ic在医疗保健领域的财富不断增长

在经历了多年的缓慢增长和主要用于消费电子产品的应用后，半导体正越来越多地进入各种医疗设备。

如今，几乎所有大型芯片制造商都在医疗保健领域站稳了脚跟，许多公司开始将目光从苹果手表(Apple Watch)等可穿戴设备转向准确性和可靠性可靠的设备。与过去不同的是，这些芯片也采用了相对先进的工艺开发，落后于前沿几代人，因此工艺已经足够成熟。

其中包括定制asic，以及现成的模拟和数字芯片。它们涵盖了从用于医疗植入物的低功耗ic到用于诊断的处理图像的高性能加速器。

“目前，28纳米、20纳米和16纳米的芯片已经在医疗设备中投入生产，”该公司医疗保健和科学负责人Subh Bhattacharya说赛灵思公司．这可以包括任何东西510 (k)设备，已被证明是安全有效的新创以及上市前批准(PMA)分类，这是进一步的。这些应用中有许多是II类，这意味着它们对用户有中度到高风险，但也有一些III类应用，如自动体外除颤器和输液泵。

截至目前，电子医疗设备的主要用途是研究、收集公共卫生数据、维护和访问患者记录以及患者保健。但是，随着这些设备转向通过手术或其他疗法(如神经技术中的药物输送和神经刺激)进行监测、诊断和治疗，半导体在这些设备中的使用正在扩大。监测系统还包括在患者家中用于向医生发送数据的植入临床设备，或通过实际应用于患者身上的传感器对生命体征系统进行监测服务。

医疗设备的首要目标始终是使医疗保健准确、有效、方便、可获得和负担得起，同时使治疗更安全、侵入性更小。这些改进的重点是在更小的尺寸下使用更少的功率，并将信号安全地传输到目的地。传感器、模数转换器、射频和微控制器都是关键元件。图像和信号处理也是如此。人工智能也被越来越多地添加到这些系统中，使监测和诊断任务变得不那么复杂、更快，而且有望比人类更准确。

器件外形因素
用于病人保健的医疗设备有多种形式，从微小的可食用和可植入设备到大型生物医学诊断和治疗机。消费者市场的设备不同于临床/专业设备，因为它们可能成本更低，准确性或可靠性更低。

不太明显的是它们之间的细微差别。在临床环境中使用的设备可以具有类似但质量更好的组件和系统设计。但随着芯片应用于越来越多的设备，这种界限正在变得模糊，包括:

• 外部穿戴的设备这些设备包括可穿戴设备、可听设备(健身和生命体征追踪器;更新的消费者手表/智能手机系统提供心电图跟踪、睡眠呼吸暂停检测、心律失常检测和血氧跟踪);一次性传感器(例如，葡萄糖监测);还有刺激神经的电子皮肤，为假手增加触感。其中一些设备是消费设备(柜台销售——任何人都可以在没有医生处方的情况下购买设备)或临床设备(由医疗专业人员开具处方)。
• 机身设备。这一组包括植入物，如起搏器、耳蜗植入物和神经刺激器。这些设备必须在密封的包装中，可能是陶瓷或金属。无线通信和信号采集和处理必须是极低的功率。电磁干扰(EMI)对植入设备是一种危害。在这一组中还包括可食用的食物，它们必须是药丸或胶囊大小，由生物兼容材料制成，可以承受胃肠道，同时容纳mcu、传感器、内存和电源。一些可食用的传感器可以与外界实时通信。
• 临床病人的诊断、护理和治疗。这些主要是监测系统，包括连接到医院网络的传感器，用于监测病人的生命体征。这类设备还包括救生设备，如呼吸机和除颤器、手术设备、机器人和诊断设备(CT扫描、核磁共振成像、x光)。一些临床设备是为患者在家使用而设计的，还有一些是可植入或可穿戴的版本。用于诊断的血液分析仪和化验正在进步。
• 除此之外，还有一些新的应用。

“同样变得非常有趣的是分析，你在现场，想要看看血液样本是否有某种病原体，”Aveek Sarkar说，该公司工程副总裁Synopsys对此定制设计组。“如何快速诊断?”人们有一种类似图像传感器的设备，很多像素都是用手机里的光线捕捉到的。这些是生物医学传感设备，本质上有传感器或标记，可以非常非常快地研究你收集的样本中存在的成分。”

