在人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)的影響下，醫(yī)療大數(shù)據(jù)、高端醫(yī)療影像設(shè)備、智能便攜式醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域逐漸開始穩(wěn)健地發(fā)展。

上期文章我們重點關(guān)注了目前智慧醫(yī)療設(shè)備中的便攜醫(yī)療設(shè)備，主要以可穿戴醫(yī)療設(shè)備為主進行了硬件解析，主要關(guān)注醫(yī)療設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測部分。而智能醫(yī)療設(shè)備不僅覆蓋醫(yī)療過程中的數(shù)據(jù)監(jiān)測，在檢查和治療方面智能醫(yī)療設(shè)備也在逐步發(fā)展之中。比如冠心病、高血壓、糖尿病、帕金森病、部分惡性腫瘤等慢性疾病的患者將不僅需要接受藥物治療，在先進的醫(yī)療方案中，還需要接受包括遠程監(jiān)測（如便攜血壓計或者血糖儀）、遠程治療方案調(diào)整、生活方式管理、可穿戴式給藥監(jiān)測在內(nèi)的整體疾病管理方案。所以可穿戴設(shè)備中又出現(xiàn)了比如帕金森鞋、帕金森勺一類的改善患者生活質(zhì)量的便攜設(shè)備，既屬于醫(yī)療設(shè)備，也屬于人文關(guān)懷的一般設(shè)備。

目前的外部生態(tài)環(huán)境決定了，便攜醫(yī)療設(shè)備真正應(yīng)用于治療和遠程監(jiān)測，在通信和功耗、以及具體病癥的針對開發(fā)方面，還有不短的路要走。本期我們主要分析目前可做智慧技術(shù)升級改善的醫(yī)療設(shè)備，細分起來有影像設(shè)備、體外診斷設(shè)備、心腦血管診斷/治療器械、腫瘤相關(guān)器械、外科/骨科器械。相對容易一些的是影像設(shè)備。

影像設(shè)備，如超聲、CT、磁共振、PET-CT等逐漸朝著智能化發(fā)展，硬件上具有自身應(yīng)用場景特點，軟件、算法上朝著人工智能方向發(fā)展，力爭在目前醫(yī)療資源、醫(yī)生都十分緊缺的狀態(tài)下，做到幫助醫(yī)生提高診斷準確度，是智能化的主力軍。在國家的提升整體醫(yī)療水平、改善偏遠地區(qū)醫(yī)療水平的政策下，快速做出改進，向便于移動和智能化的方向發(fā)展的就是影像設(shè)備。

體外診斷包含血液、生化、免疫、分子生物、細菌、POCT等幾大方面。分子診斷和即時檢驗（POCT）是主要發(fā)展方向。在分子診斷中，數(shù)據(jù)庫、核心算法和臨床解讀能力將會越來越重要。心腦血管診斷/治療器械主要以介入器械為主，比如經(jīng)導管瓣膜介入、冠心病診斷類器械、心臟起搏器、藥物球囊、射頻消融器械和心臟封堵器，是高端的精密介入改善設(shè)備，既需要設(shè)備的精，也需要醫(yī)生的巧，所以，這樣的設(shè)備智能化標準較高，需要時間和經(jīng)驗的累積。

腫瘤相關(guān)器械的智慧技術(shù)改善以放療器械的精密化改進和新型載藥微球輸送耗材為主要改善方向。外科/骨科器械的智慧技術(shù)改善主要以手術(shù)輔助機器人和3D打印為主。 綜合來說，可做智慧技術(shù)改善的移動醫(yī)療設(shè)備主要集中在影像設(shè)備和體外診斷。影像設(shè)備對硬件設(shè)備要求較高，體外診斷對材料試劑和數(shù)據(jù)儲備、智能分析算法要求較高。所以，今天我們主要進行智能化醫(yī)療影像設(shè)備的硬件分析。

國家衛(wèi)健委明確了全國3.6萬鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院和3.5萬社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心新版的醫(yī)療設(shè)備配置標準。除了全自動生化分析儀、血凝儀、空氣消毒機、呼吸機之外，在醫(yī)療影像設(shè)備方面，要求配置DR、彩超、十二導聯(lián)心電圖機、心電監(jiān)測儀、遠程心電監(jiān)測儀器、動態(tài)心電監(jiān)測儀、動態(tài)血壓監(jiān)測儀等設(shè)備。這些設(shè)備具有相似點，都是通過此外硬件方面對于探頭得靈敏度、穩(wěn)定性傳輸和顯示屏要求都比較高，典型代表是醫(yī)療超聲診斷儀。

