利用混合信號(hào)FPGA推動(dòng)臨床醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備的發(fā)展

利用混合信號(hào)FPGA推動(dòng)臨床醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備的發(fā)展

當(dāng)前，由于醫(yī)療服務(wù)成本的不斷攀高、慢性病的流行、人口的老化，以及中國、印度和巴西等大規(guī)模新興市場的崛起，對(duì)價(jià)格低廉、穩(wěn)健可靠的醫(yī)療設(shè)備的需求非常龐大，以期改善全球數(shù)百萬病患的治療和護(hù)理?xiàng)l件，并擴(kuò)大疾病治療范圍。因此，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員正在研究來自不同行業(yè)的新技術(shù)，致力于增強(qiáng)下一代設(shè)備的診斷、監(jiān)控和治療能力。

　　為使醫(yī)療設(shè)備價(jià)格更低廉、更便于病患使用，有兩種趨勢隨之出現(xiàn)—小型化與便攜性。今天，醫(yī)療設(shè)備制造商能夠把整個(gè)系統(tǒng)整合在一個(gè)手掌大小甚至更小的便攜式設(shè)備中。比如，EKG(心電圖)、血液透析儀和病患監(jiān)控器等臨床醫(yī)療設(shè)備都是醫(yī)院/診所的必備裝置，它們的體積也在不斷縮小。曾經(jīng)必須固定在墻上的龐大設(shè)備，如今已可配備在移動(dòng)診所、救護(hù)車甚至醫(yī)生的“應(yīng)診”包中。

　　小型化和便攜性發(fā)展趨勢的寓意之一是這些復(fù)雜儀器必須足夠可靠，能夠適用于更大范圍的工作環(huán)境。以往，這些儀器只要能夠在潔凈的操作室、診所或?qū)嶒?yàn)室正常工作就夠了。但如今，現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備還必須能夠在移動(dòng)診所或救護(hù)車?yán)锾峁┫嗤木群涂煽啃浴?duì)醫(yī)療設(shè)備而言，一般是沒有出錯(cuò)的余地的。

　　許多臨床醫(yī)療設(shè)備都是基于微處理器的機(jī)電裝置，采用同一套構(gòu)建模塊：功率控制和溫度管理;包括鍵盤、LCD監(jiān)視器和音頻控制的用戶接口;用于數(shù)據(jù)記錄的Flash或EEPROM;以及用于連接其它機(jī)器的設(shè)備接口。雖然存在眾多相似性，但每個(gè)醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備的專用性仍然相當(dāng)強(qiáng)，而且往往非常復(fù)雜。譬如，EKG設(shè)備無法清除血液中的廢物，而血液透析儀也不能診斷心臟病。

　　因此，除了“核心”構(gòu)建模塊之外，臨床醫(yī)療設(shè)備還包含了對(duì)應(yīng)于自身任務(wù)獨(dú)特的診斷或功能性“模塊”。例如，超聲波檢測儀包含一個(gè)傳感器探頭，具有傳感器脈沖控制功能，而血液透析則采用了一個(gè)透析器。這些千變?nèi)f化的特性和要求以及復(fù)雜的功能性都集成在小占位面積、低功耗、高精度且工作可靠的芯片中，使臨床醫(yī)療設(shè)備成為可重編程非易失性半導(dǎo)體技術(shù)的一個(gè)絕佳市場。

　　特別地，基于 Flash 的混合信號(hào)FPGA尤其適合于臨床醫(yī)療應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儾坏邆涓呒啥取?a href="http://ttokpm.com/v/" target="_blank">智能功率及系統(tǒng)管理功能，還擁有小占位面積和高度可靠等特性。這些優(yōu)勢有助于臨床醫(yī)療設(shè)備(如血液透析儀)滿足電池規(guī)范、減小設(shè)計(jì)占位面積，將熱耗散降至最低并確保這些體積日益縮小的醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備可靠運(yùn)作。 市場分析機(jī)構(gòu)Gartner Dataquest指出，對(duì)半導(dǎo)體而言，醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備是增長最快的領(lǐng)域之一。2008年9月Gartner預(yù)估2008年半導(dǎo)體的醫(yī)療電子產(chǎn)品市場約為34.2億美元，到2012年將增長到44.8億美元，其中FPGA約占總額的3.23億美元。

