助推范式转变——应对家庭监护医疗设备设计挑战

    半导体供应商会经常关注市场错位的机会，以便趁机实施产品创新，提高销售额，实现收入增长。市场错位从发现到开花结果往往需要很长的预判和争论时间，这刚好与一句古老的格言相呼应——发明等于10%的创新加上90%的汗水。如今，医疗保健行业正处于市场错位的拐点，提供医疗保健的方式有望发生根本改变。

    降低医疗成本的压力促使人们需要能够在家提供医疗保健的设备。此类设备可24小时不间断地实时监控：

    生命体征(门诊病人ECG监护、体温、血压等);

    身体状况(跌倒预防和检测、体重、卡路里控制);以及

    认知行为(帮助诊断疾病的发作时间)

    这只是众多家用医疗保健设备中的几个例子，由此我们可以大致了解院外病人监护如何有助于降低医疗保健成本以及改善个人健康状况。缩短病人留院观察的时间，转而对其进行有效的远程观察，毫无疑问会降低成本。在预防性医疗保健领域，采用这些设备同样能带来重大利益。

    受这些利益因素的驱使，许多厂商开始关注这一新兴市场领域，并针对此类需求开发设备，其中既包括医疗保健市场的传统制造商，也包括不熟悉这一市场的制造商。然而，像大多数市场错位一样，要使一个普遍存在的院外病人保健计划得以完全实现，必须克服一些挑战。Geoffrey Moore的畅销书《跨越鸿沟》准确地描述了医疗保健行业很快将看到的情况。

    Moore认为，创新成果的推广是由早期使用创新技术的用户促成的。因此，在推出院外医疗保健设备的早期阶段，用户对此类设备必须有非常高的接受度，这一点至关重要。目前，家庭监护和诊断设备在监控生命体征(如血压和体温等)及测试血糖水平方面很成功，但尚未在医疗保健领域掀起一场能够使我们“跨越鸿沟”的范式转变。

图1 – 如今的家庭医疗保健设备包括监控生命体征的设备以及计算一天的步行距离和消耗卡路里数的产品

    如何“跨越鸿沟”?

    尽管有许多其它因素会影响医疗保健市场的未来，如政府计划、保险、经济形势、法律法规等，但对于瞄准这一市场的公司而言，产品挑战是相当严峻的，包括要努力开发出符合下列要求的产品：

    能够提供适当水平的病人监护，能达到所需的效果(如上所述)，并且确实对病人和医疗保健体系有用;

    功耗足够低，能够长时间工作而无需充电;

    价格足够低，适于大规模采用;

    能够与远程服务器通信;

    符合人体工程学设计，能够成为我们日常生活的一部分;以及

    无差错设计，即使未经训练的用户也不会犯错。

    这绝非易事，特别是鉴于这些产品背后的业务模型尚未成型。此外，推动这一范式转变的厂商不应一叶障目，沉迷于以上所列的一个或两个要求，而必须全盘考虑。例如，如果只盯着“低成本”而忽视“有效监护”，产品可能永远走不出小工具之列。当然，低廉的产品价格无疑非常重要，但它不得动摇之所以需要院外监护设备的根本理由。能够满足在临床环境之外进行病人监护的关键需求且令人信服的解决方案，是推动医疗保健行业发展的重要因素之一。要实现这一最终目标，使医疗保健行业跨越鸿沟，就必须承认技术对赢得早期用户和早期大众的支持起着关键作用。

    为使院外监护成为日常生活的一部分，必须实现有效的投资回报(ROI);也就是说，必须从受监护中获得切实的利益。在临床环境中，ROI相当明显。在医院接受监护被认为是理所当然的事情，这让病人可以安心地呆在医院里。人们通常觉得医院监护设备质量好、功能全、成本高。既然如此，人们为什么不应期待院外监护设备也能达到相同的期望呢?同样，先进的技术对于这一目标至关重要。

