Android應用于嵌入式醫(yī)療設備中優(yōu)勢分析

在過去十年，特別是在最近幾年，對如何將“重量級”的主流操作系統(tǒng)(OS)，如Windows、Windows CE和Linux用于醫(yī)療設備，開發(fā)人員的興趣顯著提升。推動因素有很多，如今的醫(yī)療設備用戶希望醫(yī)療設備擁有多個高級接口，并且很多開發(fā)人員已經有在臺式電腦和服務器上使用這些操作系統(tǒng)和相關工具的經驗。就在不久前，如果想要選擇一款功能豐富的操作系統(tǒng)，用于嵌入式醫(yī)療設備的開發(fā)，那么有兩個典型的選項：微軟Windows CE（有時是桌面Windows本身）或Linux（或其它Unix變體）。

在二者中，Windows CE的優(yōu)勢在于，它是一款完全集成的開發(fā)平臺，從設備驅動程序一路到應用程序框架。有些開發(fā)人員可能不太喜歡Windows CE，但Windows CE可以一種快速而簡單且難度最小的方式啟動某個項目，這一點幾乎很少有人會反駁。CE同樣存在不足之處：使用需要支付版稅，并且其代碼庫被微軟公司控制。但值得注意的是，后者也會帶來一些好處。

Linux和其它Unix變體具有免費和開放源碼的優(yōu)勢，但一直以來，若要將它們用于嵌入式設備（尤其是那些配置有高級用戶接口的設備），存在很大障礙。 Linux操作系統(tǒng)原本設計用于臺式機/服務器，且典型分布包含有很多特性（要占用幾兆字節(jié)空間和幾個CPU周期），但嵌入式系統(tǒng)根本不需要或者極少用到這些特性。因此，一直以來，若要在Linux操作系統(tǒng)中啟動某個嵌入式新項目，需要多名開發(fā)人員花上幾周的時間來創(chuàng)建輕量級（lightweight）軟件映像，帶有所需的功能子集，并且有附加的供嵌入使用的資源。雖然手動搭建Linux映像可以優(yōu)化事件，但結果仍然沒有被完全優(yōu)化—有許多用于臺式機的重要代碼不能被削減，并且它們不能高效地利用存儲器、CPU和/或功率。

因此，在過去，要么選擇容易上手的專利系統(tǒng)（Windows CE），或是選擇需要開展大量工作才能啟動的免費和開放的系統(tǒng)（Linux和Linux家族）。

谷歌的Android操作系統(tǒng)進入嵌入領域的時間相對短一些。從根本上講，Android的目的是在Linux操作系統(tǒng)的基礎提供一款功能全面的嵌入式系統(tǒng)框架?？偟膩碇v，Android旨在使Linux /免費軟件像Windows CE一樣即開即用、易于使用。

谷歌在2007年11月首次發(fā)布Android，當時它被定位成一款針對智能手機的操作系統(tǒng)。Android已經取得明顯成功：在不到三年的時間里，Android已經成為最流行的智能手機操作系統(tǒng)，全球有一半的智能手機使用Android操作系統(tǒng)。每年有10000萬臺Android手機進入市場。

開發(fā)人員后來迅速地意識到：除了手機之外，Android在嵌入式應用中也大有用武之地。當前的很多嵌入式設備和手機具有很多相同的屬性：小尺寸液晶顯示屏/觸摸屏、豐富的圖形用戶界面、低功耗處理器、豐富的連接選項（蜂窩、無線、藍牙，等）、電池供電、等等。

因為要考慮可靠性問題，在采用新技術這一塊，醫(yī)療設備開發(fā)人員一直以來稍稍落后。在等到新技術成熟之后，再將其用于美國FDA監(jiān)管的設備，這樣做很重要。但是Android操作系統(tǒng)是雜交品種：雖然這項技術相對較新，但是Android是以Linux技術為基礎的，而經過檢驗的Linux技術已經在行業(yè)中為人所熟知。

Android是什么？

Android是一款完整的操作系統(tǒng)和應用框架，設計用于ARM處理器。

Android在根本上使用的是Linux，但為了將其搭建成一款用于快速開發(fā)的完整框架，谷歌從以下多個方面對其進行了升級和擴展：

1． Android內核支持用于實現(xiàn)更高效電源管理的擴展，并對進程之間的通信進行了修改。

2． Android用自己的Bionic替換了Glibc庫。Bionic庫占用的容量小且速度快，并且Bionic庫支持BSD授權而不是GPL授權，從而使用戶不需要GPL授權。

3．包括有嵌入應用程序需要經常用到的多個庫，如WebKit（網頁渲染）、媒體框架、SQLLite和其它庫。

4．有一個硬件抽象層，用于定義硬件驅動程序所需要的接口。

5．機器人運行環(huán)境，由Dalvik，優(yōu)化用于嵌入式應用的Java虛擬機和用于應用程序開發(fā)的核心Java API組成。盡管Android的“主導模式”是在Java環(huán)境下開發(fā)應用程序，但也可以用C和其它語言來編寫應用程序，然后使用本地開發(fā)工具包將其編譯成本地ARM代碼。