　　臨床醫(yī)療設(shè)備實(shí)例—血液透析儀

　　血液透析儀經(jīng)專門設(shè)計(jì)以過濾血液、連續(xù)控制和監(jiān)控靜脈和動(dòng)脈血壓，并在治療期間管理抗凝劑的給藥。一次血液透析一般為時(shí)3~5小時(shí)，大約每周做三次。在透析時(shí)，血液從人體抽取到血液透析儀中。儀器里的透析器 (過濾器) 對(duì)人體產(chǎn)生的代謝廢物進(jìn)行清除，使血液恢復(fù)正常的電解液平衡，并去除人體的多余體液。然后，再把清潔的血液送回人體內(nèi)。

　　為了實(shí)現(xiàn)其主要功能，血液透析儀采用數(shù)個(gè)微控制器，用于監(jiān)視和控制血液與其它體液的流動(dòng)、發(fā)出警報(bào)，以及在必要時(shí)關(guān)閉儀器(見圖1)。圖1所示為典型血液透析儀的某些功能。功率控制模塊執(zhí)行溫度感測以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，也執(zhí)行看門狗和電池備份功能。用戶模塊通過鍵盤或觸摸屏輸入病患信息，進(jìn)行治療參數(shù)的定制。它還能夠協(xié)助醫(yī)療服務(wù)提供者更好地監(jiān)控透析期間病患的身體狀態(tài)和治療效果。

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數(shù)據(jù)記錄/通信接口則管理 Flash/EEPROM以及通信端口的使用。音頻/警報(bào)輸出功能只要通過幾個(gè)模塊和控制器就能實(shí)現(xiàn)，發(fā)出狀態(tài)警報(bào)。

　　信號(hào)調(diào)理/傳感器控制模塊與透析儀及導(dǎo)管等系統(tǒng)機(jī)械部件緊密集成，共同控制各種抗凝劑的給藥;利用比較器、通用高精度運(yùn)放以及ADC來控制和感測溫度;控制透析液的混合和流動(dòng)，及其他臨床治療功能。

　　泵/電機(jī)控制及驅(qū)動(dòng)器電路管理設(shè)備中眾多的泵、閥、電機(jī)和加熱器，動(dòng)脈和靜脈控制功能則監(jiān)控電平和壓力傳感器。有趣的是，盡管泵/電機(jī)控制和動(dòng)脈/靜脈控制監(jiān)控器是血液透析儀所獨(dú)有的，圖1中其他控制器中不少是大多數(shù)臨床醫(yī)療設(shè)備常用的。

　　各種功能與混合信號(hào)FPGA的集成

　　今天的單芯片閃存混合信號(hào)FPGA帶有集成式模擬功能、Flash、FPGA構(gòu)架，常常還有嵌入式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微處理器。因此，它們能夠執(zhí)行臨床醫(yī)療設(shè)備的系統(tǒng)管理、功率管理和熱管理，以及控制功能—從系統(tǒng)上電/斷電功能及數(shù)據(jù)記錄到溫度和電壓感測。

　　有了混合信號(hào)FPGA，系統(tǒng)板上的許多元件都變得多余而得以去除，包括Flash、PWM、分立式模擬IC、時(shí)鐘源和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。由于基于Flash的FPGA把它們的配置信息存儲(chǔ)在片上Flash單元中，故無需像基于SRAM的FPGA那樣在系統(tǒng)上電時(shí)加載外部配置數(shù)據(jù)。因此，每次系統(tǒng)上電時(shí)，這些Flash混合信號(hào)FPGA不需要EEPROM或微控制器這樣的單獨(dú)系統(tǒng)配置元件來加載器件配置數(shù)據(jù)。這就降低了系統(tǒng)成本和板卡空間要求，同時(shí)提高了醫(yī)療設(shè)備的安全性和系統(tǒng)可靠性。

