面对医疗健康危机,你是真“佛系”还是假淡定?元器件里有玄机……

贸泽电子设计圈 2020-05-06

2020年全球抗“疫”再次将医疗与健康话题推到风口浪尖,许多国家多年的“医改”成果瞬间显得捉襟见肘。无论是果断Lockdown,还是“佛系”应对,都是无奈之举。口水战的逻辑都经不住现实的推敲——人口老龄化、医疗资源不足,以及全球大环境急速变化引发的极端公共卫生危机,这三个层面的挑战集中展现在此次疫情当中,成为对现代社会的一次大考。


能够让我们经得住如此“灵魂拷问”的法宝,还是科技的力量,是人们对技术赋能的医疗健康基础设施的信任和依赖。对此大家都深有体会:新冠疫情初期最硬核的排查手段就是CT扫描和核酸检测;没有特效药,救治的重要手段就是呼吸机等生命支持设备;疫情期间人们最期盼的事情,除了摘下口罩之外,就是看到诊疗技术的进步、特效药或疫苗研发上的突破……


值得庆幸的是,电子信息技术一直在为人类所面临的医疗健康挑战进行准备和布局。比如,已经投入应用的各种高效且安全可靠的医疗设备、日益普及的具有健康监测功能的可穿戴设备、正在全面商用的5G网络及由此催生的智慧医疗和大健康概念的新模式……只有这些创新的技术,能够在将来编织起一张医疗健康的防护网,我们才能够在危机到来之时,真正地“佛系”起来,处变不惊,从容应对。


当然,想让这一美景走进现实,夯实基础是第一步,而电子元器件就是这“基础”中最重要的一环。

医疗电子元器件的挑战


健康医疗是一个高度专业化的领域,所以健康医疗设备设计开发也就成了一个垂直的“小圈子”,应用于健康医疗设备的元器件,也就有了自己特殊的“标签”。综合考虑医疗健康设备的发展趋势,未来可堪重用的元器件应该具备以下这些特质:


首先,由于医疗设备运行环境的特殊性,对其可靠性和稳定性的要求显然是排在首位的,产品要力求做到零缺陷,那么可靠性设计必须是关注的重点。这一“硬性”要求必然会传导到对元器件自身可靠性的要求上。


其次,如今的医疗电子产品智能化程度越来越高,集成的功能也越来越多,比如一个监护设备要集诊断、监测、图像、通信等各功能于一身,还可能要访问云端,而且单位空间内电子设备的密度也在增加,所以EMI设计的挑战不容忽视,对相关元器件的需求也会显著提升。


再有,“大健康”的概念,更强调防患于未然,让疾病的防控前移到患者端,这带来了以往专业设备的“消费化”趋势,这些年可穿戴设备的兴起就是一个例证。这使得健康医疗设备也会面临额外的外形、成本、功耗等因素的挑战,元件也需要因应这种变化。


此外,随着医疗健康这个概念内涵的丰富和外延的扩展,其所涉及的医疗设施、设备、药品和病患等资源的管理将充满挑战。能够有效提升专业人士工作效率以及最终用户应用体验的产品,也是医疗电子元器件一个重要发展方向。


所以,如何在确保性能的前提下,能够在可靠性、性价比、小型化等方面都均衡地演进和改善,就成了考验当今医疗电子元件实力的关键因素。


Murata医疗电子元器件管窥


未来,什么样的元器件才能让开发者用得放心和省心,进而让用户拥有“佛系”般的从容,Murata村田制作所)的系列医疗电子元器件,为我们提供了很好的范例。我们不妨通过几款典型的产品,一起来管窥其中的玄机。


1

电容


MLCC电容是Murata的“强项”,其可用于医疗设备的MLCC产品种类繁多,但从应用上可以整体分为“可植入医疗设备”以及“便携式和可穿戴医疗设备”两类。


可植入式医疗设备包括深脑神经刺激器、胃刺激器、人工耳蜗、落脚器、心脏复律器、起搏器等,此类应用一个很关键的问题就是需要设备尺寸更小(或低侵入性),以减轻对人体的影响。为此,Murata开发并推出了医疗级MLCC电容GCH/GCR系列,该电容具有高精度、智能化、高可靠性的特点,非常适合于可植入医疗设备高密度、外形紧凑的设计。


在可靠性方面,GCH/GCR系列MLCC经过了更严格的筛选,确保初始故障率低于消费类的MLCC,设计使用寿命更长,在湿度负荷测试、热冲击循环和其它测试中能够经受更严苛的考验。


便携式和可穿戴医疗设备的目标应用包括超声波回声设备、睡眠呼吸暂停综合症设备、心电图仪、血气分析仪等。Murata主打此类应用的MLCC主要是GRM系列。小型化和超大容值是GRM系列MLCC的突出特征,能够帮助开发者很好地适应医疗设备从台式变为便携式,再到可穿戴式的转变。


图1:Murata用于医疗电子设备的MLCC主要产品比较(图源:Murata)


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2

高压电阻


在X射线、PET、CT扫描等医疗设备中都需要用到高压电源,其中一个不可或缺的元器件就是高压电阻。


医疗设备的正常运作关乎患者的生死,因此用于医疗设备的高压电源在电源系统设计方面与消费类电子产品不同,对质量、安全和可靠性等方面有更严格的规范要求,必须符合安全、漏电、EMI-RFI辐射和防护方面的相关规定或标准。


