把握医疗嵌入式应用的新机遇和挑战

近年来，对医疗保健的需求以及因此对所有能够提供护理的设备的需求呈指数增长。这对于医疗器械制造商的股东和这些公司雇用的嵌入式系统开发人员来说都是好消息。本文的主题就是后一类人所面临的挑战和机遇。

公平地说，在这个时候，我们中的许多人都在考虑医疗系统。尤其是最近，当我去看眼科医生时，我的意识得到了提高。大多数人每两年进行一次视力检查，但是，由于我已故的父亲患有 1 型糖尿病并在多年前患有青光眼，因此更频繁地检查我的眼睛似乎是谨慎的做法。这就是为什么我要体验所有的医疗电子产品。我竖起了大拇指——不用担心我的眼睛——这总是一种解脱，但是，正如我所说，它让我思考所有带来的技术。

医疗需求增加有两个相关的原因。首先，现在可以有效治疗的病症越来越多。在过去，更常见的是被告知您将不得不忍受疾病并遭受痛苦，或者您可能会被告知您将死去。当然，所有这些仍然会发生，但更有可能提供一些治疗。第二个因素是大多数西方国家人口的平均年龄正在上升——我们的寿命越来越长——医疗需求往往随着年龄的增长而增加。

从历史上看，医疗器械是笨重的机器，必要时病人会被运送到上面。根据需要，可以在医院内转动一些机器。这些是唯一的选择。如今，重点是便携式仪器。显然，还是有一些大静态机器——手持式核磁共振扫描仪近期不太可能出现！为什么会发生这种变化？显而易见的答案是因为我们可以：现代电子产品使便携式设备比以往任何时候都更加可行。但这一举动也受到支配我们生活大部分时间的相同因素的推动：金钱。

医疗器械设计的关键驱动因素是现代医疗保健的财务模型。要了解细微差别，需要了解提供医疗保健的环境之间的差异：

主动健康——预防措施，如运动器材（通常不被认为与医疗保健相关，但确实如此），以及越来越多的远程健康监测。

家庭护理- (1) 的延伸，其中可能涉及各种形式的干预和药物输送。

住宅护理——疗养院等。比医院便宜的地方，有一些医疗技术熟练的人员。

紧急护理——一家医院，可以提供全方位的护理。从历史上看，这可能是病人被送往的第一个地方，但越来越多的医院被保留在其他选择用尽时。

从广义上讲，在这些情况下，医疗保健服务的成本从（1）增加到（4）。因此，对有助于（1）和（2）特别是有助于降低成本的设备有非常强烈的需求（但在（3）和（4）中提高效率显然是受欢迎的）。便携式设备在技术上可行的地方都受到强烈青睐。这需要电池操作并且通常需要某种无线网络。便携式无线设备不仅非常方便，而且已经表明在医院消除电缆有助于清洁和控制感染。

考虑一个“典型”的医疗仪器以专注于软件挑战是很有趣的。一个可能的示例可能是患者携带并监测其生命体征的便携式设备。它会定期将重要数据发送给他们的医生。如果出现问题，它会发出警报并自动召唤帮助。患者可以随时查看自己的读数。可以设想在所有四种医疗保健环境中使用这种设备，其功能略有不同。

设计中的关键优先事项当然是便携性和成本，以及功能性。使用此设备向软件开发人员提出的挑战/要求非常广泛：

高效的工具。生成的代码必须最佳地小且快，并且这些工具应该能够使开发顺利进行。

实时能力。设备很可能需要具备实时功能。实时操作系统可能很有用，小代码是优先考虑的。

无线网络。需要上传信息的便携式设备需要某种形式的无线网络。在医院中，蓝牙等短程技术可能符合要求。蓝牙的低功耗变体也有助于延长电池寿命。在其他情况下，Wi-Fi 可能是最佳选择，即使它更耗电。可能需要蜂窝网络（4G 或 5G）才能使仪器高度便携（例如供医护人员使用）。

用户界面。大多数设备都有某种形式的图形用户界面。医疗设备上的 UI 设计至关重要，并且很大程度上取决于谁使用它。患者使用的设备需要一个相当简单明了的用户界面，并谨慎地避免错误。此外，必须考虑到用户视力受损的可能性。将由医疗保健专业人员使用的设备可能具有更复杂的 UI，因为它很可能提供更详细的信息。但是，不能忽视用户可能会感到压力或过度疲劳的可能性。

电源管理。电池寿命对于任何便携式设备来说都是一个巨大的挑战。充电需要持续多长时间取决于设备的使用模式，但通常目标是醒着一整天（例如 18 小时）。虽然硬件设计有助于电源管理，但它本质上定义了最佳功耗；剩下的就是软件了。设计软件时考虑到功耗是一个很大的课题，但关键因素是：

从设计过程开始就考虑功率；这不应该是事后的想法。

仔细分析设备的使用案例。小的调整可以对能源使用产生很大的影响。

使用带有电源管理框架的 RTOS。操作系统最适合实施电源管理，让应用程序代码开发人员专注于他们的工作。

认证。大多数医疗设备需要 FDA 等的认证。这可能是一个昂贵且耗时的过程。需要记住的几点：

选择具有在认证医疗应用中使用记录的 RTOS。

由于认证需要包括操作系统在内的整个应用程序的源代码，因此 RTOS 源代码的可用性和质量至关重要。

认证成本受到代码大小的显着影响。具有细粒度可扩展性的小型 RTOS 显然是一个好处。

如果设备是使用多核 SoC 实现的，混合关键性设计策略可能是有益的，因为这导致只需要对安全关键子系统进行认证。

随着医疗保健在全世界被视为处于危机之中，嵌入式软件开发人员有机会成为“英雄”并真正改变生活。

审核编辑 黄昊宇