醫(yī)療超聲診斷儀中黑白超的基本原理是利用超聲波在人體中傳播時，不同器官的聲阻抗不同而產(chǎn)生不同強度的反射或散射回波，并將這些不同強度的回波轉(zhuǎn)化成不同亮度的灰階值形成黑白圖。常用的B超為黑白超。全數(shù)字彩超則在黑白超聲的基礎(chǔ)上引入了對血液流動或者組織運動的多普勒效應(yīng)檢測，可以獲得血液流動的方向、速度、流量等信息。中高端的全數(shù)字彩超根據(jù)超聲的不同特性還可以具備彈性成像、造影成像、融合成像等功能模塊，拓展了超聲醫(yī)學的臨床應(yīng)用邊界。

探頭設(shè)計主要涉及包含材料化學、聲學、工藝、結(jié)構(gòu)等多學科，探頭是超聲波檢測過程中發(fā)射和接收超聲波的裝置，探頭的性能直接影響超聲波成像效果。超聲探頭是電能-聲能轉(zhuǎn)換的器件，探頭的技術(shù)難點與工藝核心在“換能器”，主要對于材料與制造工藝有著較嚴格的要求，所以我們主要探討主機的硬件要求。

超聲主機在硬件方面主要涉及電源、傳感器、信號處理、加密處理、信號傳輸?shù)?，需要確保產(chǎn)品的圖像性能優(yōu)異、安全性和有效性、抗干擾性能、可靠性等。因此在設(shè)計時，需要從電源、主板設(shè)計2個方面重點考慮設(shè)備穩(wěn)定性。這兩點在圖2的所有設(shè)備中也是需要認真對待的部分，僅以醫(yī)療超聲診斷儀做說明。

醫(yī)療超聲診斷儀的供電包括模擬功能供電單元、數(shù)字功能供電單元、交流主電源。設(shè)計電源時，要求聚焦于穩(wěn)定工作和安全性。醫(yī)療電源相較于普通電源，有絕緣要求、漏電流要求、以及剩余電壓的要求。需要電壓輸出更穩(wěn)定，更精確，整體的可靠性更好，故障率更低，抗干擾能力更強。

絕緣標準，即能對病患提供足夠的絕緣防護。由于設(shè)備經(jīng)常都要直接與病人連接，會通過皮膚甚至皮下連接形成導電通路，因此漏電流必須盡可能接近零，絕緣必須可靠，且不得有潛行電流。醫(yī)用電源技術(shù)指標定義了幾種不同的也關(guān)鍵的漏電流，如：對地漏電流（沿接地體流入地）和外殼漏電流（通過病人從外殼流入地）。IEC601標準中針對如下三種主要類型的設(shè)備電源的最大漏電流作了不同定義： B類：不與病人身體接觸的設(shè)備，如激光治療儀。 BF類：要與病人身體接觸的設(shè)備，如超聲波、各種監(jiān)視器（包括EGC設(shè)備），以及手術(shù)臺。 CF類：要與病人心臟接觸的設(shè)備，如心臟穿刺監(jiān)視器。

但是這幾類設(shè)備的允許漏電流是相同的。通常，醫(yī)用電源的漏電流上限是普通電源的十分之一；IEC601標準的所有電源漏電流指標遠比非醫(yī)療用電源嚴格。人體允許通過的最大電流在30mA左右，所以醫(yī)用設(shè)備電源漏電流標準需要遠遠小于30mA，較嚴格的一般在uA量級。

所以，醫(yī)療電源中光耦有很大的應(yīng)用價值。在醫(yī)療電源的隔離系統(tǒng)中選用光耦時，對光耦的絕緣等級進行評估，主要看光耦的爬電距離和電氣間隙。對于不同工作電壓的設(shè)備，比照IEC60601-1安全標準（或者GB9706.1）要求，根據(jù)基本絕緣或加強絕緣的要求，比較爬電距離和電氣間隙，來選擇合適的光耦。

圖 4 醫(yī)療電源的隔離系統(tǒng)中選用光耦注重爬電距離和電氣間隙評估 表為部分安全標準要求截圖

此外， 醫(yī)用電源設(shè)備不僅需要通過傳導、輻射、諧波電流、電壓閃變等EMI干擾測試，還得通過靜電、輻射、EFI/電子快速脈沖群、雷擊、傳導、磁場、跌落和中斷等抗干擾測試。這不僅保證了電源本身在外界影響下的穩(wěn)定性，也保證了醫(yī)療器械在工作時不會受到醫(yī)療電源所帶來的干擾。對醫(yī)用電源來說，這些電氣指標必須是同等級商用產(chǎn)品的三倍。合格的醫(yī)用電源應(yīng)符合與EMC相關(guān)的許多技術(shù)要求相配合的EN60601-1-2標準。設(shè)計時，主要在以下幾個方面進行優(yōu)化來解決EMC問題：1、輸入-輸出濾波網(wǎng)絡(luò)設(shè)計優(yōu)化；2、增加緩沖電路；3、縮小高頻環(huán)路面積；4、包地設(shè)計。