因此,医用电源中高压电阻的选择,需要特别关注产品的质量、可靠性和相关认证资质。Murata的高压电阻与同类竞品相比,优势体现在三个方面:


  • 更紧(窄)的公差:得益于独创的厚膜技术和电阻调阻技术,Murata的高压电阻实现了严格的窄公差,最适合于高精度的电压和电流检测。

  • 独特的设计:应用中该产品通常被用作检测电压和电流的固态电阻,Murata特别提供了一种特殊设计的高压电阻,在一个封装中集成了低电阻和高电阻。

  • 经市场验证:Murata高压电阻被广泛用于从消费类到医疗设备的所有领域,在全球占有约75%的市场份额,经过了充分的市场和应用验证。


图2:Murata用于医疗电子设备的高压电阻特性(图源:Murata)


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3

功率电感


在医疗设备电源中,功率电感也是一个重要的元器件。Murata可以为电源电路提供品种类齐全的功率电感,包括金属合金绕线型、铁氧体绕线型、铁氧体多层型等各种结构类型。


在医疗应用上,Murata主推的是金属合金功率电感系列(如DFEC/FD/FC系列),它既有小巧玲珑的外形,又具备高性能和高可靠性,可以用于内视镜、超声波诊断装置、透析装置、X线平板探测器、生物监测仪、MRI、CT、血糖计等装置,以及靠无线通信连接各种医疗设备的模块电路,适用面非常广泛。


由于采用金属合金磁芯,Murata的金属合金功率电感能够实现高品质、高可靠性、高耐久性,并通过使用低磁芯损耗材料提高了电路效率。这些特性正好与医疗设备小型化、薄型化、低直流阻抗、支持大电流、高可靠性的需求相吻合。

图3:Murata用于医疗电子设备的功率电感特性(图源:Murata)


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4

噪声抑制产品


医疗设备与普通家用电器的不同之处在于其影响到人的生命,因此很多医疗设备需要采取更完善的噪声对策。对于高档医疗设备,通常不允许出现由于其他设备的噪声干扰而导致的故障、数据损坏和其他问题。


由于很多时候人们不能完全识别进入设备的噪声是从哪里渗入的,因此应对医疗设备中的噪声问题,需要在宽范围内采取有效的抗噪声措施。这也就需要元器件厂商能够提供更为完整的产品组合,更全面的解决方案。


Murata可用于数字设备中噪声抑制的产品主要有三类:片状铁氧体磁珠、贴片EMI滤波器和共模扼流圈。这些产品各具不同的特性和应用范围,下表做了详细的梳理和总结。


图4:Murata用于医疗电子设备的噪声抑制产品(图源:Murata)


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5

RFID标签


由于关乎患者的生命安全,医疗设备的管理有非常规范而严苛的规范。特别是手术器械的管理,器械的类型往往多达数百种,如果操作人员的熟练程度不够,很可能会出现手术器械选择错误的风险。因此,在手术器械管理中引入RFID这种智能而高效的技术,近年来成为大家的共识。


针对这一需求,Murata充分利用UHF波段RFID具有作用距离远、一次读取多个标签的优势,推出了专门用于手术器械的RFID标签——LXTBKZMCMG-010。

图5:Murata专门用于手术器械的RFID标签LXTBKZMCMG-010(图源:Murata)


LXTBKZMCMG-010外形小巧,仅有6.0mm x 2.0mm x 2.3mm,而且专门适用于金属表面,并巧妙地利用金属表面作为增强天线,扩大读取的范围,最远可达150cm (4W EIRP)。同时,该RFID标签具有坚固耐用的结构,支持在使用过程中对手术器械进行反复清洗和灭菌操作,工作温度为-40℃至+85℃,可覆盖UHF全频段 (865~928MHz),所以非常适合全球各个地区医疗器械应用环境的要求。


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全面的解决方案


在日益智能而复杂的医疗健康设备中,所需的电子元器件远不止上述几种,元器件厂商也在不断丰富自己的产品线,以跟上医疗健康领域需求发展的节奏。仍以Murata为例,目前其医疗电子元器件除了上述的电容、电、电感、噪声抑制等产品,还包括蓝牙和Wi-Fi模块、电源模块、电池、压电元件、谐振器、电路保护元器件、NFC天线、RFID标签、微型风扇等诸多门类,在医疗健康设备中广为应用。


对于下图所示红色标注的血压计子系统,Murata都可以提供对应的产品和方案。这样的一站式的技术能力, 对于开发者来说,在元器件选型和优化供应链管理上都大有裨益。


图6:Murata电子元器件产品在血压计方案中的应用(图源:Murata)


总之,医疗健康可以说是人们最“硬”的刚需,突发的疫情更让人们意识到,构建一个完整而高效的医疗健康系统的重要性和必要性。未来这一系统不仅仅存在于专业的医疗机构中,还将延伸到每一个人的身边,与我们如影随形。作为构架医疗健康系统原材料的电子元器件,既要确保高品质和可靠性,也要适应应用场景快速发展的需要,这既是机遇也是挑战。只有今天积极地应对这一挑战,才能成就我们明天“佛系”自在的生活。

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