嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用概述

摘要： 嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及各種具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的新型集成知識(shí)系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)以及各種具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，是技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的新型集成知識(shí)系統(tǒng)。

文中介紹了嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)及發(fā)展，提出了在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中應(yīng)遵循的原則，并介紹了嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對(duì)象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品，反映當(dāng)代最新技術(shù)的先進(jìn)水平。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)今非常熱門的研究領(lǐng)域，在PC市場(chǎng)已趨于穩(wěn)定的今天，嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的發(fā)展速度卻正在加快。由于嵌入式系統(tǒng)所依托的軟硬件技術(shù)得到了快速發(fā)展，因此嵌入式系統(tǒng)自身獲得了快速發(fā)展。根據(jù)美國(guó)嵌入式系統(tǒng)專業(yè)雜志RTC報(bào)道，在21世紀(jì)初的10年中，全球嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)需求量具有比PC市場(chǎng)大10～100倍的商機(jī)。

有機(jī)構(gòu)估計(jì)，全世界嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品潛在的市場(chǎng)將超過1萬億美元。隨著技術(shù)的發(fā)展，業(yè)內(nèi)對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義也越來越清晰。它是微處理器、大規(guī)模集成電路、軟件技術(shù)和各種具體的行業(yè)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的結(jié)果，其中各種軟件技術(shù)占了嵌入式系統(tǒng)80%的工作量。嵌入式系統(tǒng)不同于一般PC 機(jī)上的應(yīng)用系統(tǒng)，即使是針對(duì)不同的具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)之間的差別也很大。嵌入式系統(tǒng)一般功能單一、簡(jiǎn)單，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制較多?？梢哉f，嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷、需要不斷創(chuàng)新的技術(shù)。

嵌入式系統(tǒng)歷史及發(fā)展趨勢(shì)

事實(shí)上，在很早以前，嵌入式這個(gè)概念就已經(jīng)存在了。在通信方面，嵌入式系統(tǒng)在20世紀(jì)60年代就用于對(duì)電子機(jī)械電話交換的控制，當(dāng)時(shí)被稱為“存儲(chǔ)式程序控制系統(tǒng)”(Stored Program Control)。

嵌入式計(jì)算機(jī)的真正發(fā)展是在微處理器問世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算術(shù)運(yùn)算器和控制器電路集成在一起，推出了第一款微處理器Intel 4004，其后各廠家陸續(xù)推出了許多8位、16位的微處理器，包括Intel 8080/8085、8086，Motorola 的6800、68000，以及Zilog的Z80、Z8000等。以這些微處理器作為核心所構(gòu)成的系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人、家用電器等領(lǐng)域。微處理器的廣泛應(yīng)用形成了一個(gè)廣闊的嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)，計(jì)算機(jī)廠家開始大量地以插件方式向用戶提供OEM產(chǎn)品，再由用戶根據(jù)自己的需要選擇一套適合的CPU板、存儲(chǔ)器板以及各式I/O插件板，從而構(gòu)成專用的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，并將其嵌入到自己的系統(tǒng)設(shè)備中。

為靈活兼容考慮，出現(xiàn)了系列化、模塊化的單板機(jī)。流行的單板計(jì)算機(jī)有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。后來人們可以不必從選擇芯片開始來設(shè)計(jì)一臺(tái)專用的嵌入式計(jì)算機(jī)，而是只要選擇各功能模塊，就能夠組建一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。用戶和開發(fā)者都希望從不同的廠家選購(gòu)最適合的OEM產(chǎn)品，插入外購(gòu)或自制的機(jī)箱中就能形成新的系統(tǒng)，因此希望插件相互兼容，從而導(dǎo)致了工業(yè)控制微機(jī)系統(tǒng)總線的誕生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年擴(kuò)展為帶寬達(dá)40MB/s的MultibusⅡ。1978年由Prolog設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單STD總線廣泛應(yīng)用于小型嵌入式系統(tǒng)。

