助推范式轉(zhuǎn)變――應(yīng)對(duì)家庭監(jiān)護(hù)醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體供應(yīng)商會(huì)經(jīng)常關(guān)注市場(chǎng)錯(cuò)位的機(jī)會(huì)，以便趁機(jī)實(shí)施產(chǎn)品創(chuàng)新，提高銷(xiāo)售額，實(shí)現(xiàn)收入增長(zhǎng)。市場(chǎng)錯(cuò)位從發(fā)現(xiàn)到開(kāi)花結(jié)果往往需要很長(zhǎng)的預(yù)判和爭(zhēng)論時(shí)間，這剛好與一句古老的格言相呼應(yīng)——發(fā)明等于10%的創(chuàng)新加上90%的汗水。如今，醫(yī)療保健行業(yè)正處于市場(chǎng)錯(cuò)位的拐點(diǎn)，提供醫(yī)療保健的方式有望發(fā)生根本改變。

降低醫(yī)療成本的壓力促使人們需要能夠在家提供醫(yī)療保健的設(shè)備。此類設(shè)備可24小時(shí)不間斷地實(shí)時(shí)監(jiān)控：

生命體征(門(mén)診病人ECG監(jiān)護(hù)、體溫、血壓等);

身體狀況(跌倒預(yù)防和檢測(cè)、體重、卡路里控制);以及

認(rèn)知行為(幫助診斷疾病的發(fā)作時(shí)間)

這只是眾多家用醫(yī)療保健設(shè)備中的幾個(gè)例子，由此我們可以大致了解院外病人監(jiān)護(hù)如何有助于降低醫(yī)療保健成本以及改善個(gè)人健康狀況。縮短病人留院觀察的時(shí)間，轉(zhuǎn)而對(duì)其進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程觀察，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)降低成本。在預(yù)防性醫(yī)療保健領(lǐng)域，采用這些設(shè)備同樣能帶來(lái)重大利益。

受這些利益因素的驅(qū)使，許多廠商開(kāi)始關(guān)注這一新興市場(chǎng)領(lǐng)域，并針對(duì)此類需求開(kāi)發(fā)設(shè)備，其中既包括醫(yī)療保健市場(chǎng)的傳統(tǒng)制造商，也包括不熟悉這一市場(chǎng)的制造商。然而，像大多數(shù)市場(chǎng)錯(cuò)位一樣，要使一個(gè)普遍存在的院外病人保健計(jì)劃得以完全實(shí)現(xiàn)，必須克服一些挑戰(zhàn)。Geoffrey Moore的暢銷(xiāo)書(shū)《跨越鴻溝》準(zhǔn)確地描述了醫(yī)療保健行業(yè)很快將看到的情況。

Moore認(rèn)為，創(chuàng)新成果的推廣是由早期使用創(chuàng)新技術(shù)的用戶促成的。因此，在推出院外醫(yī)療保健設(shè)備的早期階段，用戶對(duì)此類設(shè)備必須有非常高的接受度，這一點(diǎn)至關(guān)重要。目前，家庭監(jiān)護(hù)和診斷設(shè)備在監(jiān)控生命體征(如血壓和體溫等)及測(cè)試血糖水平方面很成功，但尚未在醫(yī)療保健領(lǐng)域掀起一場(chǎng)能夠使我們“跨越鴻溝”的范式轉(zhuǎn)變。

圖1 – 如今的家庭醫(yī)療保健設(shè)備包括監(jiān)控生命體征的設(shè)備以及計(jì)算一天的步行距離和消耗卡路里數(shù)的產(chǎn)品

如何“跨越鴻溝”?

盡管有許多其它因素會(huì)影響醫(yī)療保健市場(chǎng)的未來(lái)，如政府計(jì)劃、保險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)、法律法規(guī)等，但對(duì)于瞄準(zhǔn)這一市場(chǎng)的公司而言，產(chǎn)品挑戰(zhàn)是相當(dāng)嚴(yán)峻的，包括要努力開(kāi)發(fā)出符合下列要求的產(chǎn)品：

能夠提供適當(dāng)水平的病人監(jiān)護(hù)，能達(dá)到所需的效果(如上所述)，并且確實(shí)對(duì)病人和醫(yī)療保健體系有用;

功耗足夠低，能夠長(zhǎng)時(shí)間工作而無(wú)需充電;

價(jià)格足夠低，適于大規(guī)模采用;

能夠與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信;

符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，能夠成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠?以及

