מאת: Patrick O’Doherty, Analog Devices
טכנולוגיה חדשנית, המפותחת על-ידי חברות המוליכים למחצה, מאפשרת תכנון של התקנים רפואיים המשפרים את הטיפול במיליוני אנשים מסביב לעולם. מחירי הטיפול הרפואי הממריאים, השכיחות של השמנת-יתר ומחלות כרוניות והעלייה הדרמטית באוכלוסיה הבוגרת יוצרים ביקוש גובר של התקנים רפואיים זולים ואמינים, כולל אלה עבור ניטור מטופלים, הדמיה רפואית ומכשור. כיום, יותר מאשר אי-פעם בהיסטוריה החדשה, תעשיית המוליכים למחצה סוללת את הדרך לקידום התקנים רפואיים אשר מצילים אין-ספור חיים ומקטינים מאוד את עלויות הטיפול הרפואי.
ההתקנים הרפואיים הגדולים של אתמול תוכננו מחדש כיחידות הניידות של היום, אחדות מהן בגודל של טלפון נייד או אף קטנות יותר. התקנים רפואיים אחדים, כגון מערכות אולטרא-סאונד, שהיו בעבר זמינות רק בבתי-חולים ובמרפאות עירוניות גדולות, משמשים עתה במרפאות של רופאים כפריים ובאמבולנסים. ככל שהמזעור והניידות של ציוד רפואי עולה, יצרני המוליכים למחצה נדרשים לפתח שבבים משובצים ביותר אשר יספקו את הטכנולוגיה לדור הבא של התקנים רפואיים, כולל מערכות ניידות קלות יותר וקטנות יותר.
מערכות ניטור מטופלים
ציוד לניטור מטופלים מאפשר השגחה מתמדת של חולים במחלות קריטיות, ללא תלות במיקום שלהם בתוך בית-החולים, ולעתים בעלות נמוכה יותר מאשר שימוש במערכות מסורתיות הצמודות למיטת החולה. ניטור המטופל כולל אלקטרו-קרדיוגראמה (EKG), מדי-לחץ דם, טמפרטורה, חמצון הדם, נשימה ולעתים פונקציות של דפיברילטורים (AED) המכילים לרוב ממירים אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs), מגברים בעלי רעש נמוך, מגברי מכשור והצירוף של פונקציות אנלוגיות אשר היה קיים בשטח מזה שנים רבות. אלה הן מערכות בוגרות, בעלות-ביצועים גבוהים, בהן יצרני המוליכים למחצה השקיעו כמות גדולה של דולרים במגמה לפתח שבבים חדשניים.
בעוד מערכות אלו היו ממוקמות בעבר לרוב ליד מיטת החולה, הן הפכו עתה לקטנות דיין כדי לתלות אותן על החגורה של המטופל. בעתיד הקרוב, EKGs, מדי לחץ-דם ומנטרי פעילות ישולבו עם פונקציות של תקשורת אלחוטית אשר יאפשרו למטופלים להימצא בביתם ועדיין ליהנות מניטור בטוח ואמין של אותות-חיים בזמן-אמת. דבר זה, במהות, יפחית את העלות הכוללת של הטיפול.
הצורך בהתקני ניטור מטופלים ביתיים התרחב הודות למספר הגובר של תינוקות הדורשים טיפול ביתי אינטנסיבי. לפי ארגון הבריאות העולמי, מספר האנשים בעולם בגיל 60 או יותר היה 650 מיליון בשנת 2006. מספר זה צפוי לגדול עד 1.2 מיליארד בשנת 2025. בארה”ב, אוכלוסיית בני ה-65 ויותר מכילה עתה חלק גדול יותר מהאוכלוסייה מאשר אי-פעם בעבר, ומספר זה צפוי לגדול בהתמדה במשך המאה ה-21.
“בשל האוכלוסייה המזדקנת בהתמדה, מגזר הטיפול בבריאות עומד בפני עלויות מרקיעות שחקים עבור החולים במחלות כרוניות”, אומר Paul Errico, מנהל שיווק אסטרטגי עולמי של צוות המגזר של Analog Devices’ Healthcare. “כיום התקנים רפואיים, המתוכננים עבור שימוש ביתי, יכולים לנטר לחץ דם, רמות הגלוקוזה וקצבי הלב, ולהזעיק רופאים במקרה הצורך. דבר זה מבטל או מצמצם את הצורך בביקורים יקרים במרפאות ובבתי-חולים, ומספק יתרונות גדולים עבור חולים שאינם חיים בקרבת רופא או בית-חולים”.
כדי להפוך לגורם עיקרי בדרך בה מנוהל הטיפול בחולים, מערכות ניטור חולים צריכות להיות תואמות ביניהן ועם כל מקור אחר הדרוש של מידע על החולה. בעוד התאום בתפעול בין המערכות עדיין לא הושג במלואו, הוא מהווה קדימות עבור תעשיות הטכנולוגיה הרפואית והמידע. ה- Continuous Health Alliance, לדוגמה, היא ארגון העובד עם המובילים בתעשיית הטכנולוגיה, ההתקנים הרפואיים והטיפול הרפואי כדי לקבוע מערכת של פתרונות של פעולה הדדית.