20世紀(jì)80年代可以說是各種總線層出不窮、群雄并起的時(shí)代。隨著微電子工藝水平的提高，集成電路制造商開始把嵌入式應(yīng)用中所需要的微處理器、I/O接口、A/D、D/A轉(zhuǎn)換、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一個(gè)VLSI中，從而制造出面向I/O設(shè)計(jì)的微控制器，即俗稱的單片機(jī)，成為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)異軍突起的一支新秀。其后發(fā)展的DSP產(chǎn)品則進(jìn)一步提升了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)水平，并迅速滲入到消費(fèi)電子、醫(yī)療儀器、智能控制、通信電子、儀器儀表、交通運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)領(lǐng)域。

20世紀(jì)90年代，在分布控制、柔性制造、數(shù)字化通信和信息家電等巨大需求的牽引下，嵌入式系統(tǒng)進(jìn)一步加速發(fā)展。面向?qū)崟r(shí)信號(hào)處理算法的DSP產(chǎn)品向著高速、高精度、低功耗發(fā)展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引導(dǎo)著微控制器向32位高速智能化發(fā)展。在應(yīng)用方面，發(fā)展也較為迅速。特別是掌上電腦，1997年在美國(guó)市場(chǎng)上掌上電腦不過四五個(gè)品牌，而1998年底，各式各樣的掌上電腦如雨后春筍般紛紛涌現(xiàn)出來。此外，Nokia推出了智能電話，西門子推出了機(jī)頂盒，Wyse推出了智能終端，NS推出了WebPAD。21世紀(jì)無疑是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到各類網(wǎng)絡(luò)中也必然是嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿薮?，其在醫(yī)療儀器領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛。

嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的定義及分類

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等部分組成(見圖1)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

嵌入式系統(tǒng)一般指非PC系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲(chǔ)器及外設(shè)器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件(OS)和應(yīng)用程序編程。有時(shí)設(shè)計(jì)人員把這兩種軟件組合在一起。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為;而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。

嵌入式系統(tǒng)通常可按圖2分類。嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、交通、電子、醫(yī)療儀器、通信、工控、金融、家電等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備以下特點(diǎn)：

(1)對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度;

(2)具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷;

(3)可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以便最迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器;

(4)嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級(jí)。

嵌入式系統(tǒng)同通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有六大重要特征：

(1)專用性強(qiáng)：嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的嵌入式CPU，與通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，它通常都具有功耗低、體積小、集成度高等特點(diǎn)，能夠把通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨于小型化，移動(dòng)能力大大增強(qiáng)，與網(wǎng)絡(luò)的耦合也越來越緊密;

(2)知識(shí)集成度高：嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點(diǎn)就決定了它必然是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng);

(3)系統(tǒng)內(nèi)核?。呵度胧较到y(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用中對(duì)處理器的選擇更具有競(jìng)爭(zhēng)力;

(4)系統(tǒng)精簡(jiǎn)：嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分。它的升級(jí)換代也是和具體產(chǎn)品同步進(jìn)行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，便具有較長(zhǎng)的生命周期;

(5)高實(shí)時(shí)性和可靠性：為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲(chǔ)器芯片或單片機(jī)本身中，而不是存儲(chǔ)于磁盤等載體中;

(6)系統(tǒng)開發(fā)需要專門的開發(fā)工具和環(huán)境：嵌入式系統(tǒng)本身不具備自主開發(fā)能力，設(shè)計(jì)完成以后用戶通常不能直接對(duì)其中的程序功能進(jìn)行修改，因此必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開發(fā)。

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用

醫(yī)療儀器設(shè)備的最新發(fā)展趨勢(shì)

進(jìn)入2008年，越來越多的利好消息出現(xiàn)在醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域。近期，德國(guó)、澳大利亞都分別明確表示要在兒童醫(yī)療和全民醫(yī)療領(lǐng)域加大投入。而我國(guó)和墨西哥這樣的發(fā)展中人口大國(guó)也將在2008年繼續(xù)其備受世人矚目的醫(yī)療改革。這些政府級(jí)別的投入將增加全社會(huì)對(duì)醫(yī)療儀器設(shè)備的需求。隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)于自身健康的關(guān)注也提升到一個(gè)前所未有的高度。今天，越來越多的高科技手段開始運(yùn)用到醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)中。心電圖、腦電圖等生理參數(shù)檢測(cè)設(shè)備，各類型的監(jiān)護(hù)儀器、超聲波、X射線成影設(shè)備、核磁共振儀器以及各式各樣的物理治療儀都開始在各地醫(yī)院廣泛使用。遠(yuǎn)程醫(yī)療、HIS、病人呼叫中心、數(shù)字化醫(yī)院等先進(jìn)理念的出現(xiàn)和應(yīng)用，使醫(yī)院的管理比以往任何時(shí)候都更加完善和高效，同時(shí)病人享受到更加快捷方便和人性化的服務(wù)。

