍵的問題。"此外他指出，漏電流也是產品設計中需要重點考慮的問題。他解釋說，醫療電子產品在出口市場需要滿足當地政府關於醫療衛生監管法規和條例的規定，接受各種各樣的認證。"在這些認證中，產品的安全性是首位，比如美國的FDA認證，考慮到對人體的安全性，他們對產品漏電流的檢測非常嚴格，這一數值甚至低於你直接用手指拿著5號電池正負極的導通電流。"他表示，在便攜醫療電子產品中，漏電流的問題主要發生在電源管理部分，因此在電源管理方案選擇時，要重點考慮器件在不同環境下的漏電流問題。應對許多醫療產品對隔離電壓的要求，TI推出了電容式數位隔離器，"傳統設計是採用光耦或電感方式，集成片上電容的隔離方式可實現更快速的資料傳輸和更高的信號完整性，其抗磁干擾能力比電感器件提高6倍，功耗較高性能光學耦合器降低60%。"他透露，目前TI發佈的是一個2通道產品，接下來還將有3通道和4通道的產品發佈。對於醫療電子領域來說，產品的品質和可靠性是重中之重。在美國FDA等認證中，甚至要求醫療設備廠商的元器件供應商也通過相關的認證，同時保證產品的可追溯性，防止灰色市場的元器件混入醫療電子產品中。因此在方案的選擇中，設備廠商要對供應商的品質保證體系特別關注。Microchip的Kennelly表示："目前我們已經通過了ISO/TS16949的認證，可滿足醫療領域的客戶對品質的嚴格要求。"除此以外，量產階段的持續供應也是器件選擇時需要仔細考慮的因素。"醫療電子的設計週期通常很長，在選用器件時要仔細考慮產品生命週期的問題和潛在供應商的歷史供應狀況，以免出現產品設計完成導入量產時遇到元器件停產的風險。"Kennelly說。邁瑞公司的該位元產品經理也指出，在產品設計階段選型時將供應鏈因素考慮進去對醫療電子設備製造商來說尤其重要，"醫療設備的生產大部分都是小批量採購，很難讓元器件供應商為你專門進行定制開發，採購能力不如消費和通信設備製造商強勢，同時醫療電子產品的生命週期很長，設計中要特別小心元器件的停產問題。"他建議，廠商在元器件選擇時最好依據兩個原則：一是市場的主流方案；二是容易替換，"主流的方案和供應商在持續供應上比較有保障，同時盡可能在設計中採用標準器件，這為日後遇到停產等供應問題時能快速找到替代方案提供保證。"