Android應(yīng)用于嵌入式醫(yī)療設(shè)備中優(yōu)勢(shì)分析

在過去十年，特別是在最近幾年，對(duì)如何將“重量級(jí)”的主流操作系統(tǒng)(OS)，如Windows、Windows CE和Linux用于醫(yī)療設(shè)備，開發(fā)人員的興趣顯著提升。推動(dòng)因素有很多，如今的醫(yī)療設(shè)備用戶希望醫(yī)療設(shè)備擁有多個(gè)高級(jí)接口，并且很多開發(fā)人員已經(jīng)有在臺(tái)式電腦和服務(wù)器上使用這些操作系統(tǒng)和相關(guān)工具的經(jīng)驗(yàn)。就在不久前，如果想要選擇一款功能豐富的操作系統(tǒng)，用于嵌入式醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)，那么有兩個(gè)典型的選項(xiàng)：微軟Windows CE（有時(shí)是桌面Windows本身）或Linux（或其它Unix變體）。

在二者中，Windows CE的優(yōu)勢(shì)在于，它是一款完全集成的開發(fā)平臺(tái)，從設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一路到應(yīng)用程序框架。有些開發(fā)人員可能不太喜歡Windows CE，但Windows CE可以一種快速而簡(jiǎn)單且難度最小的方式啟動(dòng)某個(gè)項(xiàng)目，這一點(diǎn)幾乎很少有人會(huì)反駁。CE同樣存在不足之處：使用需要支付版稅，并且其代碼庫被微軟公司控制。但值得注意的是，后者也會(huì)帶來一些好處。

Linux和其它Unix變體具有免費(fèi)和開放源碼的優(yōu)勢(shì)，但一直以來，若要將它們用于嵌入式設(shè)備（尤其是那些配置有高級(jí)用戶接口的設(shè)備），存在很大障礙。 Linux操作系統(tǒng)原本設(shè)計(jì)用于臺(tái)式機(jī)/服務(wù)器，且典型分布包含有很多特性（要占用幾兆字節(jié)空間和幾個(gè)CPU周期），但嵌入式系統(tǒng)根本不需要或者極少用到這些特性。因此，一直以來，若要在Linux操作系統(tǒng)中啟動(dòng)某個(gè)嵌入式新項(xiàng)目，需要多名開發(fā)人員花上幾周的時(shí)間來創(chuàng)建輕量級(jí)（lightweight）軟件映像，帶有所需的功能子集，并且有附加的供嵌入使用的資源。雖然手動(dòng)搭建Linux映像可以優(yōu)化事件，但結(jié)果仍然沒有被完全優(yōu)化—有許多用于臺(tái)式機(jī)的重要代碼不能被削減，并且它們不能高效地利用存儲(chǔ)器、CPU和/或功率。

因此，在過去，要么選擇容易上手的專利系統(tǒng)（Windows CE），或是選擇需要開展大量工作才能啟動(dòng)的免費(fèi)和開放的系統(tǒng)（Linux和Linux家族）。

谷歌的Android操作系統(tǒng)進(jìn)入嵌入領(lǐng)域的時(shí)間相對(duì)短一些。從根本上講，Android的目的是在Linux操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)提供一款功能全面的嵌入式系統(tǒng)框架?？偟膩碇v，Android旨在使Linux /免費(fèi)軟件像Windows CE一樣即開即用、易于使用。

谷歌在2007年11月首次發(fā)布Android，當(dāng)時(shí)它被定位成一款針對(duì)智能手機(jī)的操作系統(tǒng)。Android已經(jīng)取得明顯成功：在不到三年的時(shí)間里，Android已經(jīng)成為最流行的智能手機(jī)操作系統(tǒng)，全球有一半的智能手機(jī)使用Android操作系統(tǒng)。每年有10000萬臺(tái)Android手機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)。

開發(fā)人員后來迅速地意識(shí)到：除了手機(jī)之外，Android在嵌入式應(yīng)用中也大有用武之地。當(dāng)前的很多嵌入式設(shè)備和手機(jī)具有很多相同的屬性：小尺寸液晶顯示屏/觸摸屏、豐富的圖形用戶界面、低功耗處理器、豐富的連接選項(xiàng)（蜂窩、無線、藍(lán)牙，等）、電池供電、等等。