הדמיה רפואית
השימוש בציוד הדמיה רפואית, כולל CT (טומוגרפיה ממוחשבת), סורקים ומערכות אולטרא-סאונד, מוסיף לגדול בשעה שהשיפורים בטכנולוגיה יוצרים תמונות יותר ברורות, יותר מפורטות, של גוף האדם לשם ניתוח ואבחון של הרופא. זירת ההדמיה הרפואית ראתה עלייה דרמטית במספר המניות –לערוץ וגם התמקדות הולמת של חברות המוליכים למחצה על שילוב, הספק נמוך ועלות-לערוץ מופחתת. אולטרא-סאונד, CT, הדמיית תהודה מגנטית (magnetic resonance imaging – MRI) וטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (positron emission tomography – PET), הן כולן מערכות רבות-ביצועים המקדמות רכיבים תקניים במונחים של הספק, מהירות, דיוק ותחום דינמי.
לפני מספר שנים, מערכות אולטרא-סאונד ניידות דמו למחשב מחברת. כיום, מערכות אולטרא-סאונד משתמשות בגורמי צורה של PDA או טלפונים ניידים והן קטנות דיין כדי שרופאים ישאו אותן בכיסיהם והשתמשו בהן כרצונם. דבר זה משנה מאוד את השימוש בטכנולוגיית האולטרא-סאונד במונחים של טיפול בחולה. אין צורך לומר, דרישות ההספק והממדים של מערכות אולטרא-סאונד ניידות השתנו בצורה דרמטית במערכות של היום.
“מתכנני ציוד רפואי נדרשים לספק איכות תמונה גבוהה וביצועים אמינים מבלי לסכן את יעילות ההספק בהתקנים שהם לעתים בקושי יותר גדולים מאשר יד-אדם”, אומר Scott Pavlik, מנהל שיווק אסטרטגי עולמי של צוות הטיפול הרפואי של Analog Devices. “כדי להשיג זאת, מתכננים מסתמכים על שיפורים משמעותיים בטכנולוגיות-יסוד, במיוחד בשילוב של רכיבי מוליכים למחצה. החידושים של המעגלים המשולבים של אולטרא-סאונד לא רק מקלים על משימות המתכנן, אלא גם מאפשרים התקדמות משמעותית בביצועים, ממדים והספק של ציוד אולטרא-סאונד – וגורמים ליכולות מוצרים גדולות יותר והזדמנויות שיווק מורחבות”.
מערכות אולטרא-סאונד מורכבות מארבעה רכיבים עיקריים: מגבר בעל רעש-נמוך (low-noise amplifier – LNA), מגבר בעל שבח משתנה (variable gain amplifier – VGA), מסנן מבטל מדרוג עקומות (anti-aliasing filter – AAF), וממיר אנלוגי-לדיגיטלי מהיר (ADC). ב-2007 , Analog Devices הכריזה על שבב האולטרא-סאונד האנלוגי המשולב הראשון. ה-AD9271 החליף פתרונות דיסקרטיים קודמים במעגל משולב יחיד אשר שילב שמונה ערוצים, כאשר כל אחד כולל LNA, VGA, AAF ו-ADC של 12 ביט. רמת שילוב ללא תקדים זו מאפשרת למתכנני ציוד רפואי להקטין את גודל נתיב האות של מערכות אולטרא-סאונד ניידות ב-50% ולהפחית את דרישות ההספק ב-25%, כל זה תוך השגת רמות רעש ומדדי ביצועים אחרים כנדרש בהתקני טיפול קריטיים.
שילוב איננו אלמנט המפתח העיקרי היחיד שיש להשיג בתכנון של מערכות האולטרא-סאונד הניידות של היום. המערכת צריכה גם להיות גמישה ולהתאים לצרכים של סוגים שונים של חיישן אולטרא-סאונד, כמו גם לאפשר קלות-בשימוש במונחים של שבח מתוכנת, קטעון המסננים וסיומת המערכת. לא די שיצרני המוליכים למחצה יגדירו חלקים מאוד מתוחכמים אלה ויגישו אותם ללקוחות בצירוף דגימות, כרטיסי הערכה ודפי נתונים. דרושים גם כלי תוכנה המאפשרים לחלקים אלה להיות מוערכים בנקל. כל אלה הם עדות שיצרני המוליכים למחצה מתקרבים יותר לעולם מתכנן המערכת.
קיימת הערכה שיותר מ-62 מיליון סריקות CT מבוצעות כל שנה בארה”ב. הדמיית CT משלבת ציוד קרני X מיוחד עם מחשבים מתוחכמים כדי ליצור תמונות D-2 ו-D-3 של גוף האדם, במגמה לאבחן בעיות הכוללות סרטן, מחלות עורקי-לב והפרעות שרירים ושלד. במערכת CT, מספר גדול של ערוצי איסוף נתונים מסודרים בפרוסות. מספר גבוה יותר של פרוסות מאפשר לסורקי ה-CT לספק מהר יותר תמונות מפורטות, תוך חשיפת המטופלים למנת קרני X נמוכה יותר.