無(wú)差錯(cuò)設(shè)計(jì)，即使未經(jīng)訓(xùn)練的用戶也不會(huì)犯錯(cuò)。

這絕非易事，特別是鑒于這些產(chǎn)品背后的業(yè)務(wù)模型尚未成型。此外，推動(dòng)這一范式轉(zhuǎn)變的廠商不應(yīng)一葉障目，沉迷于以上所列的一個(gè)或兩個(gè)要求，而必須全盤(pán)考慮。例如，如果只盯著“低成本”而忽視“有效監(jiān)護(hù)”，產(chǎn)品可能永遠(yuǎn)走不出小工具之列。當(dāng)然，低廉的產(chǎn)品價(jià)格無(wú)疑非常重要，但它不得動(dòng)搖之所以需要院外監(jiān)護(hù)設(shè)備的根本理由。能夠滿足在臨床環(huán)境之外進(jìn)行病人監(jiān)護(hù)的關(guān)鍵需求且令人信服的解決方案，是推動(dòng)醫(yī)療保健行業(yè)發(fā)展的重要因素之一。要實(shí)現(xiàn)這一最終目標(biāo)，使醫(yī)療保健行業(yè)跨越鴻溝，就必須承認(rèn)技術(shù)對(duì)贏得早期用戶和早期大眾的支持起著關(guān)鍵作用。

為使院外監(jiān)護(hù)成為日常生活的一部分，必須實(shí)現(xiàn)有效的投資回報(bào)(ROI);也就是說(shuō)，必須從受監(jiān)護(hù)中獲得切實(shí)的利益。在臨床環(huán)境中，ROI相當(dāng)明顯。在醫(yī)院接受監(jiān)護(hù)被認(rèn)為是理所當(dāng)然的事情，這讓病人可以安心地呆在醫(yī)院里。人們通常覺(jué)得醫(yī)院監(jiān)護(hù)設(shè)備質(zhì)量好、功能全、成本高。既然如此，人們?yōu)槭裁床粦?yīng)期待院外監(jiān)護(hù)設(shè)備也能達(dá)到相同的期望呢?同樣，先進(jìn)的技術(shù)對(duì)于這一目標(biāo)至關(guān)重要。

當(dāng)然，如今已經(jīng)存在有效的院外監(jiān)護(hù)儀。例如，動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀常常用來(lái)記錄病人較短時(shí)間的心電圖(ECG)，以供心臟科醫(yī)師進(jìn)行離線分析。未來(lái)的院外醫(yī)療保健設(shè)備可能需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)(并有能力執(zhí)行一些本地診斷)。 院內(nèi)生命體征監(jiān)護(hù)儀一般支持下述一種或多種體征的監(jiān)控：ECG、SPO2(血氧)、血壓、呼吸和體溫。以上所列并不全面，但它涵蓋了受監(jiān)控的最常見(jiàn)生命體征。對(duì)于院內(nèi)儀器，儀器本身的每個(gè)監(jiān)護(hù)儀可能都是一個(gè)不同的模塊，各模塊向外連接到病人身體上的一個(gè)分立傳感器或一組傳感器。ECG會(huì)連接到多個(gè)軀干電極，SPO2監(jiān)護(hù)儀會(huì)連接到一個(gè)手指夾，呼吸監(jiān)護(hù)儀可能使用胸部電極，體溫和血壓則將利用溫度計(jì)和腕夾(cuff)分別定期測(cè)量。

為將這種水平的病人監(jiān)護(hù)移植到院外環(huán)境下的設(shè)備，生物醫(yī)學(xué)工程師需要解決某些問(wèn)題，包括但不限于：

適應(yīng)不同的環(huán)境條件：例如，對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)，“濕”ECG電極是不切實(shí)際的，應(yīng)采用干電極。干電極會(huì)帶來(lái)與信號(hào)完整度有關(guān)的其它問(wèn)題。

精確測(cè)量：例如，共模噪聲會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。

多傳感器連接：監(jiān)控ECG、SPO2和體溫需要多個(gè)傳感器，某些情況下還需要?jiǎng)?chuàng)新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的測(cè)量。

多參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：合并監(jiān)控多個(gè)生命體征。

實(shí)時(shí)處理測(cè)量到的生命體征：見(jiàn)機(jī)行事以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷。