因?yàn)橐紤]可靠性問題，在采用新技術(shù)這一塊，醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員一直以來稍稍落后。在等到新技術(shù)成熟之后，再將其用于美國(guó)FDA監(jiān)管的設(shè)備，這樣做很重要。但是Android操作系統(tǒng)是雜交品種：雖然這項(xiàng)技術(shù)相對(duì)較新，但是Android是以Linux技術(shù)為基礎(chǔ)的，而經(jīng)過檢驗(yàn)的Linux技術(shù)已經(jīng)在行業(yè)中為人所熟知。

Android是什么？

Android是一款完整的操作系統(tǒng)和應(yīng)用框架，設(shè)計(jì)用于ARM處理器。

Android在根本上使用的是Linux，但為了將其搭建成一款用于快速開發(fā)的完整框架，谷歌從以下多個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了升級(jí)和擴(kuò)展：

1． Android內(nèi)核支持用于實(shí)現(xiàn)更高效電源管理的擴(kuò)展，并對(duì)進(jìn)程之間的通信進(jìn)行了修改。

2． Android用自己的Bionic替換了Glibc庫。Bionic庫占用的容量小且速度快，并且Bionic庫支持BSD授權(quán)而不是GPL授權(quán)，從而使用戶不需要GPL授權(quán)。

3．包括有嵌入應(yīng)用程序需要經(jīng)常用到的多個(gè)庫，如WebKit（網(wǎng)頁渲染）、媒體框架、SQLLite和其它庫。

4．有一個(gè)硬件抽象層，用于定義硬件驅(qū)動(dòng)程序所需要的接口。

5．機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境，由Dalvik，優(yōu)化用于嵌入式應(yīng)用的Java虛擬機(jī)和用于應(yīng)用程序開發(fā)的核心Java API組成。盡管Android的“主導(dǎo)模式”是在Java環(huán)境下開發(fā)應(yīng)用程序，但也可以用C和其它語言來編寫應(yīng)用程序，然后使用本地開發(fā)工具包將其編譯成本地ARM代碼。

6． Android應(yīng)用程序框架，用于實(shí)現(xiàn)Java Android應(yīng)用程序的面向?qū)ο蟮臉?biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。

Android是開源的，但設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了將商業(yè)開發(fā)人員與GPL更好地分隔開。Linux內(nèi)核在GPL之下，但Android其余大部分的內(nèi)容以更為較寬松的Apache授權(quán)進(jìn)行發(fā)布，允許其在專有和開源開發(fā)中使用。簡(jiǎn)單來說，相比標(biāo)準(zhǔn)Linux，Android讓授權(quán)變得更加簡(jiǎn)單和明了。

谷歌還開發(fā)了一套非開源的應(yīng)用程序，包括Android Market和GPS套件。它們主要被用于手機(jī)。

要不要在我的醫(yī)療設(shè)備中使用Android？

給醫(yī)療設(shè)備選定操作系統(tǒng)，在很大的程度上和為任何其它設(shè)備選擇操作系統(tǒng)是一樣的：我們選擇我們認(rèn)為能夠?qū)⑨t(yī)療設(shè)備的價(jià)值在其生命周期內(nèi)最大化的操作系統(tǒng)。需要考慮的因素包括：

產(chǎn)品能多快上市？

開發(fā)成本為多少？

這一選擇將如何影響我們銷售商品的成本？

授權(quán)費(fèi)用為多少？

一旦我們的產(chǎn)品推向市場(chǎng)之后，維持技術(shù)性成本需要多少錢？

我們對(duì)我們的時(shí)間/成本估算有多大的信心？

如果是一個(gè)醫(yī)療項(xiàng)目，則還要包括以下一個(gè)額外的問題：

做這個(gè)選擇，是否能得到一款風(fēng)險(xiǎn)能被病人和用戶所接受的設(shè)備？

眾所周知，醫(yī)療器械和其它大多數(shù)設(shè)備不同，因?yàn)獒t(yī)療器存在重大風(fēng)險(xiǎn)，特別是病人而言。依據(jù)醫(yī)療設(shè)備對(duì)病人的危險(xiǎn)程度以及FDA認(rèn)為合理的監(jiān)管審查力度，F(xiàn)DA將所有醫(yī)療設(shè)備劃分為三大類。