醫(yī)用電源還必須滿足電源過載、過壓、短路的安全保護設(shè)置，保證達到IEC61000-4-2（（靜電防護能力，要求達到6kV）、IEC61000-4-3（射頻輻射防護能力，要求達到3V/m）、IEC61000-4-4EFT（電壓瞬變承受能力，要求達到2kV）、IEC61000-4-5（浪涌承受能力，要求達到1kV和2kV）、IEC61000-3-2（市電線路諧波要求）、IEC61000-3-3（電力線閃變要求），以及EN55011（A類產(chǎn)品或B產(chǎn)品輻射限制）等要求。為此，符合IEC601-1標準的電源一般都遵守EN55022/11A類設(shè)備規(guī)范。所以在產(chǎn)品設(shè)計時，需要仔細選取防雷器。此外，為保證偶然斷電時器械供電電源（公共供電系統(tǒng)切換醫(yī)院發(fā)電機供電）切換對于病人的安全性，還需要在電源前端外接一個醫(yī)用變壓器來進一步提高安全級別。

醫(yī)療超聲診斷儀的主板包括前端與后端（如圖5），前端超聲圖像數(shù)據(jù)采集電路的主要功能是發(fā)射超聲波，并根據(jù)接收的回波信號獲取原始圖像信息；后端實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度與結(jié)果存儲、連接外設(shè)等。

圖 5后端主控系統(tǒng)和前端數(shù)據(jù)采集 硬件框圖

設(shè)計主板時，必須考慮主板性能的穩(wěn)定可靠，保障設(shè)備正常運行，減少故障率。B 超機需要提供 PCI 接口連接其視頻采集處理設(shè)備，通過 TV-OUT 將圖像輸出到視頻打印機，同時在 VGA 顯示器顯示。集成顯卡、網(wǎng)卡，支持 CF 等多種存儲設(shè)備，集成多個串、并等 I/O 接口，并可通過多種協(xié)議接口進行系統(tǒng)擴展，滿足設(shè)備的各種特殊需要。

此外，目前智慧醫(yī)療在向著檢測設(shè)備自動化分析不斷演化，因此對于算力的要求也在不斷提升，在醫(yī)療設(shè)備的迭代升級中，FPGA逐漸開始應(yīng)用增多。FPGA器件在醫(yī)療領(lǐng)域中便于使得成像設(shè)備在醫(yī)療成像和診斷分析方面提升效率和準確率。目前大型醫(yī)療成像設(shè)備使用FPGA器件已經(jīng)是基本操作，包括CT、超聲、X射線、PET、MRI掃描儀等。對于醫(yī)療成像，超聲波圖像重構(gòu)與計算機輔助診斷的方案，能夠降低功耗和熱度范圍、降低解決方案成本、延長設(shè)備使用壽命、低時延邊緣推斷。

B超的質(zhì)量評估包括幀率、空間分辨率、全場均勻度、數(shù)據(jù)處理能力。在數(shù)據(jù)處理能力方面，F(xiàn)PGA擁有極強的浮點乘法運算能力，非常適合要求即時傳輸?shù)脑O(shè)備。除了B超，在醫(yī)療領(lǐng)域的其他設(shè)備，比如內(nèi)窺鏡要求極低時延，從攝像頭捕捉圖像，經(jīng)過管線處理，再到顯示屏可能不到20微妙的時間。因此，處理器與傳輸件都非常緊要。

提到即時傳輸，不僅僅是設(shè)備內(nèi)的即時傳輸。5G催生的遠程醫(yī)療，對于主板的后級數(shù)字處理和數(shù)據(jù)傳輸，提出了更高的要求。前面提到醫(yī)用電源需要仔細選擇防雷器，其實，防雷器在整板設(shè)計中都有需求，醫(yī)療類產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備前端，需要使用專用防雷器，圣科薩的LAN-100ISL（絕緣型）是適用于醫(yī)用電氣設(shè)備安全通則IEC60601-1的防護產(chǎn)品。

以上就是對于B超系統(tǒng)中電源和主板的硬件解析。

對于智慧醫(yī)療來說，B超只是一個典型的可進行智能化改進的醫(yī)療設(shè)備之一。智慧醫(yī)療中，還有逐漸小型化，趨向可移動的，也可逐漸智能化加持的醫(yī)療設(shè)備，比如小型化CT、MRI，對于不便移動的病人來說，是莫大的福音。移動式的MRI可以廣泛用于急診、ICU、神經(jīng)外科，幫助醫(yī)生更快地診斷和發(fā)現(xiàn)病情。所以，智慧醫(yī)療的路會越走越寬，相信也會逐步緩解醫(yī)療資源的緊張問題。

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