    当然，如今已经存在有效的院外监护仪。例如，动态心电监护仪常常用来记录病人较短时间的心电图(ECG)，以供心脏科医师进行离线分析。未来的院外医疗保健设备可能需要进行实时监护(并有能力执行一些本地诊断)。 院内生命体征监护仪一般支持下述一种或多种体征的监控：ECG、SPO2(血氧)、血压、呼吸和体温。以上所列并不全面，但它涵盖了受监控的最常见生命体征。对于院内仪器，仪器本身的每个监护仪可能都是一个不同的模块，各模块向外连接到病人身体上的一个分立传感器或一组传感器。ECG会连接到多个躯干电极，SPO2监护仪会连接到一个手指夹，呼吸监护仪可能使用胸部电极，体温和血压则将利用温度计和腕夹(cuff)分别定期测量。

    为将这种水平的病人监护移植到院外环境下的设备，生物医学工程师需要解决某些问题，包括但不限于：

    适应不同的环境条件：例如，对于长期监护，“湿”ECG电极是不切实际的，应采用干电极。干电极会带来与信号完整度有关的其它问题。

    精确测量：例如，共模噪声会严重影响测量精度。

    多传感器连接：监控ECG、SPO2和体温需要多个传感器，某些情况下还需要创新技术来实现可靠的测量。

    多参数系统设计：合并监控多个生命体征。

    实时处理测量到的生命体征：见机行事以实现实时诊断。

    电源管理：保持低功耗。

    远程监控/通信：各种有线和无线通信协议。

    病人活动能力：对于快速康复至关重要。

    易于使用：医院管理甚少。

    社会接受的工业设计：设备应获得社会的接受。

    可靠性：远程监控要求设备能够正常连接和工作。

    低成本：必不可少的要求。有些设备只需要考虑上述的少数几个要求，而有些设备则要受所有要求的影响。

    解决之道

    工程师该如何应对这些挑战呢?具体做法说明如下：

    适应环境以及实时处理测量到的生命体征

    开发创新的信号后处理技术，例如，利用算法来帮助消除病人运动造成的噪声伪像或电极连接不良引起的信号完整性丧失问题。为了实现本地/远程实时诊断，应当在本地解决基线漂移等噪声伪像。

    精确的测量、多参数系统设计、病人活动能力、可靠性和电源管理

    模拟和数字信号处理元件的集成打开了创新设计的大门，有助于减少系统面积、噪声、功耗和成本。此外，由于系统元件数量减少，可靠性得以提高，库存管理等无形成本同时降低。

    多传感器连接

    这是一个十分棘手的挑战，因为许多必须监控的生命体征在人体上的分布相距较远，例如：ECG监控在胸部，SPO2监控在前额或手指，体温监控在耳部或腋下。通过身体区域网络进行通信的无线传感器将有助于消除替代有线网络。集成电极和传感器的创新服装也在努力解决这一难题。

    远程监控/通信

    无线技术的最新创新成果可确保远程通信有效进行。Bluetooth Low Energy、WiFi和Zigbee是其中已经付诸实施的几项协议。

    最初的步伐包括系统集成和微型化。这些年来，各种形式的消费电子产品(如手机等)都经历了这一过程，现在终于轮到了医疗保健设备。

    为了解决功耗、移动性和工业设计相关的问题，需要从头开始重新设计医疗仪器的电子电路。如前所述，有许多方面需要考虑，但关注的重点是在保证受监控生命体征的测量完整度的同时，降低系统功耗、尺寸和成本。

    ADI公司的ECG模拟前端(AFE)子系统ADAS1000是一个很好的例子，它解决了一部分挑战。以前需要利用50个有源器件和大量分立器件才能实现的功能，现在只需要ADAS1000一个芯片就能实现。ADAS1000 AFE子系统集成了下列电路和功能：5个ECG采集通道;右腿驱动;ECG电缆屏蔽驱动;起搏器脉搏检测(片内算法);呼吸测量(胸阻抗);基准电压源和电源管理;系统校准;以及数字滤波器。

    诸如ADAS1000 AFE子系统之类的器件清楚地说明，技术创新如何实现有效且得力的远程病人监护，以及帮助医疗保健行业跨越日益加宽的鸿沟。最终目标是让病人和医生相信，创新技术能够像院内技术一样精准地帮助病人。下一代IC结合新的设备设计，将有助于业界实现上述目标。