סורקי CT עכשוויים ועתידיים דורשים עליה משמעותית בספירות הערוץ, אך ממדי המערכת ועלותה אינם יכולים לעלות באותה המידה כמו מספר הספירות בערוץ. החזית האנלוגית, החלק המורכב ביותר של המערכת, הוא קריטי באשר לביצועי המערכת. לכן, כדי לאפשר מניית ערוצים מרובה, מתכנני המוליכים למחצה צריכים לבחון את הדרכים לשלב פונקציונליות גבוהה יותר תוך הורדת צריכת ההספק והעלות.
השיתוף בין מתכנני המוליכים למחצה ומתכנני המערכות הוא קריטי ביותר בתחום ה-CT. במהלך השנים האחרונות, נרשמה כמות עצומה של התקדמות וקידמה בפיתוח ה-CT ובמשך השנים הקרובות מצפים להרבה יותר מזה. Analog Devices, לדוגמה, חשפה לאחרונה שבב הדמיה רפואית חדש המאפשר למערכות CT בעלות מניית פיסות גבוהה ללכוד תמונות נעות בזמן-אמת – כגון לב פועם- בדרגה גבוהה של דיוק ופירוט. ה-ADAS1128 מציע 128 ערוצי המרת נתונים ומאפשר למתכנני מערכות האבחון לפתח סורקי CT המפיקים תמונות ברורות יותר של איברים פנימיים ועצמות תוך הקטנת חשיפת הקרינה בהשוואה למכונות ישנות יותר. דבר זה הוא בעל ערך עליון בתחומים של טיפול קריטי, כגון קרדיולוגיה, נוירולוגיה ואנגיוגראפיה.
מכשור רפואי
פלח שוק ההתקנים הרפואיים כולל בדיקות דם, מדי לחץ-דם, משאבות אינפוזיה ומכונות דיאליזה, כמו גם מגוון רחב של בדיקות מבחנה אחרות.
דוגמה אחת של שימוש בטכנולוגיית מוליכים למחצה חדשנית במערכת מדידה שהיא בעצם בוגרת למדי, היא השימוש בטכנולוגיית מד-תאוצה תלת-צירי במדי לחץ דם. הדרך המקובלת ביותר כדי לקבל קריאה לא נכונה של לחץ הדם היא להחזיק את הזרוע בגובה לא נכון ביחס ללב. השימוש במד-תאוצה תלת-צירי (הזהה לזה המשמש במשחקי מחשב הנוכחיים) למדידת הנטייה של הזרוע מסייע לוודא שקריאת לחץ הדם היא מדויקת.
דרך אופיינית לנתח את הדם לשם אבחון של מצבים רפואיים היא לבחון את מאפייני ה-DNA שלו. כאשר וירוס קיים, מאפייני ה-DNA של הדם משתנים לרוב וכך גם עכבת הדגימה בצורה מרוכבת. על-ידי מיפוי קשרי הוירוס לפרופילי העכבה הללו, אנשי מקצוע בתחום הרפואה יכולים לזהות ולגלות וירוסים בדם. מתכנני מערכת נדרשים לתכנן נתחי ספקטרום בצורת מכשירי מדידה ידניים, אך הם אינם יכולים לבצע את תפקידם בעזרת ההתקנים הדיסקרטיים הקיימים. לכן, עליהם לעבוד עם תעשיית המוליכים למחצה כדי לבחון באם פונקציה זו ניתנת לשילוב בשבב יחיד כפי שנעשה עתה בחזיתות של מדי-עכבה אנלוגיים חדשים.
מוליכים למחצה יכולים ככלל לעשות את מה שדרוש כדי לאפשר מערכות בעלות ביצועים גבוהים. המפתח האמיתי הוא להשיג את הביצועים הנדרשים תוך שמירה על תקציב הספק מערכת מחמיר, דרישות ממדים והיכולת לספק פונקציות ערכיות נוספות שניתן לשלב בתוך פיסת סיליקון אחת כדי להקנות את היתרון הגדול ביותר למערכת. זהו ידע היישומים שחברות המוליכים למחצה מתאמצות לפתח. מבחינה זו, הלקוחות הם המורים שלנו והתוצאה הסופית היא שחברות המוליכים למחצה, יצרני המערכות והחשוב ביותר, המטופלים, ייהנו מהתקשורת היעילה בין מובילי הטכנולוגיה העיקריים.
מהנדסי תכנון רפואי היוצרים את מערכות הטיפול הרפואי האחרונות המיועדות לניהול המחלה, בריאות וחוסן רפואי וחלוקת תרופות, משתמשים במוליכים למחצה כיסוד להמצאת מוצרים מהדור הבא אשר ישנו את פני החיים. התקשורת בין המערכת הרפואית ומתכניי המוליכים למחצה היא חיונית משום שככל שחברות המוליכים למחצה ילמדו אודות הצרכים של מתכנני הציוד הרפואי, כל אלה הזקוקים לטיפול רפואי ייהנו מכך.