在技術(shù)領(lǐng)域，醫(yī)療儀器設(shè)備則開始呈現(xiàn)向便攜性和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)?？梢噪S身攜帶的血壓計(jì)、血糖儀，可以在家庭或小型社康醫(yī)院中使用的呼吸機(jī)、心電監(jiān)護(hù)儀必然會(huì)有越來越大的市場(chǎng)需求。而網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)一步普及也正在進(jìn)入醫(yī)療儀器設(shè)備領(lǐng)域，通過有線或無線技術(shù)，醫(yī)生可以遠(yuǎn)程訪問病人的資料;數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備使病人不必再攜帶大量的檢測(cè)資料奔波在醫(yī)院的各個(gè)科室甚至是遠(yuǎn)隔千里的不同醫(yī)院之間，從而節(jié)省了就醫(yī)者的時(shí)間和重復(fù)檢測(cè)的費(fèi)用;而網(wǎng)絡(luò)化的醫(yī)療儀器設(shè)備和系統(tǒng)也使遠(yuǎn)程醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，身在某些不發(fā)達(dá)地區(qū)的重癥患者有可能通過遠(yuǎn)程醫(yī)療獲得高水平醫(yī)生的救治而重獲新生。在我國(guó)，由于醫(yī)療資源尤其是高端優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的缺乏和地區(qū)間分布不均衡引起了廣被詬病的“看病難”問題。醫(yī)療儀器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化所帶來的這些益處對(duì)解決該問題也有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器設(shè)備中的應(yīng)用

由于醫(yī)療儀器設(shè)備固有的自身特點(diǎn)和以上提到的最新發(fā)展趨勢(shì)的要求，用于醫(yī)療儀器設(shè)備的技術(shù)和系統(tǒng)也應(yīng)該與這些特點(diǎn)和要求相適應(yīng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療儀器設(shè)備，符合發(fā)展趨勢(shì)帶來的要求和變化。

醫(yī)療儀器領(lǐng)域大量醫(yī)療儀器的應(yīng)用，如心臟起搏器、放射設(shè)備及分析監(jiān)護(hù)設(shè)備，都需要嵌入式系統(tǒng)的支持。各種化驗(yàn)設(shè)備，如肌動(dòng)電流描記器、離散光度化學(xué)分析、分光光度計(jì)等，都需要使用高性能的、專用化的DSP系統(tǒng)來提高其精度和速度。引入嵌入式系統(tǒng)后，現(xiàn)有的各種監(jiān)護(hù)儀的功能與性能都將得到大幅度的提高。

一般來說，醫(yī)療系統(tǒng)都非常龐大，但我們看到的一個(gè)趨勢(shì)是便攜式、低成本產(chǎn)品漸漸流行。便攜醫(yī)療產(chǎn)品可分為兩種：一種是手持產(chǎn)品，如用于患者監(jiān)控的產(chǎn)品，像測(cè)量脈搏、血壓等的產(chǎn)品，醫(yī)生可以隨身攜帶;另一種則不一定能夠隨身攜帶，但它們是低成本、簡(jiǎn)單的設(shè)備，一般用于設(shè)備較簡(jiǎn)單的醫(yī)院。針對(duì)便攜化的趨勢(shì)，要求醫(yī)療電子設(shè)備必須具備體積小、功耗低、價(jià)格低和易于使用的特點(diǎn)。