　　此外，這些高度集成的器件讓設(shè)計(jì)人員能夠把原本由數(shù)個(gè)分立元件所提供的功能完全整合在單個(gè)高度可靠的混合信號(hào)FPGA中。圖1中的功能性模塊 (圖1中的灰色區(qū)域) 就是典型血液透析儀中這種集成度的體現(xiàn)。

　　例如，可能包含看門狗部件、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器和溫度傳感器的功率控制模塊就可以由單個(gè)混合信號(hào)FPGA器件所代替?；旌闲盘?hào)FPGA還能夠提供原本由電機(jī)/泵驅(qū)動(dòng)器模塊提供的全部功能，包括微處理器和ADC。

　　透析儀中的用戶接口通常包含有鍵盤、觸摸屏或 LCD顯示屏，以及揚(yáng)聲器。設(shè)計(jì)良好的接口可讓醫(yī)療服務(wù)提供者更好地監(jiān)控病患狀態(tài)，有效執(zhí)行治療方案。用戶接口、音頻/警報(bào)和數(shù)據(jù)記錄/通信模塊可以集成在一個(gè)混合信號(hào)FPGA芯片中。該器件中的嵌入式微處理器和Flash能夠完成數(shù)據(jù)記錄任務(wù)，而其他IP解決方案可協(xié)助管理數(shù)據(jù)輸入、警報(bào)及其他任務(wù)。

　　在血液透析儀中，功率和熱管理單元執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，比如血液的溫度感測和系統(tǒng)上電/斷電功能(如圖2所示)。精確測量溫度并控制系統(tǒng)功率可能會(huì)增加成本，但也會(huì)提高設(shè)備的可靠性，從而延長產(chǎn)品的使用期限和病患的壽命?，F(xiàn)今混合信號(hào)FPGA中的模擬電路使得這些關(guān)鍵性功能得以輕易集成和實(shí)現(xiàn)。

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　結(jié)語

　　由于醫(yī)療服務(wù)成本的不斷攀高、慢性病的流行以及人口老化，對(duì)價(jià)格低廉、易于使用且可靠的醫(yī)療設(shè)備的需求非常巨大，以期改善全球醫(yī)療服務(wù)。對(duì)于從家庭應(yīng)用到臨床醫(yī)療的多種醫(yī)療設(shè)備，兩種趨勢隨之出現(xiàn)：即小型化和便攜性。

　　許多臨床醫(yī)療設(shè)備都是基于微處理器的機(jī)電裝置，采用同一套構(gòu)建模塊：功率控制和溫度管理;包括鍵盤、LCD監(jiān)視器和音頻控制的用戶接口;用于數(shù)據(jù)記錄的Flash或E2PROM;以及用于連接其他機(jī)器的設(shè)備接口。雖然存在眾多相似性，但各個(gè)醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備的專用性仍然相當(dāng)強(qiáng)，而且往往非常復(fù)雜。因此，除了 “核心”元件之外，臨床醫(yī)療設(shè)備還包含了對(duì)應(yīng)于自身任務(wù)的獨(dú)特的診斷或功能性“模塊”。這些千變?nèi)f化的特性和要求以及復(fù)雜的功能性都集成在小占位面積、低功耗、高精度且工作可靠的芯片中，使臨床醫(yī)療設(shè)備成為可重編程非易失性半導(dǎo)體技術(shù)的一個(gè)絕佳市場。

　　特別地，基于Flash的混合信號(hào)FPGA尤其適合于這些應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儾坏邆涓叨燃尚?、智能功率及系統(tǒng)管理功能，還擁有小占位面積和高度可靠等特性。這些優(yōu)勢有助于臨床醫(yī)療設(shè)備滿足電池規(guī)范、減小設(shè)計(jì)占位面積、把熱耗降至最低并確?？煽抗ぷ鳌４送?，由于無需分立式器件，加之將處理功能、模擬輸入及輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及Flash等多項(xiàng)功能集成在單個(gè)混合信號(hào)FPGA中，還可提高可靠性、降低成本和功耗，并最大限度地減小板卡空間。