嵌入式系统及其在现代医疗中的应用.doc

嵌入式系统及其在现代医疗中的应用关键词：嵌入式、医疗发展、应用、前景随着科学技术的发展，越来越多的医疗仪器都需要进行高速的数据采集、分析与处理。心电图、脑电图等生理参数检测设备，各类型的监护仪器，超声波、X射线成像、核磁共振等设备，以及各式各样的物理治疗仪都开始在各大医院广泛使用。嵌入式系统是指以应用为核心，计算机为基础，软硬件可裁减，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至传感器等先进技术和具体应用对象相结合后的更新换代产品，反映当代最新技术的先进水平。它是微处理器、大规模集成电路、软件技术和各种具体的行业应用技术相结合的结果，其中各种软件技术占了嵌入式系统80%的工作量。嵌入式系统不同于一般PC机上的应用系统，即使是针对不同的具体应用而设计的嵌入式系统之间的差别也很大。嵌入式系统一般功能单一、简单，且在兼容性方面要求不高，但是在大小、成本方面限制较多。可以说，嵌入式系统是不可垄断、需要不断创新的技术。嵌入式系统发展历史嵌入式系统最早出现于在20世纪60年代，用于对电子机械电话交换的控制，当时被称为“存储式程序控制系统”。然而最早的单片机是Intel公司的8048，它出现在1976年。而后Motorola同时推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，这些早期的单片机均含有256字节的RAM、4K的ROM、4个8位并口、1个全双工串行口、两个16位定时器。之后在80年代初，Intel又进一步完善了8048，在它的基础上研制成功了8051，这在单片机的历史上是值得纪念的一页，迄今为止，51系列的单片机仍然是最为成功的单片机芯片，在各种产品中有着非常广泛的应用。从20世纪七十年代单片机的出现到各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。嵌入式计算机的真正发展是在微处理器问世之后。1971年11月，Intel公司成功地把算术运算器和控制器电路集成在一起，推出了第一款微处理器Intel4004，其后各厂家陆续推出了许多8位、16位的微处理器。而为了灵活兼容考虑，出现了系列化、模块化的单板机。流行的单板计算机有Intel公司的iSBC系列、Zilog公司的MCB等。用户和开发者都希望从不同的厂家选购最适合的OEM产品，因此希望插件相互兼容，从而导致了工业控制微机系统总线的诞生。1976年Intel公司推出Multibus，1983年扩展为带宽达40MB/s的Multibus。1978年由Prolog设计的简单STD总线广泛应用于小型嵌入式系统。20世纪80年代可以说是各种总线层出不穷、群雄并起的时代。随着微电子工艺水平的提高，集成电路制造商开始把嵌入式应用中所需要的微处理器、I/O接口、A/D、D/A转换、串行接口以及RAM、ROM等部件全部集成到一个VLSI中，从而制造出面向I/O设计的微控制器，即俗称的单片机。其后发展的DSP产品则进一步提升了嵌入式计算机系统的技术水平，并迅速渗入到消费电子、医疗仪器、智能控制、通信电子、仪器仪表、交通运输等各个领域。面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功耗发展。TI推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引导着微控制器向32位高速智能化发展。21世纪无疑是一个网络的时代，将嵌入式系统应用到各类网络中也必然是嵌入式系统发展的重要方向。嵌入式系统在各个领域应用的发展潜力巨大，其在医疗仪器领域的应用也越来越广泛。嵌入式系统的特点(1)、嵌入式系统的特点是面向特定应用。嵌入式CPU与通用型最大的不同就是嵌入式CPU大多工作在特定用户群设计的系统中。它具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式设计趋于小型化，移动能力大大增强。(2)、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中选择处理器时更具有竞争力。(3)、实时操作系统的支持。能够保证程序执行的实时性与可靠性，从而减少开发时间，保障软件质量。(4)、嵌入式系统与具体应用相结合，其升级与换代也和具体应用同步进行。因此，嵌入式系统产品有较长的生命周期。(5)、嵌入式系统的软件都固化在存储芯片或单片机中，而不是存储在磁盘等载体中，所以能提高程序的执行速度与可靠性。(6)、嵌入式系统需要专用开发工具的支持。其必须具有专门的开发工具与开发环境才能进行开发。一般基于通用的计算机设备、逻辑分析仪和信号示波器等。