浅析医疗电子设备设计五大技术要点

产品设计要想成功,很大程度上取决于能否在了解客户需求的同时紧跟嵌入式系统领域的最新技术动态。互联医疗可以被理解为技术辅导式护理以及在医疗服务行业实行新策略的潜力，它正推动着嵌入设计应用的发展。需要高性能的先进医疗设备不但包括大型系统，也包括了手持和便携设备。

高性能COM(模块化计算机)使OEM厂商的设计可以更加灵活。有些产品采用了32 纳米制程的英特尔 Core i7/Core i5 处理器技术、能效比高、有更多的图形芯片可供选择、可定制PCI Express配置并且提供ECC双通道 RAM 以确保数据的准确。

现今的OEM厂商面临着复杂且严格的法规和市场要求。从影像、诊断、治疗到病人监控和医疗信息技术系统基础设施，设计人员用到了大量的产品和服务来满足国际医疗标准中对硬件、软件和连通性的要求。

设备更小巧、性能更强大

缩小设备尺寸是最重要的医疗设计趋势之一，这主要是因为设计采用了尺寸更小的元器件。例如，之前需要手推车搭载的影像应用，现在开发时必须要缩减其尺寸。COM通过缩减中型产品的尺寸以及为现有产品提供可升级性支持着这种设计趋势。

如图中所示的CompactPCI 设备适用于需要节能、双核性能的应用，例如医疗影像和其它实时应用。

例如，之前要求使用体积更大的单板机来完成的影像任务，现在可用ETXexpress-PC这样的高性能COM来完成。在使用相同芯片组和中央处理单元(CPU)的情况下，若是采用microETXexpress-PC模块，则可以进一步缩小尺寸。此外，若是有姊妹设备不要求具有同样强大的图像处理能力，但是要求提高功率效率，那么可以使用microETXexpress-SP模块。这些选择的存在让设计人员能为同一系列的医疗产品提供高低不同的性能选择。此外，设计人员可以预见，若是有姊妹设备要求能够耐冲击和震动，并且要能够承受极限温度条件，那么今后的COM也将能很好地满足它们的需要，如最近推出的microETXexpress-XL。

可以承受极端环境。它可以提供高可靠性、耐冲击和震动，并且能在工业温度E2(–40°~ 85°C)范围内工作。

随着英特尔45纳米架构的出现，小尺寸产品的性能得到了大幅提高。设计人员可以预期，近期的研发成果，比如英特尔32纳米处理器技术，将会持续推动医疗设备和系统在可靠性和性能方面的发展。特别是在空间、性能、发热方面受限的嵌入式应用领域，45纳米技术产品可以在时钟频率为1.1-1.6 GHz、电路热功率小于5瓦的情况下实现高性能。对533 MHz前端总线的功率优化让这项技术实现最快速的数据传送——这特别适用于那些需要在途中或在事故现场扫描和传送受伤人员的图像给医院的实时影像工具。

数字技术推动医疗市场的发展

随着医疗服务供应商努力于提高护理效率、改进标准，数字技术让医疗市场发生了翻天覆地的变化，并在医疗产品设计的许多方面扮演着重要角色。例如，便携设备收集医疗数据的速度和精确度满足并且超过了目前的标准的要求，为医疗服务人员之间进行安全而有效的数据传送提供了一条大道。New Venture Research Corp的一份市场报告预测各种不同的市场因素将推动嵌入医疗技术快速成长。 到2013年，COM的销售业绩有望从2008年的0.787亿美元增长至2.56亿。这意味着COM的复合年度增长率高达21.2%。

