高性能模拟技术如何为智慧医疗发展提供“芯”动力？

ADI公司

一、前言

随着中国政府在2019年政府工作报告首次提出“智能+”，业界预测诸多传统产业智能化升级的步伐将大大加快。而对于普通民众来说，“智能+”与医疗产业紧密结合的智慧医疗服务无疑与日常生活最为息息相关。

事实上，根据全球人工智能专业调研机构Tractica的预测，全球医疗人工智能市场在2025年将超过340亿美元[1]。另一组数据也显示了智能医疗在中国的迅猛发展态势——人工智能医疗市场规模从2016年的96.61亿元、2017的136.5亿元飙升至2018年的204亿元，保持了40%以上的复合年增长率[2]。

全球高性能模拟技术提供商ADI中国区总裁Jerry Fan指出，人工智能应用在中国最有可能发展起来的领域是医疗保健，一方面是中产阶级医疗保健需求的崛起，另一方面是远程医疗。他认为中国的医疗资源的分配非常不平衡，需要远程医疗这样的方式将集中在一线城市的医疗资源输送到偏远地区。此外，中国庞大的人口基数以及老龄化的社会现状对医疗保健资源有着迫切需求。

二、医疗智能+时代，模拟技术扮演数字化赋能关键先生

人工智能带来的潜在增长也引起半导体企业的关注，ADI就将医疗的数字化作为其多元化核心战略之一，与汽车无人驾驶、5G、能源、工业自动化一起作为ADI的五大核心战略。事实上，根据《2018世界人工智能产业发展蓝皮书》[3]，中国AI企业所涉及的领域包括医疗健康、金融、商业、教育和安防等，其中医疗健康领域最多，占22%。AI在医疗健康领域中主要的应用方向为医学影像、辅助诊断、药物研发、健康管理和疾病预测。

据相关调研机构报告显示[4]，未来十年，医疗健康行业的创业投资也将迎来自己的黄金时代。中国作为世界人口大国，医疗资源分配不均、城乡医疗服务水平悬殊等问题也在进一步推动着众多医疗机构走向智能化、信息化。

智能化时代，模拟技术正在扮演积极的关键角色。表1为福布斯首次发布的全球数字经济100强榜单（Digital 100）[5]，其中，以高性能模拟技术见长的ADI荣登榜单，并作为前十名中仅有的两家半导体技术提供商之一，排在第7位。

究其原因在于，随着智能化在医疗领域需求的不断渗透，基于各种高性能传感器的模拟信号链产品在医疗智能化浪潮中发挥着越来越关键的作用，模拟技术迎来了更为广阔的发展空间。同时，随着数字技术的进步，对高精度、高速度、低功耗模拟产品的需求不断扩大，而模拟产品在很大程度上决定了当今数字设备的性能。云计算、大数据、人工智能等产业的发展正在促进医疗智能化的落地。在以计算力为核心的数字经济时代，模拟技术和器件发挥着不可或缺的作用，起到了连接真实世界与数字世界的关键桥梁作用。这也是ADI能够入选数字经济排行榜单的原因。

表1 福布斯全球数字经济100强榜单前十位入选企业

三、从移动医疗到智慧医疗，高精度、低功耗数据采集是关键

在2019年1月召开的国际消费电子展（CES2019）上，ADI演示了生命体征监测手表如何基于多传感器平台提供复杂的生命体征测量解决方案，以及用于各种生物医学解决方案的算法。典型应用是健康管理和家庭护理。简而言之，ADI将全部所需的传感器和前端都集成到一个电池供电的可变平台中，以帮助客户提取重要的人体健康数据，并与ADI公司一系列解决方案相关联。

这个演示手表demo基于ADI公司的传感器、模拟前端和微处理器，利用传感器ADPD1081进行心率连续监测，使用加速度计ADXL362监测运动和活动，使用高精度生物电位/电化学前端AD5940测量皮肤电活动和身体成分，使用低噪声心率监护仪AD8233测量心电图，使用热敏电阻测量皮肤温度。手表内部存储器中可同时存储多个参数数据，供日后进行数据检索和离线分析，手表的配置、存储和保留数据利用Windows桌面VSM列表进行监测。

基于移动互联网和物联网技术的智慧医疗设备发展，可以预见的是大规模物联网涉及医疗物联网（IoMT）生态系统，将包含数以百万计甚至数十亿的低能耗、高性能医疗健康监测设备、临床可穿戴设备和远程传感器。医生依靠这些仪器，能实时不断地采集病人的数据指标，如生命体征、身体活动等信息，有效地管理或调整治疗方案。此外，普通人也可以利用IoMT设备来帮助检测自己的饮食和健身状况，预防疾病的发生。

事实上，诸多行业巨头近几年也加快了在这一领域及健康医疗数据平台的布局，例如苹果的可穿戴设备Apple Watch与健康数据平台Health Kit、谷歌的Google Fit等。而在国内，随着“互联网+医疗”深入推进信息化，以及“健康中国”建设的全面提速，可穿戴便携移动医疗设备同样掀起高潮，其关注度、需求度都在不断提升，有望步入新一轮快速发展期。图2所示为可穿戴设备成为人工智能的关键环节。