6． Android應用程序框架，用于實現(xiàn)Java Android應用程序的面向對象的標準結構。

Android是開源的，但設計目標是為了將商業(yè)開發(fā)人員與GPL更好地分隔開。Linux內核在GPL之下，但Android其余大部分的內容以更為較寬松的Apache授權進行發(fā)布，允許其在專有和開源開發(fā)中使用。簡單來說，相比標準Linux，Android讓授權變得更加簡單和明了。

谷歌還開發(fā)了一套非開源的應用程序，包括Android Market和GPS套件。它們主要被用于手機。

要不要在我的醫(yī)療設備中使用Android？

給醫(yī)療設備選定操作系統(tǒng)，在很大的程度上和為任何其它設備選擇操作系統(tǒng)是一樣的：我們選擇我們認為能夠將醫(yī)療設備的價值在其生命周期內最大化的操作系統(tǒng)。需要考慮的因素包括：

產品能多快上市？

開發(fā)成本為多少？

這一選擇將如何影響我們銷售商品的成本？

授權費用為多少？

一旦我們的產品推向市場之后，維持技術性成本需要多少錢？

我們對我們的時間/成本估算有多大的信心？

如果是一個醫(yī)療項目，則還要包括以下一個額外的問題：

做這個選擇，是否能得到一款風險能被病人和用戶所接受的設備？

眾所周知，醫(yī)療器械和其它大多數(shù)設備不同，因為醫(yī)療器存在重大風險，特別是病人而言。依據醫(yī)療設備對病人的危險程度以及FDA認為合理的監(jiān)管審查力度，F(xiàn)DA將所有醫(yī)療設備劃分為三大類。

I類設備的風險最小，包括像壓舌板、繃帶和基本的手術器械。 II類設備具有中等風險，包括心電圖機、X光機、血液氣體分析器和輸液泵。III類設備的風險最高，包括植入式除顫器，人工心臟瓣膜和植入式小腦刺激器。

相比主要針對可靠性而設計的更小型、更方便測試的操作系統(tǒng)，重量級操作系統(tǒng)（如Android）基本上更容易出現(xiàn)故障。這倒不是說重量級操作系統(tǒng)必然經常出故障。對于許多設備而言，每年一次重新啟動來修復軟件鎖定就可以了。因此，所以，考慮到重量級操作系統(tǒng)所具有的用戶界面更好、上市速度更快以及其它優(yōu)點，偶爾重新啟動帶來的不便可以被原諒。但是，對于植入式除顫器來說，每年重新啟動一次可能是不行的。

依據通常的經驗，Android和與之類似的操作系統(tǒng)適用于I類和II類設備，而III類設備通常需要使用具有高可靠性的更小型的操作系統(tǒng)。當然，每臺設備的情況不同。不論是開發(fā)何種醫(yī)療設備，我們都要充分考慮和了解與操作系統(tǒng)相伴隨的風險。

一個用于獲得“兩全其美”的方法是將處理任務分成兩部分：用一個采用高可靠操作系統(tǒng)的處理器來執(zhí)行核心功能，用一個采用重量級OS的處理器來處理沒那么重要的任務。輸液泵就是一個例子，一個采用高可靠性操作系統(tǒng)的處理器在輸液過程中控制電機，而另一個運行Android的處理器則運行GUI、通信，等等。請注意，用到兩個處理器的解決方案并不是一個立竿見影的靈丹妙藥。需要充分考慮和詳細規(guī)劃。要確保醫(yī)療設備的安全性和可測試性。

用戶眾多的優(yōu)勢

如果你所設計的嵌入式設備選擇使用Android，那么有成千上萬部手機所運行的Android堆棧和你的嵌入式設備所運行的Android堆棧，在本質是相同的。有大量的用戶在查找Android操作系統(tǒng)的漏洞，同時有龐大的開發(fā)社區(qū)致力于修復這些漏洞。盡管Android的可靠性不如輕量級專用操作系統(tǒng)，但和從零開始開發(fā)Linux堆棧相比，Android是一款經過徹底調試的系統(tǒng)。此外，目前有超過10萬款支持Android的應用程序，其中有很多程序可以簡化和加速開發(fā)過程。這就是說，Android開發(fā)并不是很復雜，有龐大的開發(fā)人員群支持Android。

對于那些對軟件可靠性要求不高，且價格可以支持所需硬件的醫(yī)療設備，Android具有很強的競爭力。它在功能、資源需求和生產力之間做了很好的平衡，并且具有以規(guī)模龐大且繁榮的Linux產業(yè)鏈為基礎的額外優(yōu)勢。