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

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摘要：描述了混合信號FPGA在臨場醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用，并以血液透析儀為例加以說明

關(guān)鍵詞：臨床醫(yī)療設(shè)備；血液透析儀；小型化和便攜性醫(yī)療設(shè)備；混合信號FPGA

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，對價格低廉、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)理條件，并擴(kuò)大疾病治療范圍。因此，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計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系統(tǒng)整合在一個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)嶒炇艺９ぷ骶蛪蛄?。但如今，現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備還必須能夠在移動診所或救護(hù)車?yán)锾峁┫嗤木群涂煽啃?。對醫(yī)療設(shè)備而言，一般是沒有出錯的余地的。

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?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(yīng)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(shè)備(如血液透析儀)滿足電池規(guī)范、減小設(shè)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(yīng)用設(shè)備可靠運(yùn)作。市場分析機(jī)構(gòu)Gartner Dataquest指出，對半導(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)備實例一血液透析儀

血液透析儀經(jīng)專門設(shè)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(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(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)行溫度感測以實現(xiàn)風(fēng)扇驅(qū)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(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。

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(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，及其他臨床治療功能。

泵／電機(jī)控制及驅(qū)動器電路管理設(shè)備中眾多的泵、閥、電機(jī)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(jī)控制和動脈／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(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，以及控制功能一從系統(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(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(fēng)扇驅(qū)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FFGA器件所代替?；旌闲盘朏PGA還能夠提供原本由電機(jī)／泵驅(qū)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(yáng)聲器。設(shè)計良好的接口可讓醫(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(wù)，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(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z所示)。精確測量溫度并控制系統(tǒng)功率可能會增加成本，但也會提被備的可靠性，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現(xiàn)。

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，對價格低廉、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EZPROM；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)的一個絕佳市場。

特別地，基于Flash的混合信號FPGA尤其適合于這些應(yīng)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(shè)備滿足電池規(guī)范、減小設(shè)計占位面積、把熱耗降至最低并確?？煽抗ぷ?。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。