集成电路在医疗设备中的应用及其趋势

来源：北京国际医疗器械展览会www.ylqxexpo.com/beijing

随着社会的发展，人们对医疗健康、生活质量、疾病护理等方面的要求越来越高。同时，依托于电子信息技术的治疗和监护手段越来越先进，也使得医疗电子产品在智能化、微型化和实用化等方面得到了长远发展。这也为集成电路技术在医疗电子领域内带来了广阔且多样化的应用。

电子医疗设备的发展

目前，集成电路应用在四个关键的电子医疗领域设备中，即医学影像设备、医疗仪器设备、消费型医疗设备、诊断及患者监护与治疗设备。在这四个领域中，尤其是消费型医疗设备需要通过先进的集成电路技术来达到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目标。

医疗设备的首要目标始终是使医疗保健准确、有效、方便、可负担，同时使治疗更安全、创伤更小。这些改进的重点是以更小的外形尺寸来使用更少的功率，并将信号安全地传送到目的地。传感器、模数转换器、射频和微控制器都是关键因素。图像和信号处理也是如此，越来越多的人工智能也被添加到这些系统中，以便监测和诊断任务更简单，更快速，且希望比人工执行得的更准确。

芯片赋能医疗设备

面向消费者市场的芯片，往往在成本，准确性和可靠性方面与医疗电子的临床专业设备不同，临床的设备更看重高质量的部件和系统设计。 但是，随着人口老龄化对更多居家医疗服务的需求，及更广泛的电子医疗设备（如可穿戴监视器）的应用，这些界限逐渐变得模糊起来。

集成电路可分为数字和模拟集成电路这两大类。这两种IC都被广泛应用于医疗设备中。数字IC如微处理器、FPGA、存储器（RAM、ROM和闪存）和数字ASIC等组件，数字IC能最大限度地提高电路密度。模拟IC被用于运算放大器、线性调节器、锁相环、振荡器和有源滤波器。模拟IC更关注半导体器件的物理特性，如增益、匹配、功率耗散和电阻。模拟信号放大和过滤的保真度是很关键的环节。因此，模拟IC使用的有源器件面积比数字IC设计大，电路密度通常较低。

几乎所有类型的芯片，包括数字IC和模拟IC， 从MEMS到DSP和FPGA，都被广泛用于医疗设备中，而且越来越多的芯片具有内置的安全性。在目前的医疗设备中，ASIC因为能够满足客户化定制而得到了广泛的应用，它可以被设计成适合确切需求的系统和功能。 典型的应用包括计算机断层扫描的X射线计数IC、助听器（带有μC、DSP和音频引擎的数字IC；带有ADC、DAC、麦克风IF、电源等支持功能的混合信号IC）、带有NFC读出的连续温度测量（用于病人监测、怀孕控制和医疗物品的运输等）以及血糖、凝血等血液分析。

FPGAs则被广泛的应用于变化迅速的领域，“与时俱进”的优势，使得可编程性的FPGA和SoC被广泛用于医疗设备和应用中。FPGA和自适应SoC被用于各种场景，包括医用超声、数字X-Rays、CT、MR和PET扫描仪，以及诊断、手术和其他临床设备中。

说到医疗电子IC，那就不得不提到3D IC，即三维集成电路。3D-IC将不同的处理、内存、射频、传感器和其他功能块集成到多个堆叠的硅芯片上，通过某种类型的连接器（如硅通孔）连接。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。医疗领域是3D集成电路的目标市场和技术驱动，它们对外形的尺寸、功率、能耗源、热能和电磁效应都有着高要求。虽然整体市场规模没有消费电子大，但随着人口老龄化加剧，市场规模也在不断增长中。

未来展望

目前，电子医疗设备的主要用途是研究、收集公共卫生数据、维护和获取病人记录以及病人保健。但随着设备转向监测、诊断或通过手术或其他治疗方法进行治疗，如神经技术中的药物输送和神经刺激，半导体在这些设备中的使用范围正在扩大。监测系统还包括在病人家中使用的植入式临床设备，将数据传回给医生，或从病人身上的传感器上获得有关生命体征系统的监测服务。

医疗芯片用于改善医疗保健的一系列芯片和创新，这些新的技术和应用层出不穷。可以说新冠疫情在一定程度上加速了应用创新和技术升级。相信未来在医疗IC和设备的“呵护”下，人们的生活会更加健康美好！