几乎所有类型的芯片，从MEMS到dsp和fpga，都被用于医疗应用。其中一些是平面芯片，一些是封装芯片，它们越来越多地内置了安全性。但随着医疗设备中集成电路的混搭，一些医疗设备设计问题的答案通常是定制ASIC，可以根据具体的系统和功能进行设计。

“大多数集成电路是专用集成电路，专门为满足客户的要求而定制，”Ralf Leuchter说，定制解决方案的部门主管英飞凌科技。典型应用包括用于计算机断层扫描的x射线计数IC、助听器(带µC、DSP和音频引擎的数字IC;具有adc、dac、mic - if、电源等支持功能的混合信号ic，具有NFC读出的连续温度测量(用于患者监测、怀孕控制、医疗物品运输等)，以及血液分析(血糖、凝血等)。除了这些应用，标准ic通常用于交流或直流电源解决方案以及所有典型的医疗应用。”

asic简化了监管方面的事情。Leuchter表示:“由于ASIC设备是根据客户的规格定制的，因此在认证过程中通常不会出现意外情况。”“硬件(ic)可能会对通过监管产生巨大影响，但当它们与整个系统一起设计时，这种风险几乎可以消除。”

但asic也有局限性。医疗设备设计公司Cirtec Medical的应用工程总监安德鲁·凯利(Andrew Kelly)说:“任何昂贵的东西都需要很长时间，而且有风险，所以除非你基本陷入了僵局，否则不要去做。”“对于我们研究的许多项目，我们可以说，‘从技术上讲，这是一个漂亮的ASIC，它对你来说是很棒的解决方案，这不是很棒吗?但从经济上来说，这根本不算什么。这很常见。”

fpga
在变化迅速的地方，过时的风险可能是个问题。这就是为什么具有一定程度可编程性的fpga和soc广泛应用于医疗设备和应用。

Xilinx的Bhattacharya表示:“fpga理想的一些关键属性是低延迟或实时要求，例如用于手术应用或内窥镜预处理。“例如，它们还可能具有用于超声波束形成或CT扫描仪反向投影、图像重建算法等的高数据移动速率。此外，fpga还提供了一些独特的功能，如IP的灵活性和耐未来性，更容易与模拟前端(afe)集成，以及更好的安全功能。”

Bhattacharya指出，fpga和自适应soc应用于各种模式，包括医用超声、数字x光、CT、MR和PET扫描仪，以及诊断、手术和其他临床设备。智能床、3D牙科成像扫描仪、多参数患者监护仪、aed和除颤器等领域是我们的soc增长最快的医疗应用领域。”

他说fpga擅长的一些领域包括:

• 信号采集、捕获、管理来自一个或多个传感器的传感器数据;
• 超声波束形成中的复杂数字信号处理任务，CT扫描仪的反投影，MRI中的2D-FFT(快速傅里叶变换)，复杂的数学函数等;
• 内窥镜系统中的原始视频预处理和视频后期处理
• 实时响应，这非常有趣，因为在cpu或gpu中，软件会周期性地轮询内存，导致中断延迟。一个例子是病人监视器上护理站的实时警报。

光子学
光在医疗应用中的作用既合乎逻辑又实用，以低热量提供极高的性能。Rockley Photonics为Apple Watch提供数字传感器。Synopsys公司的萨卡尔说:“这是一个完整的堆栈——他们称之为临床手腕数字传感器系统，它是一个光子集成电路。”“他们在我们的平台上设计自己的系统。”

罗克利正在研究非侵入性生物标记物传感技术，该技术使用激光而不是led来检测生命体征。“例如，他们使用红外光谱光度计来测量光线。从历史上看，当你看到光子设备时，它们出现在世界上是为了长途通信，因为通过使用光，我们可以得到更快的，有时也更低的功率波。光子设备的应用正在扩展到激光雷达，现在还包括生物医学应用，比如这种传感器系统。”

Synopsys致力于早期光子学项目，并看到其应用范围的扩大。他说:“通常情况下，当我们创建软件时，设计环境是由我们的合作伙伴使用的，他们正在为高性能计算机架设计长途通信平台。”“我正在一个机架、一个刀片到另一个刀片之间发送大量数据，我需要非常、非常快地发送它们。这种非常高端的环境就是光子集成电路的用途。所以他们会使用我们的整个设计平台。但是，当世界上的rockley家族开始采用这些技术，然后将其用于这些生物传感应用时，他们看到了已经完成的工作，并使用这些技术加速了他们的设计过程。”