COM Express标准是一个PCI工业制造商计算机小组工业标准(由Kontron Corp初建，起初由Kontron、英特尔、PFU、RadiSys公司赞助)，该标准中定义的接口用于实现从传统的平行接口与低电压差分信号传输 (LVDS)的流畅转换。COM Express既可以支持传统的总线，如PCI、ATA、 LPC和HD Audio(或AC’97);也支持PCI、串行ATA或SAS和G级以太网等新型高速串行互连接口。做为一个不断演进的标准，COM Express最初设计用于适应下一代PCI Express (5 GHz)和串行ATA (300 Mb/秒)接口， 数据传递速率现在已经分别达到160 Gb/秒 和1.2 GB/秒。为了确保未来COM Express模块和载板之间的可升级性和互操作性，有五种共享信号配置(引脚类型)被定义，用来简化系统集成。有些Pin-Out Type 只需要一个220针连接器，其它则需要两个集成式 220针连接器来支持所有定义的信号。

此外，COM Express标准支持PCI Express Graphics (PEG)而非更古老的AGP，这极大地提高了医生用于评估患者病情的图片的质量。COM Express标准其对G级以太网 和USB 2.0等先进的通信技术的支持，也使得医疗人员可以实时查看这些高质量的图片。基于COM Express模块的嵌入式医疗应用通过模块内置的串行DVO和LVDS功能消除了数据传输的瓶颈。

定制没有过时

做为一款现货供应的紧凑型模块，COM拥有PC的所有核心功能，包括图形芯片、以太网、音频、通信接口、USB端口以及其它系统总线。这些功能等于是在小尺寸模块上搭建了一台完整的计算机主机。该模块被安装在定制主板上，定制主板集成了针对特定医疗终端用途而定制的面向应用的I/0和功率电路。只有定制设计的主板和特定医疗应用挂钩，增加了一系列进行独特诊疗流程所需的功能——如医疗影像以及采集血压或心率等病人数据。

定制方面的投入可以延伸到好几代终端产品。这些产品采用多种CPU内核，可以通过替换CPU内核来拓展产品或产品线。相对的是，没有硬件定制需求的低产量设计可能更适合用于标准的单板机解决方案。

标准COM实现可能会出现在未来的应用中，如微型超声波机，它小到能够装在医疗技术人员的口袋里，并且能够将图片无线传送至标准的PC上进行远程诊断。现场急救人员可以使用这款新设备与主治医生进行沟通，这使得急救人员能够在病人被送入急救室之前就进行诊疗。

不管是终端用户的预期推动了设备的研发或是设备研发让终端用户怀有更大希望，随着新技术的兴起，设计人员可以自由地扩展思路。例如，微米和纳米级COM让便携设备的计算能力比之前的系统更为强大。microETXexpress模块现已作为紧凑造型版纳入COM Express标准。nanoETXexpress与官方COM Express标准的唯一差别就是尺寸不同。引脚定义和连接器放置与Type 1类引脚完全同步。

医疗影像所取得的技术进步阐明了这些优点，并且应用范围相比早几年更为广泛。例如，功能强大的影像设备被用于治疗外伤、心脏病和癌症等。便携设备不再受低质量图像与低下的处理速度所限 。这些设备改进减少了人工误差、提高了诊断速度。他们使预防性医学领域进步迅速。

大型设备保持强大的计算能力

医疗设计系列的另一端，包括了住院记录系统和大型影像应用，如房间大小的核磁共振仪和扫描机器。相比微型、便携式医疗设备，这些大型设备在结构上更复杂，功能也更强大。这些大型设备紧随提高计算能力的大潮，但没有被小型化设计趋势影响。格外依赖图像处理的医疗应用越来越多，对它们而言，提高计算能力至关重要。CompactPCI成熟稳定的结构和高性能PCI-Express刀片机的存在，使得CompactPCI在这些应用的地位非常稳固。

CompactPCI特别适合用于需要有效处理大量数据的场合。凭借其分布式高速处理能力和高容量 I/O吞吐量，CompactPCI非常适用于医疗影像应用，用于改进病人护理和将详细数据实时传送给病人和医疗护理专业人士。CompactPCI平台产品开发人员面临的难题是如何开发拥有强大处理能力的设备以满足当前和未来影像应用的要求。由于用户希望图片比从前更精楚和更精确，从而使得这个问题特别重要。

