助推范式轉變――應對家庭監護醫療設備設計挑戰

半導體供應商會經常關注市場錯位的機會，以便趁機實施產品創新，提高銷售額，實現收入增長。市場錯位從發現到開花結果往往需要很長的預判和爭論時間，這剛好與一句古老的格言相呼應——發明等于10%的創新加上90%的汗水。如今，醫療保健行業正處于市場錯位的拐點，提供醫療保健的方式有望發生根本改變。

降低醫療成本的壓力促使人們需要能夠在家提供醫療保健的設備。此類設備可24小時不間斷地實時監控：

生命體征(門診病人ECG監護、體溫、血壓等);

身體狀況(跌倒預防和檢測、體重、卡路里控制);以及

認知行為(幫助診斷疾病的發作時間)

這只是眾多家用醫療保健設備中的幾個例子，由此我們可以大致了解院外病人監護如何有助于降低醫療保健成本以及改善個人健康狀況。縮短病人留院觀察的時間，轉而對其進行有效的遠程觀察，毫無疑問會降低成本。在預防性醫療保健領域，采用這些設備同樣能帶來重大利益。

受這些利益因素的驅使，許多廠商開始關注這一新興市場領域，并針對此類需求開發設備，其中既包括醫療保健市場的傳統制造商，也包括不熟悉這一市場的制造商。然而，像大多數市場錯位一樣，要使一個普遍存在的院外病人保健計劃得以完全實現，必須克服一些挑戰。Geoffrey Moore的暢銷書《跨越鴻溝》準確地描述了醫療保健行業很快將看到的情況。

Moore認為，創新成果的推廣是由早期使用創新技術的用戶促成的。因此，在推出院外醫療保健設備的早期階段，用戶對此類設備必須有非常高的接受度，這一點至關重要。目前，家庭監護和診斷設備在監控生命體征(如血壓和體溫等)及測試血糖水平方面很成功，但尚未在醫療保健領域掀起一場能夠使我們“跨越鴻溝”的范式轉變。

圖1 – 如今的家庭醫療保健設備包括監控生命體征的設備以及計算一天的步行距離和消耗卡路里數的產品

如何“跨越鴻溝”?

盡管有許多其它因素會影響醫療保健市場的未來，如政府計劃、保險、經濟形勢、法律法規等，但對于瞄準這一市場的公司而言，產品挑戰是相當嚴峻的，包括要努力開發出符合下列要求的產品：

能夠提供適當水平的病人監護，能達到所需的效果(如上所述)，并且確實對病人和醫療保健體系有用;

功耗足夠低，能夠長時間工作而無需充電;

價格足夠低，適于大規模采用;

能夠與遠程服務器通信;

符合人體工程學設計，能夠成為我們日常生活的一部分;以及

無差錯設計，即使未經訓練的用戶也不會犯錯。

這絕非易事，特別是鑒于這些產品背后的業務模型尚未成型。此外，推動這一范式轉變的廠商不應一葉障目，沉迷于以上所列的一個或兩個要求，而必須全盤考慮。例如，如果只盯著“低成本”而忽視“有效監護”，產品可能永遠走不出小工具之列。當然，低廉的產品價格無疑非常重要，但它不得動搖之所以需要院外監護設備的根本理由。能夠滿足在臨床環境之外進行病人監護的關鍵需求且令人信服的解決方案，是推動醫療保健行業發展的重要因素之一。要實現這一最終目標，使醫療保健行業跨越鴻溝，就必須承認技術對贏得早期用戶和早期大眾的支持起著關鍵作用。

為使院外監護成為日常生活的一部分，必須實現有效的投資回報(ROI);也就是說，必須從受監護中獲得切實的利益。在臨床環境中，ROI相當明顯。在醫院接受監護被認為是理所當然的事情，這讓病人可以安心地呆在醫院里。人們通常覺得醫院監護設備質量好、功能全、成本高。既然如此，人們為什么不應期待院外監護設備也能達到相同的期望呢?同樣，先進的技術對于這一目標至關重要。

