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2009年10月15日 星期四

遠距照護系統開啟醫療電子新紀元

 
在美國,將近一半的人口都至少患有一種慢性病。這也許並不足為奇,但一個更令人驚訝的統計結果:根據美國疾病管制中心(CDC)在2005年的報告,這些慢性病患的治療費用佔全美2兆美元醫療總支出的75%以上。

這些費用大部份花在高科技治療和手術上。但也有數十億美元花在非危急但卻形形色色的醫療照護方面,例如醫生的例行檢查、實驗室檢驗和其它監護照顧程序等工作。

數年之後,許多這一類呈螺旋般攀升的費用將逐漸得以減輕。

慢性病的監護與治療是醫療保健費用中的一部份,它不應該總是呈螺旋般地急速上升。這種舒適簡便的診斷方式得以廣泛地實施,主要是由於採用無線技術的遠距照護系統最終實現了在全球的互通作業性。

遠距醫療(Telehealth)電子技術是為了減少患者進出醫院和診所的次數,並以引導其生活方式來改善患者健康狀況而開發的。在第一波遠距醫療實施之後,第二波行動也將接踵而至,包括在病患體內植入高精準度的感測器,使其可在人體區域網路(BAN)範圍內通訊。其重點將從協助改善病患生活方式轉變為對醫生提供即時的急救資訊。

遠距醫療將為設計工程師們開啟商機。根據Forrester Research公司資深分析師Elizabeth Boehm預測,遠距個人健康照護市場將在2010年時達到50億美元的規模,預計2015年更將攀升至340億美元。

針對照護設備和醫療院所之間所進行的無線和有線資料傳輸,Continua Health Alliance將在今年年底制訂最初指導方針,而這一市場也將隨之向前邁進一大步。雖然這些指導方針與我們所熟知的設備密切相關,包括血壓計、血糖測試儀、計步器、體溫計和體重計等,但這一資料傳輸結構也將適用於更複雜的設備。

圖1:IMEC所研發的先進無線ECG貼片核心。
圖1:IMEC所研發的先進無線ECG貼片核心。

下一代設備業已部署於醫院中以進行實測。由比利時校際微電子中心(IMEC)設計的一款無線心電圖(ECG)監控器就是一個很好的例子,該產品在一個類似腕錶大小的超薄封裝中整合了電極、生物晶片感測器、MCU和射頻電路。其貼片處理器上所執行的演算法可每週七天/每天24小時監控心臟的心律不整情況。只需要一個小電池,即可連續運作一週。

由於許多技術仍處在矽晶原型階段,這一遠距醫療的概念就變得更令人感興趣了。這些技術包括:專為生物醫學訊號分析而設計的超低功率DSP、低採樣速率/高解析度的ADC、比藍牙功耗更低兩倍的超寬頻射頻,以及將可取代電池的MEMS能源收集器。

第一波:建立互通性

Continua Health Alliance的宗旨在於確保健康監控設備和以家庭為基礎的資訊交換中心(hub)之間互通作業性。資訊交換設備可將來自監護設備中的資料傳送至醫療保健服務院所。

符合Continua Vision One Guideline規格的第一代設備可透過無線藍牙或有線USB連接,以提供安全的感測器資料傳輸,Continua總裁David Whitlinger說。用於接收資訊的本地資料交換中心可以是一支手機、PC、先進的機上盒(STB)或上述各種專用設備。

指導方針目前正進行最後評估,預計年底推出。該規格定義了照護設備的應用場合,並載明與'健康設備概要'(HDP)的相容性。這一健康設備概要是由藍牙SIG和USB-IF所共同研擬的。

圖2:基於遠距醫療的技術生態系統將改變醫療成本急速攀升的現況。
圖2:基於遠距醫療的技術生態系統將改變醫療成本急速攀升的現況。

Continua已為HDP做出了重要貢獻,Whitlinger說。指導方針還要求必須符合IEEE 11073標準;這一標準定義了用於安全傳輸醫療資料的協議和資料結構。

包括Bluegiga、博通(Broadcom)、Cambridge Consultants、Cybercom、MindTree、松下(Panasonic)、Stollmann和東芝(Toshiba)等幾家公司已經開始為相容於Continua的藍牙/USB/IEEE11073模組提供整合軟體和晶片的解決方案。