I類設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)最小，包括像壓舌板、繃帶和基本的手術(shù)器械。 II類設(shè)備具有中等風(fēng)險(xiǎn)，包括心電圖機(jī)、X光機(jī)、血液氣體分析器和輸液泵。III類設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)最高，包括植入式除顫器，人工心臟瓣膜和植入式小腦刺激器。

相比主要針對(duì)可靠性而設(shè)計(jì)的更小型、更方便測(cè)試的操作系統(tǒng)，重量級(jí)操作系統(tǒng)（如Android）基本上更容易出現(xiàn)故障。這倒不是說重量級(jí)操作系統(tǒng)必然經(jīng)常出故障。對(duì)于許多設(shè)備而言，每年一次重新啟動(dòng)來修復(fù)軟件鎖定就可以了。因此，所以，考慮到重量級(jí)操作系統(tǒng)所具有的用戶界面更好、上市速度更快以及其它優(yōu)點(diǎn)，偶爾重新啟動(dòng)帶來的不便可以被原諒。但是，對(duì)于植入式除顫器來說，每年重新啟動(dòng)一次可能是不行的。

依據(jù)通常的經(jīng)驗(yàn)，Android和與之類似的操作系統(tǒng)適用于I類和II類設(shè)備，而III類設(shè)備通常需要使用具有高可靠性的更小型的操作系統(tǒng)。當(dāng)然，每臺(tái)設(shè)備的情況不同。不論是開發(fā)何種醫(yī)療設(shè)備，我們都要充分考慮和了解與操作系統(tǒng)相伴隨的風(fēng)險(xiǎn)。

一個(gè)用于獲得“兩全其美”的方法是將處理任務(wù)分成兩部分：用一個(gè)采用高可靠操作系統(tǒng)的處理器來執(zhí)行核心功能，用一個(gè)采用重量級(jí)OS的處理器來處理沒那么重要的任務(wù)。輸液泵就是一個(gè)例子，一個(gè)采用高可靠性操作系統(tǒng)的處理器在輸液過程中控制電機(jī)，而另一個(gè)運(yùn)行Android的處理器則運(yùn)行GUI、通信，等等。請(qǐng)注意，用到兩個(gè)處理器的解決方案并不是一個(gè)立竿見影的靈丹妙藥。需要充分考慮和詳細(xì)規(guī)劃。要確保醫(yī)療設(shè)備的安全性和可測(cè)試性。

用戶眾多的優(yōu)勢(shì)

如果你所設(shè)計(jì)的嵌入式設(shè)備選擇使用Android，那么有成千上萬部手機(jī)所運(yùn)行的Android堆棧和你的嵌入式設(shè)備所運(yùn)行的Android堆棧，在本質(zhì)是相同的。有大量的用戶在查找Android操作系統(tǒng)的漏洞，同時(shí)有龐大的開發(fā)社區(qū)致力于修復(fù)這些漏洞。盡管Android的可靠性不如輕量級(jí)專用操作系統(tǒng)，但和從零開始開發(fā)Linux堆棧相比，Android是一款經(jīng)過徹底調(diào)試的系統(tǒng)。此外，目前有超過10萬款支持Android的應(yīng)用程序，其中有很多程序可以簡(jiǎn)化和加速開發(fā)過程。這就是說，Android開發(fā)并不是很復(fù)雜，有龐大的開發(fā)人員群支持Android。

對(duì)于那些對(duì)軟件可靠性要求不高，且價(jià)格可以支持所需硬件的醫(yī)療設(shè)備，Android具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。它在功能、資源需求和生產(chǎn)力之間做了很好的平衡，并且具有以規(guī)模龐大且繁榮的Linux產(chǎn)業(yè)鏈為基礎(chǔ)的額外優(yōu)勢(shì)。