不同于专业级医疗设备偏重高精度、高质量的追求，移动医疗设备还要兼顾实用性，将小型化、低成本等场景化因素考虑进去，这些都是 ADI 医疗电子创新整体解决方案最能发挥优势的用武之地。ADuCM350是ADI用于支持多种便携式医疗保健应用的高精度、低功耗片上计量仪，已在国内国外的几家代表性大客户中取得里程碑式的进展；在运动检测的相关领域，ADI突破性的超低功耗3轴数字MEMS产品ADXL362在运动检测唤醒模式下功耗仅为300nA，其超低功耗的特征正是可穿戴运动监测设备的理想解决方案；ADI低功耗、单导联的心率监护仪模拟前端AD8232，以及最新的AD8233（图3），专为满足新兴的健身设备、便携式/佩戴式监控设备和远程健康监护设备的ECG信号调理要求而设计。

作为大健康产业的一部分，小型便携式、智能化的医用设备、健康管理设备在智慧医疗的带动下蓬勃发展，尤其以运动、心律、血压、血糖、睡眠等监测为主的各类医疗设备较前几年有了成熟发展，结合手机App产品的移动应用不但提高了此类设备的销售量，还积累了海量的生活化数据，使数据服务类产业逐渐增多。此外，慢性病管理需求日益增多，在监测手段和方法上催生了新的产品形态和相应的技术革新要求。

四、高性能模拟技术加码智慧医学影像，开启高分辨率图像诊断时代

业界普遍认为智能影像诊断是“人工智能+医疗”较快落地的应用领域，特别是基于医学影像的智能识别是适合AI技术发挥其所长的医学应用领域，目前全球该领域的创业公司达1000多家。

1895年Wilhelm Conrad Rötgen发现X射线为医疗成像领域奠定了基础，也让他获得了第一个诺贝尔物理学奖，自那以后X射线技术已经发展成为一门广泛的科学学科。尽管走到人工智能的今天，现代医疗成像系统已经运用完全不同的物理原理和处理技术，但都有一个共同点：采用模拟数据采集前端进行信号调理，并将原始成像数据转换到数字域。同样的，尽管今天智能影像识别涉及医学图像分割、图像配准、图像融合、图像压缩、图像重建等多个领域，而其中最本源的还是数字图像采集——高性能、高分辨率的医疗影像采集成像依然是实现人工智能的关键源。“高精度、高集成度的模拟前端，为数字平板X-光机、CT、高端彩色超声设备等高质量医学图像的智能诊断提供了可靠保证。”俞毅刚指出。

例如，ADI推出的最新一代ADAS1135（图4）为256通道、24位电流数字转换器模块，作为业内首款 256 通道、24 位电流数字转换器模块适于多通道、小电流采集数据的医疗CT（计算机断层）、工业和安检扫描仪，及光电二极管传感器应用。同时，ADI还推出了可用于医疗、工业和安保CT扫描仪数据采集的128通道多版本ADAS1134。

具有单芯片集成256通道、16位分辨率、22μs线路扫描速度等性能的ADAS1256 COF（Chip-On-Flex）（图5）解决方案也必须一提。由于功耗与噪声不能同时达到最低的要求，所以功耗模式的切换功能就能使得用户自行选择适应当时需求的最佳功耗和噪声模式，为此该芯片还提供了9种功耗模式。此外，对于病人来说，除了关心诊断准确性外，随着健康意识的加强越来越关心诊断过程的辐射剂量。因为在做各种检查时，X射线对病人本身也会造成伤害。对于这点，ADAS1256 COF解决方案降低探测器本身的噪声，所以在X射线剂量很少时，低噪声的探测器也能够接收并清晰呈现图像。ADI最近又推出了新一代更高扫描速度、更低噪声、更低功耗的新一代解决方案ADAS1258。

数字采样模拟前端这个微小的功能模块虽然深藏于复杂机器内部，但其性能却会对整个系统的最终图像质量产生至关重要的影响。它的信号链包括一个检测元件、一个低噪声放大器（LNA）、一个滤波器和一个模数转换器（ADC）。在医疗成像领域的电子设计中，数据转换器的动态范围、分辨率、精度、线性度和噪声要求带来了最严苛的挑战。

五、贯穿大健康生态全产业链，共同推动智慧医疗行业发展

ADI的技术与产品贯穿了大健康全产业链，包括预防、诊断、治疗以及管理阶段，ADI也非常看好医疗电子领域的技术前景，将持续关注并积极投资相关技术和产品开发。ADI医疗业务团队也有生物医学方面的专家，能够帮助整个团队提供更契合于实际用户的解决方案。据悉，ADI本地还有对医疗行规有深入理解的技术专家，会与客户共同完成相关医疗标准规范中性能及可靠性方面的设计挑战。

ADI希望通过不断投入，和客户一起帮助最终的患者和医生解决他们面临的实际问题，开创性地在业务模式和产品应用形态等方面突破已有边界。同时，ADI也将以更开放的心态与全生态链合作伙伴通力合作，共同推动中国医疗行业技术发展，助力早日实现人民健康长寿的“健康中国”目标。

公司简介

Analog Devices, Inc. 是全球领先的高性能模拟技术公司，致力于解决最棘手的工程设计难题。我们使客户能够利用无与伦比的技术进行检测、测量、供电、连接和解译，智能地在现实和数字领域之间架起桥梁，从而了解我们周围的世界。

如需了解更多信息，请访问：www.analog.com/cn