其中一些供應商也在10月底於哈佛大學召開的互連健康論壇(Connected Health Symposium)上首次展出產品。例如,Cambridge Consultants公司為第一代監控應用開發了一系列的參考設計,以及包括藍牙和USB晶片的工具組。

"客製化的方式可讓用戶利用自己的顯示器,或從現有感測器中讀取資料。"Cambridge Consultants公司無線醫療事業部門主管Paul Williamson說。

因此,一旦完成客製化工作,就可使韌體與CSR的BlueCore藍牙晶片連接。雖然藍牙和USB具有安全方面的規定,但它們更強調資料完整性,Williamson說。IEEE 11073協議建構在資料傳輸之上,因此必須可提供更多的客製化,以滿足當地強制保護病患健康紀錄的法規要求。

第二波:研發新技術

在美國和歐洲,心血管疾病是導致死亡和功能障礙最常見的原因。其中,心臟病(包括心律不整)造成的死亡率佔全美死亡人數的30%。

診斷心律不整最常用方法是定點照護(point-of-care)ECG監控,或者配戴一個不太舒適的可攜式設備,以便24小時記錄心臟活動。

一款具有無線連接性但看來並不起眼的微型ECG監控器,可針對心律不整的情況連續進行掃描,以挽救生命並降低急救醫療成本。為了發揮最大優勢,該設備還可分析ECG訊號。本地分析使人員得以迅速採取適當行動,包括從資料儲存到即將或可能發生嚴重情況前,先向患者和醫療院發出警告。

雖然其它地方也正進行著類似設備的研發,但IMEC的設計已在歐洲的醫院中經過驗證了。IMEC的ECG貼片正在Holst Centre的Human++專案中進行研發,該專案的重點是用於健康監控的無線自主感測器系統技術。

IMEC的先進ECG貼片具有基於子波(wavelet)的ECG分析軟體,並執行於德州儀器(TI)的MSP430 f1611 MCU上。主要硬體元件包括:Nordic Semiconductor公司的nRF24L01射頻晶片、生醫晶片感測器、電極、ADC和一個叉狀天線,所有這些元件全部整合在一塊可撓性聚醯亞胺基板上。該系統接著再被整合於織品中,以實現彈性與延展性。一塊20mm x 20mm x 5mm的電池可使其持續運作一週,IMEC專案總監Bert Gyselinckx介紹。

其平均功耗約2mW。但與ECG貼片一樣讓人印象深刻的是,這一產品還有更多的改善空間,特別是就實現超低功耗的目標來說。降低功耗一直是一項重大挑戰。

"理論上我們希望能進行更多運算並減少通訊,"Gyselinckx說。"但以目前的技術卻無法做到,因為仍無法使處理器或射頻適當地進行週期性作業。我們必須開發出可微調運作週期的處理器與射頻,以便使其可迅速切換暫停或工作狀態,而不至於在啟動和關機瞬間損耗功率。"

研究人員們正致力於這方面的工作,並採用各種新技術而進行改善。例如,相較於2.4GHz的Nordic晶片,採用UWB射頻技術可在發射端降低10~100倍的功耗。Nordic晶片本身就是一款超低功耗元件,比藍牙更省電得多。

IMEC已經開發出UWB射頻原型,以及可調整週期性間歇作業的DSP與生醫訊號分析,Gyselinckx說。此外,還有一款採用100kHz~200kHz採樣率、12~16位元解析度的超低功耗ADC也正開發中。其它尖端技術還包括感測器以及從人體擷取能量的能量收集技術,以省去對電池的需求。

更多的挑戰

雖然邁向技術方案之路已相當明朗,但遠距醫療仍面臨著文化和制度上的阻礙。Forrester Research首席分析師Carlton Doty指出,他對於如何符合法規要求、醫療院所的治療不當,以及後端IT基礎設備落後等現有問題感到相當憂心。

65%~70%的美國醫務人員一般工作於一家不到10名醫生的診所或機構中,Doty說。在建立一個以IT為基礎的醫療記錄系統時,這些小型醫療診所仍面困難重重,他指出。而醫療設備補貼不足是使得大小醫療機構延緩其IT投入的另一項因素。

這些障礙都可以被克服,加上在技術方面所取得的進展,都將使得在制度層面上實現的必然性更加順理成章。

 

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