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医疗保健领域集成电路的财富增长

尽管最初的采用曲线缓慢,但用于各种设备的芯片的设计正在好转。

受欢迎程度

在经历了多年的缓慢增长和主要用于消费类电子产品之后,半导体越来越多地进入各种医疗设备。

如今,几乎每一家主要的芯片制造商都在医疗保健领域站稳了脚跟,许多制造商开始将目光从苹果手表等可穿戴设备转向可依赖于准确性和可靠性的设备。与过去不同的是,这些芯片也在以相对先进的工艺进行开发,落后于领先优势几代,因此工艺已经足够成熟。

这种组合包括定制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的低功耗IC到处理诊断图像的高性能加速器的所有领域。

“目前,在28、20和16nm下生产的芯片都在医疗设备中生产,”该公司医疗保健与科学负责人Subh Bhattacharya说锡林克斯. 这可以包括从510 (k)设备,经证明是安全有效的新创和上市前批准(PMA)分类,这是进一步发展。这些应用中有许多是II类应用,这意味着它们对用户有中等到高的风险,但也有一些III类应用,如自动体外除颤器和输液泵。

截至今天,电子医疗设备的主要用途是研究、收集公共卫生数据、保存和访问患者记录以及患者保健。但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应用正在扩大。监测系统还包括在患者家中植入的临床设备,用于向医生发送数据,或通过实际应用于患者的传感器监测生命体征系统。

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外形中使用更少的功率,并将信号安全地发送到目的地。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。人工智能也越来越多地被添加到这些系统中,以使监测和诊断任务比人类更简单、更快、更准确。

设备的形式因素
用于病人健康护理的医疗设备有很多种形式,从微小的可摄入和可植入的设备到大型生物医学诊断和治疗机器。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。

但不那么明显的是两者之间的细微差别。在临床设置中使用的设备可以有类似但质量更好的组件和系统设计。但随着芯片在更多设备上的使用,这种界限正在变得模糊,包括:

  • 外部磨损的装置。这些设备包括可穿戴设备、可听设备(健康和生命体征追踪器;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,用于葡萄糖监测);还有刺激神经的电子皮肤,为义肢增添了触感。其中一些设备是消费设备(非处方药——任何人都可以购买,无需医生处方)或临床设备(由医疗专业人士开的处方)。
  • 体内装置。这一组包括植入物,如起搏器、耳蜗植入物和神经刺激物。这些设备必须采用密封包装,可以是陶瓷或金属。无线通信和信号采集与处理必须是极低功耗的。电磁干扰(EMI)对植入设备是一种危害。这一组中还包括可食物质,其大小必须与药丸或胶囊一样,由生物相容性材料制成,能够承受胃肠道,同时容纳MCU、传感器、存储器和电源。一些可摄取传感器可以与外界实时通信。
  • 临床患者诊断、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,监测病人的生命体征。这门课还包括救生机器,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)。有些临床设备是为患者在家使用而设计的,有些则有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行中。
  • 除此之外,还有一些新的应用程序。

“化验也变得非常有趣,在化验中,你在现场,想看看血液样本是否有某种病原体,”阿韦克·萨卡尔(Aveek Sarkar)说Synopsys对此'自定义设计组。“如何快速诊断此问题?人们有一种图像传感器类型的设备,通过手机中的光线捕捉大量像素。这些生物医学传感设备基本上有传感器或标记,可以非常非常快速地研究您采集的样本中存在哪些组分,”

从MEMS到DSP和FPGA,几乎所有类型的芯片都被用于医疗应用。其中一些是平面芯片,一些是封装的,并且越来越多地具有内置的安全性。但是,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,它可以设计为适合精确的系统和功能。

“大多数ic是专用集成电路(asic),专门为满足客户的要求而定制。英飞凌科技。典型应用包括用于计算机断层扫描的x射线计数集成电路、助听器(带有µC、DSP和音频引擎的数字集成电路;支持adc、dac、麦克风- if、电源等功能的混合信号集成电路,具有NFC读出功能的连续温度测量(用于患者监测、怀孕控制和医疗用品运输等),以及血液分析(血糖、凝血等)。除了这些应用,标准集成电路通常用于所有典型医疗应用的交流或直流电源解决方案。”

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

但是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,所以除非你基本上卡住了,否则就不要去做。”“对于我们研究的很多项目,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,难道这不是很棒吗?但从经济上讲,这是行不通的。这是很常见的。”

门阵列
在变化迅速的地方,过时的风险可能是有问题的。这就是为什么具有一定编程能力的FPGA和SOC广泛应用于医疗设备和应用中的原因。

Xilinx的Bhattacharya说:“fpga的一些关键特性是低延迟或实时要求,如外科应用或内窥镜预处理。”“例如,它们还可能具有高速率的数据移动,用于超声波束形成或CT扫描仪的反向投影,图像重建算法,等等。此外,fpga还提供了一些独特的功能,如灵活性和IP的前瞻性,更容易与模拟前端(AFEs)集成,以及更好的安全特性。”