(7)、可扩展的处理器结构，以便最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器；医疗仪器设备的最新发展趋势近期，德国、澳大利亚都分别明确表示要在儿童医疗和全民医疗领域加大投入。而我国和墨西哥这样的发展中人口大国也将继续其备受世人瞩目的医疗改革。今天，越来越多的高科技手段开始运用到医疗仪器的设计中。心电图、脑电图等生理参数检测设备，各类型的监护仪器、超声波、X射线成影设备、核磁共振仪器以及各式各样的物理治疗仪都开始在各地医院广泛使用。远程医疗、HIS、病人呼叫中心、数字化医院等先进理念的出现和应用，使医院的管理比以往任何时候都更加完善和高效，同时病人享受到更加快捷方便和人性化的服务。在技术领域，医疗仪器设备则开始呈现向便携性和网络化发展的趋势。可以随身携带的血压计、血糖仪，可以在家庭或小型社康医院中使用的呼吸机、心电监护仪必然会有越来越大的市场需求。而网络化的进一步普及也正在进入医疗仪器设备领域，通过有线或无线技术，医生可以远程访问病人的资料；数字化网络化的医疗检测设备使病人不必再携带大量的检测资料奔波在医院的各个科室甚至是远隔千里的不同医院之间，从而节省了就医者的时间和重复检测的费用。嵌入式系统在医疗仪器设备中的应用由于医疗仪器设备固有的自身特点和以上提到的最新发展趋势的要求，用于医疗仪器设备的技术和系统也应该与这些特点和要求相适应。嵌入式系统应用于医疗仪器设备，符合发展趋势带来的要求和变化。医疗仪器领域大量医疗仪器的应用，如心脏起搏器、放射设备及分析监护设备，都需要嵌入式系统的支持。各种化验设备，如肌动电流描记器、离散光度化学分析、分光光度计等，都需要使用高性能的、专用化的DSP系统来提高其精度和速度。引入嵌入式系统后，现有的各种监护仪的功能与性能都将得到大幅度的提高。在医疗仪器的设计方面，有三个设计策略非常重要：一是采用模块化设计方法，采用这种方法可以在基本的平台上设计出不同型号的产品；二是背板设计方法，每个大系统一般都会有背板，上面可以插很多不同的板，它可以使系统的速度很快；三是便携产品。由于嵌入式系统具有的特点，上述医疗仪器设计策略都可以采用嵌入式系统实现。在医疗仪器的设计过程中，根据需要对嵌入式系统重新编程，可避免前端流片成本，减少相关订量，降低芯片多次试制的巨大风险。而且设计人员能够反复使用公共硬件平台，在一个基本设计基础上，建立不同的系统，支持各种功能，从而大大降低了生成成本。使产品具有较长的生命周期，可以保护医疗仪器不会太快过时，使医疗行业的产品生命周期增长。嵌入式系统还可为医疗仪器设备设计、生产和使用提供先进的技术支持。嵌入式系统在医疗仪器领域中的应用前景随着信息技术的发展，数字化产品空前繁荣。嵌入式软件已经成为数字化产品设计创新和软件增值的关键因素，是未来市场竞争力的重要体现。从医疗仪器领域来看，除了新的传感检测技术不断运用推广之外，对所采集信息的分析、存储和显示也提出了更高的目标。这就要求现代的医疗仪器具备更强大的计算和存储能力以及更稳定可靠的性能。另外，医疗仪器作为一个特殊的行业，又要求设备能够达到更高级别的环保要求。如何进一步地智能化、专业化、小型化，同时做到低功耗、零污染，将会是一个无止境的追求过程，这为嵌入式系统在医疗仪器中的应用提供了更广阔的天地和更高的要求。我国目前有19.2万家医疗卫生机构，拥有的医疗仪器设备中有15%是上世纪70年代前后的产品，需要更新换代，这将会推动未来几年甚至更长一段时间我国医疗仪器设备需求增长。2007是医疗体制改革启动之年，政府加大了公共卫生基础设施的投入，给医疗仪器带来较大的发展空间。根据“十一五”规划，2007年“新农村合作医疗”试点覆盖面将逐步扩大，2008年在全国基本推行，2010年实现基本覆盖农村居民的目标，这对于我国医疗仪器将是重大利好。同时，中国医疗仪器产品结构的调整，对嵌入式系统应用于医疗仪器也提供了一个很好的发展机会，同时也对嵌入式系统的开发者提出了新的挑战，开发出的产品除了应具有独特的创新功能外，开发者还应遵循一定的原则。只有这样，才能使嵌入式系统在医疗仪器中的应用事半功倍。参考文献1蒋红兵.工程技术人员在医疗设备引进和管理中的作用J.医疗卫生装备,2012.代永陆.2张海涛.嵌入式系统的设计及应用.北京:科学出版社.2010.3孙天泽.机遇与竞争并存2007年的嵌入式市场.程序员.2008.4黄代强.智能化医院建设探析J.中国卫生工程学.2006.5唐晓英.刘伟峰.基于嵌入式的多参数健康监护系统.电子应用技术.2006.6PontMJ.时间触发嵌入式系统设计模式:使用8051系列微控制器开发可靠应用M.中国电力出版社.2010.7耿德根.AVR高速嵌入式单片机原理与应用M.北京:北京航空航天大学出版社.2011.8刘晓东.罗宏.王兢业等.超声影像信息系统的设计与实现医疗设备信息.2005.