電源管理：保持低功耗。

遠(yuǎn)程監(jiān)控/通信：各種有線和無(wú)線通信協(xié)議。

病人活動(dòng)能力：對(duì)于快速康復(fù)至關(guān)重要。

易于使用：醫(yī)院管理甚少。

社會(huì)接受的工業(yè)設(shè)計(jì)：設(shè)備應(yīng)獲得社會(huì)的接受。

可靠性：遠(yuǎn)程監(jiān)控要求設(shè)備能夠正常連接和工作。

低成本：必不可少的要求。有些設(shè)備只需要考慮上述的少數(shù)幾個(gè)要求，而有些設(shè)備則要受所有要求的影響。

解決之道

工程師該如何應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)呢?具體做法說(shuō)明如下：

` 適應(yīng)環(huán)境以及實(shí)時(shí)處理測(cè)量到的生命體征

開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的信號(hào)后處理技術(shù)，例如，利用算法來(lái)幫助消除病人運(yùn)動(dòng)造成的噪聲偽像或電極連接不良引起的信號(hào)完整性喪失問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)本地/遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)診斷，應(yīng)當(dāng)在本地解決基線漂移等噪聲偽像。

` 精確的測(cè)量、多參數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、病人活動(dòng)能力、可靠性和電源管理

模擬和數(shù)字信號(hào)處理元件的集成打開(kāi)了創(chuàng)新設(shè)計(jì)的大門(mén)，有助于減少系統(tǒng)面積、噪聲、功耗和成本。此外，由于系統(tǒng)元件數(shù)量減少，可靠性得以提高，庫(kù)存管理等無(wú)形成本同時(shí)降低。

` 多傳感器連接

這是一個(gè)十分棘手的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多必須監(jiān)控的生命體征在人體上的分布相距較遠(yuǎn)，例如：ECG監(jiān)控在胸部，SPO2監(jiān)控在前額或手指，體溫監(jiān)控在耳部或腋下。通過(guò)身體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的無(wú)線傳感器將有助于消除替代有線網(wǎng)絡(luò)。集成電極和傳感器的創(chuàng)新服裝也在努力解決這一難題。

` 遠(yuǎn)程監(jiān)控/通信

無(wú)線技術(shù)的最新創(chuàng)新成果可確保遠(yuǎn)程通信有效進(jìn)行。Bluetooth Low Energy、WiFi和Zigbee是其中已經(jīng)付諸實(shí)施的幾項(xiàng)協(xié)議。

最初的步伐包括系統(tǒng)集成和微型化。這些年來(lái)，各種形式的消費(fèi)電子產(chǎn)品(如手機(jī)等)都經(jīng)歷了這一過(guò)程，現(xiàn)在終于輪到了醫(yī)療保健設(shè)備。

為了解決功耗、移動(dòng)性和工業(yè)設(shè)計(jì)相關(guān)的問(wèn)題，需要從頭開(kāi)始重新設(shè)計(jì)醫(yī)療儀器的電子電路。如前所述，有許多方面需要考慮，但關(guān)注的重點(diǎn)是在保證受監(jiān)控生命體征的測(cè)量完整度的同時(shí)，降低系統(tǒng)功耗、尺寸和成本。

ADI公司的ECG模擬前端(AFE)子系統(tǒng)ADAS1000是一個(gè)很好的例子，它解決了一部分挑戰(zhàn)。以前需要利用50個(gè)有源器件和大量分立器件才能實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在只需要ADAS1000一個(gè)芯片就能實(shí)現(xiàn)。ADAS1000 AFE子系統(tǒng)集成了下列電路和功能：5個(gè)ECG采集通道;右腿驅(qū)動(dòng);ECG電纜屏蔽驅(qū)動(dòng);起搏器脈搏檢測(cè)(片內(nèi)算法);呼吸測(cè)量(胸阻抗);基準(zhǔn)電壓源和電源管理;系統(tǒng)校準(zhǔn);以及數(shù)字濾波器。

諸如ADAS1000 AFE子系統(tǒng)之類的器件清楚地說(shuō)明，技術(shù)創(chuàng)新如何實(shí)現(xiàn)有效且得力的遠(yuǎn)程病人監(jiān)護(hù)，以及幫助醫(yī)療保健行業(yè)跨越日益加寬的鴻溝。最終目標(biāo)是讓病人和醫(yī)生相信，創(chuàng)新技術(shù)能夠像院內(nèi)技術(shù)一樣精準(zhǔn)地幫助病人。下一代IC結(jié)合新的設(shè)備設(shè)計(jì)，將有助于業(yè)界實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。