Bhattacharya指出,FPGA和自适应SOC被用于多种模式,包括医疗超声、数字X射线、CT、MR和PET扫描仪,以及诊断、外科和其他临床设备。“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SOC发展最快的医疗应用领域。”

他说,FPGA在某些领域表现出色,包括:

  • 从一个或多个传感器采集、捕获和管理传感器数据;
  • 超声波束形成、CT反投影、MRI 2D-FFT(快速傅里叶变换)、复杂数学函数等复杂数字信号处理任务;
  • 内窥镜系统中的原始视频预处理和视频后处理,以及
  • 实时响应,这是特别有趣的,因为在CPU或GPU中,软件会定期轮询内存,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是合乎逻辑的和实际的,提供极高性能的低热量。Rockley Photonics为Apple Watch提供数字传感器。Synopsys公司的Sarkar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。”

罗克利正在研究使用激光而不是led来检测生命体征的非侵入性生物标志物检测。“例如,他们使用红外光谱光度计来测量光线。从历史上看,当你观察光子设备时,它们出现在世界上是为了远距离通信,因为通过使用光,我们可以有更快的,有时也更低的功率波。光子器件的应用正在扩展到激光雷达,现在也扩展到像这种传感器系统这样的生物医学应用,”Sarkar说。

Synopsys致力于早期的光子学项目,并看到了其应用的拓宽。“通常情况下,当我们开发软件时,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,”他说。“我在一个机架之间、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,当世界上的罗克利家族开始采用这些技术,并将其用于生物传感应用时,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
由于空间限制以及将更多功能塞进给定区域的能力,堆叠模具在医疗领域也越来越频繁。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 IC的目标和技术驱动力,因为它们对形状因子、功率、能量、热效应和电磁效应有着先进的要求。”。“总体市场规模没有移动和超规模手机那么大,但随着人口老龄化而不断增长。它们确实推动了先进技术的需求。”

3d ic将不同的处理、内存、射频、传感器和其他模块集成到多个堆叠的硅芯片上,并通过某种类型的连接器(如通硅通道)连接起来。这种芯片节省了空间,但其复杂性使得设计和集成问题更加棘手。

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被用来检测心导管的温度。Cadence的AWR部门与Meridian Medical Systems (MMS)合作,开发了一种用于心律失常治疗的导管,该导管同时提供微波辐射用于组织加热,以及一种辐射计(本质上是一种遥感设备),该辐射计被制成MMIC来感知心壁温度。做手术的医生可以实时看到体温是否下降。

防篡改集成电路
医疗器械设计师越来越关心保护他们的品牌不受重新设计或克隆的医疗器械的影响。任何一次性医疗设备,例如一次性传感器,都可以被回收、重新包装和转售,或者整个设备或设备的一部分可以被克隆。Rambus反篡改技术总监Scott Best说:“一般来说,他们不愿意分享用例失败,因为这会对品牌产生影响。”。但客户确实报告说,篡改是一个主要问题,因为它会影响患者安全并玷污品牌。

医疗器械行业从打印机和相机行业吸取了教训,这些行业积极保护消费者免受假冒产品的侵害。例如,佳能在其单反相机的锂离子电池和电池充电器上安装了防伪技术,以防止假冒充电器导致电池爆炸。

“当医疗行业开始使用某种便携式电子产品时,比如可以连接到用户身上的电池供电的电子监控设备——当然,这是一个更为新兴的市场,然后是数字单反——医疗行业肯定会看着并说,‘好吧,我们会保护我们的收入,我们会的贝斯特说:“我们将保护我们的品牌,我们将通过说我们正在保护患者的安全来起带头作用。”。“你可以做到这三点,你可以同时出于最好的原因和最经济的原因做到这一点。”

一个多云的未来
医疗设备与医生交流数据已经有一段时间了,这让他们更容易做出更明智的决定。“很明显,医疗设备中有很多技术,尤其是成像设备,很多DSP技术和信号处理技术已经在医疗领域找到了良好的家,”Flex Logix人工智能推理的高级营销总监山姆·富勒(Sam Fuller)说。“但这些技术主要是围绕着数码图像捕捉和存储技术。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。然后数据就会转移到其他地方进行处理,或者转移到边缘设备上。

医疗设备中的边缘设备和云连接仍处于早期阶段,但它们会继续存在下去。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一场边缘设备开发方式的革命,这将为医疗设备开发带来重大好处。”“通过改善设备和云软件之间的协同作用,技术差异和缺乏系统标准化造成的竖井可以更好地集成。诸如Arm的卡西尼项目(Project Cassini)等项目正在帮助解决这一问题。卡西尼项目是一个基于标准的项目,旨在在边缘提供云本地软件体验。”

不过,还有很多工作要做。Ferguson说:“如果我们要实现数字患者护理的下一个增长阶段,并继续实现突破性技术,那么行业必须共同努力应对这些挑战,这些技术可以在全球范围内对医疗保健和医疗应用产生巨大影响。”

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。研究正在进行中,新的用途和技术正在世界各地开发。当前的大流行加速了其中一些创新,但还将有更多创新。

总的来说,这将为芯片行业带来广泛的新商机。在多年来推动这一市场发展的挫折之后,僵局似乎终于开始打破。

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