采用45纳米技术的英特尔Core 2 Duo处理器已经被整合到当前的CompactPCI 6U和3U产品。结果就是，采用新一代英特尔芯片组之后吞吐量相比上一代处理器有了极大的提高，达到了8.5 GB/秒。在功耗没有明显提高的情况下，CompactPCI采用多核架构等同于将内核速度提高了25%(2.53 GHz)，将二级缓存容量提高了50%(6 MB)，将前端总线的速度提高了60%(1066 MHz)。

总的来说，多核的特性可以保证CompactPCI的性能， 并且没有在散热上投入更多成本。此外，集成有采用32纳米制程CPU的CompactPCI板可以在消耗更少功率的情况下提供更强的计算性能、能够进一步对已部署的系统进行升级、延长其寿命。例如，现有的使用多达10个CompactPCI 2.16 单核、单卡槽主板系统，可以通过使用四核双槽主板实现相同的性能。通过采用英特乐公司的32纳米处理器技术、基于Atom的低功耗处理器和多核架构，预期CompactPCI能进一步提高性能和更加节能。CompactPCI在医疗设备市场中的地位不仅稳固，并且还将进一步高速发展壮大。

CompactPCI适用于要求严格的医疗应用。CompactPCI配置有气封的、高密度引脚和插座型连接器，与边卡连接器和卡槽式连接器不同。由于电容低且阻抗受控，PCI信号的反射程度被降至最低 。尽管边卡连接器和卡槽式连接器都适用于不用移动的医疗设备，但CompactPCI中的高密度引脚使得其能在更恶劣的环境下工作。

例如， CompactPCI可能适用于在医院的许多科室都要用到的手推车，并且经常在病人之间用来用去。 CompactPCI采用220地针脚，可靠性(在 COM Express标准中有定义)很好，提供了合适的屏蔽和接地，适合降低地弹噪声和在嘈杂的环境下持续工作。气封型连接器将电路板和底板坚固而可靠连在一起。此外，高引脚密度允许有几百个接地引脚，而良好接地和屏蔽和设备能降低地弹噪声和在嘈杂的环境下持续地工作。因为医疗影像设备经常不间断地工作，CompactPCI的基本设计元素可以适应要求恒定高计算能力的苛刻工作环境。

医疗设备：使用寿命要长

总的来说，医疗设备设计人员对产品设计中所用的元器件有着诸多偏好和要求。寿命管理、程序管理以及供应链管理对所有产品的设计和取得最终成功都发挥着关键的作用。大多数医疗应用需要能够使用10年或更长时间的长寿命平台。设计人员必须选择寿命适当的元器件，它们不仅要能撑过12个月或稍长的设计周期，而且还得能通过FDA的审批，并且需要能够正常工作10年之久。

因此,尽管医疗标准中对医疗设备寿命的要求大多是10年，但元器件制造商正在采取措施将医疗设备的寿命延长到10年以上。英特尔公司大力支持元器件制造商们的这一目标，并且承诺指定的处理器和芯片组有7年的寿命。到2015年，将会有能应对这一要求的COM面世，例如绑定CPU和芯片组的microETXexpress-DC，并且在今后还将继续提高。

技术进步带来的其它帮助包括医疗设备的进一步演进和医疗设备市场的增长。这些技术进步包括新的显示技术，设计灵活程度提高、速度更快的I/O(如USB3.0)。随着更多针脚选项的出现以及市场期待的增长，医疗领域OEM厂商需要适用于特定应用领域的技术和设备。低功率设计的优势可在更小巧、对用户更友好和更方便携带的医疗设备中体现，这些医疗设备可以方便地送往需要紧急救援但医疗条件又很差的地区，比如第三世界国家。

结论

在涉及元器件选择和实现的时候，技术的进步(例如，通用电子设计，更具体地说，COM取得的进步)以及其它因素(例如，更早上市、更长寿命、质量和灵活性)将带来挑战。目前，元器件制造商掌控着资源，并且在设计过程中扮演着更加必不可少的角色。然而，他们不仅需要了解技术设计要求，还需要了解设计趋势，行业影响、客户要求和法规要求。这些设计元素使得元器

制造商-设计人员间的关系成为医疗设备能否取得全面成功的关键。