在醫(yī)療儀器的設(shè)計(jì)方面，有三個(gè)設(shè)計(jì)策略非常重要：一是采用模塊化設(shè)計(jì)方法，采用這種方法可以在基本的平臺(tái)上設(shè)計(jì)出不同型號(hào)的產(chǎn)品;二是背板設(shè)計(jì)方法，每個(gè)大系統(tǒng)一般都會(huì)有背板，上面可以插很多不同的板，它可以使系統(tǒng)的速度很快;三是便攜產(chǎn)品。由于嵌入式系統(tǒng)具有的特點(diǎn)，上述醫(yī)療儀器設(shè)計(jì)策略都可以采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

在醫(yī)療儀器應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)的普及率非常高。在設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)需要對(duì)嵌入式系統(tǒng)重新編程，可避免前端流片(NRE)成本，減少和ASIC相關(guān)的訂量，降低芯片多次試制的巨大風(fēng)險(xiǎn)。此外，隨著標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展或者當(dāng)需求出現(xiàn)變化時(shí)，還可以在現(xiàn)場(chǎng)更新。而且，設(shè)計(jì)人員能夠反復(fù)使用公共硬件平臺(tái)，在一個(gè)基本設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，建立不同的系統(tǒng)，支持各種功能，從而大大降低了生成成本。使產(chǎn)品具有較長(zhǎng)的生命周期，可以保護(hù)醫(yī)療儀器不會(huì)太快過時(shí)，醫(yī)療行業(yè)的產(chǎn)品生命周期比較長(zhǎng)，因此這一特性非常重要?，F(xiàn)代數(shù)字醫(yī)療儀器設(shè)備不但包括診療設(shè)備，而且還有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和接口軟件。嵌入式系統(tǒng)可為醫(yī)療儀器設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用提供先進(jìn)的技術(shù)支持。

嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器領(lǐng)域的應(yīng)用前景

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化產(chǎn)品空前繁榮。嵌入式軟件已經(jīng)成為數(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新和軟件增值的關(guān)鍵因素，是未來市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。從醫(yī)療儀器領(lǐng)域來看，除了新的傳感檢測(cè)技術(shù)不斷運(yùn)用推廣之外，對(duì)所采集信息的分析、存儲(chǔ)和顯示也提出了更高的目標(biāo)。這就要求現(xiàn)代的醫(yī)療儀器具備更強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力以及更穩(wěn)定可靠的性能。另外，醫(yī)療儀器作為一個(gè)特殊的行業(yè)，又要求設(shè)備能夠達(dá)到更高級(jí)別的環(huán)保要求。如何進(jìn)一步地智能化、專業(yè)化、小型化，同時(shí)做到低功耗、零污染，將會(huì)是一個(gè)無止境的追求過程，這為嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用提供了更廣闊的天地和更高的要求。

我國(guó)目前有19.2萬家醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)，擁有的醫(yī)療儀器設(shè)備中有15%是上世紀(jì)70年代前后的產(chǎn)品，需要更新?lián)Q代，這將會(huì)推動(dòng)未來幾年甚至更長(zhǎng)一段時(shí)間我國(guó)醫(yī)療儀器設(shè)備需求增長(zhǎng)。2007是醫(yī)療體制改革啟動(dòng)之年，政府加大了公共衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施的投入，給醫(yī)療儀器帶來較大的發(fā)展空間。根據(jù)“十一五”規(guī)劃，2007年“新農(nóng)村合作醫(yī)療”試點(diǎn)覆蓋面將逐步擴(kuò)大，2008年在全國(guó)基本推行，2010年實(shí)現(xiàn)基本覆蓋農(nóng)村居民的目標(biāo)，這對(duì)于我國(guó)醫(yī)療儀器將是重大利好。同時(shí)，中國(guó)醫(yī)療儀器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整，對(duì)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于醫(yī)療儀器也提供了一個(gè)很好的發(fā)展機(jī)會(huì)，同時(shí)也對(duì)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)者提出了新的挑戰(zhàn)，開發(fā)出的產(chǎn)品除了應(yīng)具有獨(dú)特的創(chuàng)新功能外,開發(fā)者還應(yīng)遵循一定的原則。只有這樣，才能使嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用事半功倍。