利用混合信號FPGA推動臨床醫(yī)療應用設備的發(fā)展

當前，由于醫(yī)療服務成本的不斷攀高、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，對價格低廉、穩(wěn)健可靠的醫(yī)療設備的需求非常龐大，以期改善全球數(shù)百萬病患的治療和護理條件，并擴大疾病治療范圍。因此，醫(yī)療設備設計人員正在研究來自不同行業(yè)的新技術，致力于增強下一代設備的診斷、監(jiān)控和治療能力。

　　為使醫(yī)療設備價格更低廉、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)療設備制造商能夠把整個系統(tǒng)整合在一個手掌大小甚至更小的便攜式設備中。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備，如今已可配備在移動診所、救護車甚至醫(yī)生的“應診”包中。

　　小型化和便攜性發(fā)展趨勢的寓意之一是這些復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、診所或實驗室正常工作就夠了。但如今，現(xiàn)代醫(yī)療設備還必須能夠在移動診所或救護車里提供相同的精度和可靠性。對醫(yī)療設備而言，一般是沒有出錯的余地的。

　　許多臨床醫(yī)療設備都是基于微處理器的機電裝置，采用同一套構建模塊：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器的設備接口。雖然存在眾多相似性，但每個醫(yī)療應用設備的專用性仍然相當強，而且往往非常復雜。譬如，EKG設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”構建模塊之外，臨床醫(yī)療設備還包含了對應于自身任務獨特的診斷或功能性“模塊”。例如，超聲波檢測儀包含一個傳感器探頭，具有傳感器脈沖控制功能，而血液透析則采用了一個透析器。這些千變萬化的特性和要求以及復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)療設備成為可重編程非易失性半導體技術的一個絕佳市場。

　　特別地，基于 Flash 的混合信號FPGA尤其適合于臨床醫(yī)療應用，因為它們不但具備高集成度、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)療設備(如血液透析儀)滿足電池規(guī)范、減小設計占位面積，將熱耗散降至最低并確保這些體積日益縮小的醫(yī)療應用設備可靠運作。 市場分析機構Gartner Dataquest指出，對半導體而言，醫(yī)療應用設備是增長最快的領域之一。2008年9月Gartner預估2008年半導體的醫(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)療設備實例—血液透析儀

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

　　為了實現(xiàn)其主要功能，血液透析儀采用數(shù)個微控制器，用于監(jiān)視和控制血液與其它體液的流動、發(fā)出警報，以及在必要時關閉儀器(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)行溫度感測以實現(xiàn)風扇驅動，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，進行治療參數(shù)的定制。它還能夠協(xié)助醫(yī)療服務提供者更好地監(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/警報輸出功能只要通過幾個模塊和控制器就能實現(xiàn)，發(fā)出狀態(tài)警報。

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

　　泵/電機控制及驅動器電路管理設備中眾多的泵、閥、電機和加熱器，動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/電機控制和動脈/靜脈控制監(jiān)控器是血液透析儀所獨有的，圖1中其他控制器中不少是大多數(shù)臨床醫(yī)療設備常用的。

　　各種功能與混合信號FPGA的集成

　　今天的單芯片閃存混合信號FPGA帶有集成式模擬功能、Flash、FPGA構架，常常還有嵌入式行業(yè)標準微處理器。因此，它們能夠執(zhí)行臨床醫(yī)療設備的系統(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、時鐘源和實時時鐘。由于基于Flash的FPGA把它們的配置信息存儲在片上Flash單元中，故無需像基于SRAM的FPGA那樣在系統(tǒng)上電時加載外部配置數(shù)據(jù)。因此，每次系統(tǒng)上電時，這些Flash混合信號FPGA不需要EEPROM或微控制器這樣的單獨系統(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，同時提高了醫(yī)療設備的安全性和系統(tǒng)可靠性。

　　此外，這些高度集成的器件讓設計人員能夠把原本由數(shù)個分立元件所提供的功能完全整合在單個高度可靠的混合信號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、風扇驅動器和溫度傳感器的功率控制模塊就可以由單個混合信號FPGA器件所代替。混合信號FPGA還能夠提供原本由電機/泵驅動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，以及揚聲器。設計良好的接口可讓醫(yī)療服務提供者更好地監(jiān)控病患狀態(tài)，有效執(zhí)行治療方案。用戶接口、音頻/警報和數(shù)據(jù)記錄/通信模塊可以集成在一個混合信號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，而其他IP解決方案可協(xié)助管理數(shù)據(jù)輸入、警報及其他任務。

　　在血液透析儀中，功率和熱管理單元執(zhí)行關鍵任務，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)功率可能會增加成本，但也會提高設備的可靠性，從而延長產(chǎn)品的使用期限和病患的壽命。現(xiàn)今混合信號FPGA中的模擬電路使得這些關鍵性功能得以輕易集成和實現(xiàn)。

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　結語

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

　　許多臨床醫(yī)療設備都是基于微處理器的機電裝置，采用同一套構建模塊：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器的設備接口。雖然存在眾多相似性，但各個醫(yī)療應用設備的專用性仍然相當強，而且往往非常復雜。因此，除了 “核心”元件之外，臨床醫(yī)療設備還包含了對應于自身任務的獨特的診斷或功能性“模塊”。這些千變萬化的特性和要求以及復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)療設備成為可重編程非易失性半導體技術的一個絕佳市場。

　　特別地，基于Flash的混合信號FPGA尤其適合于這些應用，因為它們不但具備高度集成性、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)療設備滿足電池規(guī)范、減小設計占位面積、把熱耗降至最低并確保可靠工作。此外，由于無需分立式器件，加之將處理功能、模擬輸入及輸出、實時時鐘及Flash等多項功能集成在單個混合信號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。