本期導(dǎo)讀?

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)醫(yī)療健康、生活質(zhì)量、疾病護(hù)理等方面的要求越來越高。同時(shí)，依托于電子信息技術(shù)的治療和監(jiān)護(hù)手段越來越先進(jìn)，也使得醫(yī)療電子產(chǎn)品在智能化、微型化和實(shí)用化等方面得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。這也為集成電路技術(shù)在醫(yī)療電子領(lǐng)域內(nèi)帶來了廣闊且多樣化的應(yīng)用。

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電子醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展

目前，集成電路應(yīng)用在四個(gè)關(guān)鍵的電子醫(yī)療領(lǐng)域設(shè)備中，即醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、醫(yī)療儀器設(shè)備、消費(fèi)型醫(yī)療設(shè)備、診斷及患者監(jiān)護(hù)與治療設(shè)備。在這四個(gè)領(lǐng)域中，尤其是消費(fèi)型醫(yī)療設(shè)備需要通過先進(jìn)的集成電路技術(shù)來達(dá)到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目標(biāo)。

醫(yī)療設(shè)備的首要目標(biāo)始終是使醫(yī)療保健準(zhǔn)確、有效、方便、可負(fù)擔(dān)，同時(shí)使治療更安全、創(chuàng)傷更小。這些改進(jìn)的重點(diǎn)是以更小的外形尺寸來使用更少的功率，并將信號(hào)安全地傳送到目的地。傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、射頻和微控制器都是關(guān)鍵因素。圖像和信號(hào)處理也是如此，越來越多的人工智能也被添加到這些系統(tǒng)中，以便監(jiān)測(cè)和診斷任務(wù)更簡(jiǎn)單、更快速，且希望比人工執(zhí)行得更準(zhǔn)確。

芯片賦能醫(yī)療設(shè)備

面向消費(fèi)者市場(chǎng)的芯片，往往在成本，準(zhǔn)確性和可靠性方面與醫(yī)療電子的臨床專業(yè)設(shè)備不同，臨床的設(shè)備更看重高質(zhì)量的部件和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是，隨著人口老齡化對(duì)更多居家醫(yī)療服務(wù)的需求，及更廣泛的電子醫(yī)療設(shè)備（如可穿戴監(jiān)視器）的應(yīng)用，這些界限逐漸變得模糊起來。

集成電路可分為數(shù)字和模擬集成電路兩大類

這兩種IC都被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中。數(shù)字IC如微處理器、FPGA、存儲(chǔ)器（RAM、ROM和閃存）和數(shù)字ASIC等組件，數(shù)字IC能最大限度地提高電路密度。

模擬IC被用于運(yùn)算放大器、線性調(diào)節(jié)器、鎖相環(huán)、振蕩器和有源濾波器。模擬IC更關(guān)注半導(dǎo)體器件的物理特性，如增益、匹配、功率耗散和電阻。模擬信號(hào)放大和過濾的保真度是很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。因此，模擬IC使用的有源器件面積比數(shù)字IC設(shè)計(jì)大，電路密度通常較低。

幾乎所有類型的芯片，包括數(shù)字IC和模擬IC， 從MEMS到DSP和FPGA，都被廣泛用于醫(yī)療設(shè)備中，而且越來越多的芯片具有內(nèi)置的安全性。在目前的醫(yī)療設(shè)備中，ASIC因?yàn)槟軌驖M足客戶化定制而得到了廣泛的應(yīng)用，它可以被設(shè)計(jì)成適合確切需求的系統(tǒng)和功能。典型的應(yīng)用包括計(jì)算機(jī)斷層掃描的X射線計(jì)數(shù)IC、助聽器（帶有μC、DSP和音頻引擎的數(shù)字IC；帶有ADC、DAC、麥克風(fēng)IF、電源等支持功能的混合信號(hào)IC）、帶有NFC讀出的連續(xù)溫度測(cè)量（用于病人監(jiān)測(cè)、懷孕控制和醫(yī)療物品的運(yùn)輸?shù)龋┮约把恰⒛妊悍治觥?/p>

FPGAs則被廣泛的應(yīng)用于變化迅速的領(lǐng)域，“與時(shí)俱進(jìn)”的優(yōu)勢(shì)，使得可編程性的FPGA和SoC被廣泛用于醫(yī)療設(shè)備和應(yīng)用中。FPGA和自適應(yīng)SoC被用于各種場(chǎng)景，包括醫(yī)用超聲、數(shù)字X-Rays、CT、MR和PET掃描儀，以及診斷、手術(shù)和其他臨床設(shè)備中。

說到醫(yī)療電子IC，那就不得不提到3D IC，即三維集成電路。3D-IC將不同的處理、內(nèi)存、射頻、傳感器和其他功能塊集成到多個(gè)堆疊的硅芯片上，通過某種類型的連接器（如硅通孔）連接。這種芯片節(jié)省了空間，但其復(fù)雜性使得設(shè)計(jì)和集成問題更加棘手。醫(yī)療領(lǐng)域是3D集成電路的目標(biāo)市場(chǎng)和技術(shù)驅(qū)動(dòng)，它們對(duì)外形的尺寸、功率、能耗、熱能和電磁效應(yīng)都有著高要求。雖然整體市場(chǎng)規(guī)模沒有消費(fèi)電子大，但隨著人口老齡化加劇，市場(chǎng)規(guī)模也在不斷增長(zhǎng)中。

未來展望

目前，電子醫(yī)療設(shè)備的主要用途是研究、收集公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)、維護(hù)和獲取病人記錄以及病人保健。但隨著設(shè)備轉(zhuǎn)向監(jiān)測(cè)、診斷或通過手術(shù)或其他治療方法進(jìn)行治療，如神經(jīng)技術(shù)中的藥物輸送和神經(jīng)刺激，半導(dǎo)體在這些設(shè)備中的使用范圍正在擴(kuò)大。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括在病人家中使用的植入式臨床設(shè)備，將數(shù)據(jù)傳回給醫(yī)生，或從病人身上的傳感器上獲得有關(guān)生命體征系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)服務(wù)。

醫(yī)療芯片用于改善醫(yī)療保健的一系列芯片和創(chuàng)新，這些新的技術(shù)和應(yīng)用層出不窮?？梢哉f新冠疫情在一定程度上加速了應(yīng)用創(chuàng)新和技術(shù)升級(jí)。相信未來在醫(yī)療IC和設(shè)備的“呵護(hù)”下，人們的生活會(huì)更加健康美好！

互動(dòng)有禮

你認(rèn)為集成電路對(duì)醫(yī)療的重要性有哪些？它如何在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮最大作用？

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