三维集成电路
堆叠骰子在医疗领域也越来越常见，这既是由于空间的限制，也是由于能够将更多功能塞进给定区域的能力。Cadence解决方案与生态系统高级集团总监Frank Schirrmeister表示:“医疗领域是3D集成电路的目标和技术驱动力，因为它们对外形因素、功率、能量、热和电磁效应有更高的要求。“整体市场规模不像移动设备和超大规模设备那样大，但随着人口老龄化而不断增长。它们确实推动了对先进技术的需求。”

3D-IC将不同的处理、内存、射频、传感器和其他块集成到多个堆叠的硅芯片上，这些芯片通过某种类型的连接器(如硅通孔)连接。该芯片节省了空间，但其复杂性导致了更棘手的设计和集成问题。

MMICs
微波单片集成电路(MMIC)是用于医疗用途的集成电路类型的一个例子。MMIC被用于检测心导管上的温度。Cadence的AWR部门与子午线医疗系统公司(MMS)合作，开发了一种用于心律失常手术的导管，它同时提供微波辐射用于组织加热和辐射计(本质上是一种遥感设备)，该辐射计被制成MMIC来感知心壁的温度。做手术的医生可以实时看到是否有体温下降。

反篡改ICs
医疗设备设计师越来越关注保护他们的品牌不受重新使用或克隆的医疗设备的影响。任何一次性的医疗设备，如一次性传感器，都可以回收、重新包装和转售，或者可以克隆整个设备或部分设备。Rambus反篡改技术主管斯科特·贝斯特(Scott Best)说:“一般来说，他们不愿意分享一个失败的用例，因为这对品牌有影响。”但客户确实报告说，篡改是一个主要问题，因为它会影响患者的安全，并损害品牌。

医疗设备行业从打印机和相机行业吸取了教训，它们积极保护消费者免受假冒产品的侵害。例如，佳能在单反相机的锂离子电池和电池充电器上安装了防伪技术，以防止使用导致电池爆炸的假冒充电器。

贝斯特说:“当医疗行业开始有一些便携式电子产品，比如可以附在用户身上的电池供电的电子监测设备——当然，这是一个更新兴的市场，然后是数码单反——医疗行业肯定会说，‘好吧，我们要保护我们的收入，我们要保护我们的品牌，我们要通过说我们在保护病人的安全来领先。’”“你可以同时做到这三点，而且你可以出于最好的理由和最经济的原因——所有这些都可以同时做到。”

多云的未来
医疗设备向医生传输数据已经有一段时间了，这使医生能够更容易地做出更明智的决定。Flex Logix的AI推论高级营销总监Sam Fuller表示:“显然，医疗设备中有很多技术，尤其是成像设备，而且很多DSP技术和信号处理技术都在医疗领域找到了很好的归宿。”“但这些主要是关于数码捕捉图像并能够存储它们。现在，人工智能的出现让我们能够理解图像。”

这减轻了放射科医生的工作负担，使他们的工作效率更高。然后数据转移到其他地方进行处理，或者转移到边缘设备。

医疗设备中的边缘设备和云连接仍处于早期阶段，但它们将继续存在。Arm医疗保健技术总监彼得•弗格森(Peter Ferguson)表示:“云连接设备的挑战正在引发边缘设备开发方式的革命，这为医疗设备开发带来了重大好处。”“通过提高设备和云软件之间的协同作用，由技术差异和缺乏全系统标准化造成的竖井可以得到更好的集成。Arm的Project Cassini是一项基于标准的计划，旨在在边缘提供云原生软件体验，这有助于解决这一问题。”

不过，还有很多工作要做。Ferguson说:“如果我们要在数字患者护理方面达到下一个增长阶段，并继续实现对全球范围内的医疗保健和医疗应用产生巨大影响的突破性技术，整个行业必须共同努力应对这些挑战。”

结论
医疗芯片包括医疗行业用于改善医疗保健的一系列芯片和创新。研究仍在进行中，世界各地正在开发新的用途和技术。当前的大流行加速了其中一些创新，但未来还会有更多创新。

总的来说，这些将为芯片行业开辟广阔的新商机。在推动这个市场前进的过程中经历了多年的挫折之后，僵局似乎终于被打破了。

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