當然，如今已經存在有效的院外監護儀。例如，動態心電監護儀常常用來記錄病人較短時間的心電圖(ECG)，以供心臟科醫師進行離線分析。未來的院外醫療保健設備可能需要進行實時監護(并有能力執行一些本地診斷)。 院內生命體征監護儀一般支持下述一種或多種體征的監控：ECG、SPO2(血氧)、血壓、呼吸和體溫。以上所列并不全面，但它涵蓋了受監控的最常見生命體征。對于院內儀器，儀器本身的每個監護儀可能都是一個不同的模塊，各模塊向外連接到病人身體上的一個分立傳感器或一組傳感器。ECG會連接到多個軀干電極，SPO2監護儀會連接到一個手指夾，呼吸監護儀可能使用胸部電極，體溫和血壓則將利用溫度計和腕夾(cuff)分別定期測量。

為將這種水平的病人監護移植到院外環境下的設備，生物醫學工程師需要解決某些問題，包括但不限于：

適應不同的環境條件：例如，對于長期監護，“濕”ECG電極是不切實際的，應采用干電極。干電極會帶來與信號完整度有關的其它問題。

精確測量：例如，共模噪聲會嚴重影響測量精度。

多傳感器連接：監控ECG、SPO2和體溫需要多個傳感器，某些情況下還需要創新技術來實現可靠的測量。

多參數系統設計：合并監控多個生命體征。

實時處理測量到的生命體征：見機行事以實現實時診斷。

電源管理：保持低功耗。

遠程監控/通信：各種有線和無線通信協議。

病人活動能力：對于快速康復至關重要。

易于使用：醫院管理甚少。

社會接受的工業設計：設備應獲得社會的接受。

可靠性：遠程監控要求設備能夠正常連接和工作。

低成本：必不可少的要求。有些設備只需要考慮上述的少數幾個要求，而有些設備則要受所有要求的影響。

解決之道

工程師該如何應對這些挑戰呢?具體做法說明如下：

` 適應環境以及實時處理測量到的生命體征

開發創新的信號后處理技術，例如，利用算法來幫助消除病人運動造成的噪聲偽像或電極連接不良引起的信號完整性喪失問題。為了實現本地/遠程實時診斷，應當在本地解決基線漂移等噪聲偽像。

` 精確的測量、多參數系統設計、病人活動能力、可靠性和電源管理

模擬和數字信號處理元件的集成打開了創新設計的大門，有助于減少系統面積、噪聲、功耗和成本。此外，由于系統元件數量減少，可靠性得以提高，庫存管理等無形成本同時降低。

` 多傳感器連接

這是一個十分棘手的挑戰，因為許多必須監控的生命體征在人體上的分布相距較遠，例如：ECG監控在胸部，SPO2監控在前額或手指，體溫監控在耳部或腋下。通過身體區域網絡進行通信的無線傳感器將有助于消除替代有線網絡。集成電極和傳感器的創新服裝也在努力解決這一難題。

` 遠程監控/通信

無線技術的最新創新成果可確保遠程通信有效進行。Bluetooth Low Energy、WiFi和Zigbee是其中已經付諸實施的幾項協議。

最初的步伐包括系統集成和微型化。這些年來，各種形式的消費電子產品(如手機等)都經歷了這一過程，現在終于輪到了醫療保健設備。

為了解決功耗、移動性和工業設計相關的問題，需要從頭開始重新設計醫療儀器的電子電路。如前所述，有許多方面需要考慮，但關注的重點是在保證受監控生命體征的測量完整度的同時，降低系統功耗、尺寸和成本。

ADI公司的ECG模擬前端(AFE)子系統ADAS1000是一個很好的例子，它解決了一部分挑戰。以前需要利用50個有源器件和大量分立器件才能實現的功能，現在只需要ADAS1000一個芯片就能實現。ADAS1000 AFE子系統集成了下列電路和功能：5個ECG采集通道;右腿驅動;ECG電纜屏蔽驅動;起搏器脈搏檢測(片內算法);呼吸測量(胸阻抗);基準電壓源和電源管理;系統校準;以及數字濾波器。

諸如ADAS1000 AFE子系統之類的器件清楚地說明，技術創新如何實現有效且得力的遠程病人監護，以及幫助醫療保健行業跨越日益加寬的鴻溝。最終目標是讓病人和醫生相信，創新技術能夠像院內技術一樣精準地幫助病人。下一代IC結合新的設備設計，將有助于業界實現上述目標。