混合信號(hào)FPGA促進(jìn)臨床醫(yī)療應(yīng)用發(fā)展

由于醫(yī)療服務(wù)成本的不斷攀升、慢性病的流行、人口的老齡化，以及中國(guó)、印度和巴西等大規(guī)模新興市場(chǎng)的崛起，對(duì)價(jià)格低廉又穩(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(wàn)病患的治療和護(hù)理?xiàng)l件，并擴(kuò)大疾病治療范圍。另一方面，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員也在研究來(lái)自不同行業(yè)的新技術(shù)，致力于提升下一代設(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(shì)隨之出現(xiàn)――小型化與便攜化。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(chē)甚至醫(yī)生的“出診“包中。

小型化和便攜化發(fā)展趨勢(shì)的蘊(yùn)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)室正常工作就足夠了。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(chē)?yán)锾峁┫嗤木群涂煽啃浴?/p>

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(pán)的用戶接口；LCD監(jiān)控器和音頻控制；用于數(shù)據(jù)記錄的閃存或EEPROM；以及用于連接其它儀器的設(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(zhuān)用性仍然相當(dāng)強(qiáng)，而且往往非常復(fù)雜。

因此，除了“核心”構(gòu)建模塊元件之外，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”。例如，超聲波檢測(cè)儀帶一個(gè)傳感器探頭，具有傳感器脈沖控制功能；而血液透析儀則采用了一個(gè)透析器。這些千變?nèi)f化的特性以及復(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，這使得臨床醫(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(chǎng)?；陂W存的混合信號(hào)FPGA不但擁有高集成度、智能功率與系統(tǒng)管理功能、小占位面積及高度可靠等優(yōu)勢(shì)，尤其適合于這些應(yīng)用。

應(yīng)用實(shí)例：血液透析儀

血液透析儀用于過(guò)濾血液、連續(xù)控制和監(jiān)視靜脈/動(dòng)脈血壓，并在治療期間管理抗凝劑的給藥。在透析時(shí)，血液從人體被抽取到血液透析儀中。儀器里的透析器(過(guò)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，并去除多余液體。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，血液透析儀通常采用好幾個(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(如圖所示)。

一個(gè)典型的血液透析儀包含了若干專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的構(gòu)建模塊。比如，功率控制模塊執(zhí)行溫度感測(cè)以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，也執(zhí)行看門(mén)狗和電池備份功能。用戶模塊通過(guò)鍵盤(pán)或觸摸屏輸入病患信息，實(shí)現(xiàn)治療參數(shù)的個(gè)人定制化。它還能夠幫助醫(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/通信接口則管理閃存/ EEPROM以及通信端口的使用。音頻/警報(bào)輸出功能只要通過(guò)幾個(gè)模塊和控制器就能實(shí)現(xiàn)，及時(shí)發(fā)出狀態(tài)警報(bào)。

信號(hào)調(diào)節(jié)/傳感器控制模塊與透析器及導(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(lái)控制和感測(cè)溫度；控制透析液的混合和流動(dòng)，及其它臨床功能。

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，而動(dòng)脈和靜脈控制功能監(jiān)控電平和壓力傳感器。值得注意的是，盡管泵/電機(jī)控制和動(dòng)脈/靜脈控制監(jiān)控器為血液透析儀所獨(dú)有，其它眾多控制器卻是大多數(shù)臨床醫(yī)療設(shè)備通用的。

多功能集成

今天的單芯片閃存混合信號(hào)FPGA帶有集成式模擬功能、閃存、FPGA結(jié)構(gòu)，常常還有嵌入式行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微處理器。因此，它們相當(dāng)于一個(gè)系統(tǒng)，能夠執(zhí)行功率管理和熱管理，控制臨床醫(yī)療設(shè)備的各種功能――從系統(tǒng)上電/斷電功能及數(shù)據(jù)記錄到溫度和電壓的感測(cè)。

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，其中包括閃存、PWM、分立式模擬IC、時(shí)鐘源和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。由于基于閃存的FPGA把它們的配置信息存儲(chǔ)在片上閃存單元中，故無(wú)需象基于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，在每次系統(tǒng)上電時(shí)，這些閃存混合信號(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(lái)加載器件配置數(shù)據(jù)。這就降低了系統(tǒng)成本和板空間要求，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)人員能夠把原本由好幾個(gè)分立式元件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。例如，一般包含有看門(mén)狗組件、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器件所取代?；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性，包括微處理器和ADC。

透析設(shè)備中的用戶接口通常包括鍵盤(pán)、觸摸屏或LCD顯示屏，以及揚(yáng)聲器。設(shè)計(jì)良好的接口可以讓醫(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。這些功能可以全部集成在一個(gè)混合信號(hào)FPGA芯片中。該設(shè)備中的嵌入式微處理器和閃存能完成數(shù)據(jù)記錄任務(wù)，而其它IP解決方案可幫助管理數(shù)據(jù)輸入、警報(bào)及其它任務(wù)。

在血液透析儀中，由功率和熱管理單元來(lái)執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，比如血液的溫度感測(cè)和系統(tǒng)斷電/上電功能。采用單獨(dú)的模塊精確測(cè)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(zhǎng)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)鍵性功能能夠被輕松集成和實(shí)現(xiàn)。

分立式器件的去除，以及把處理功能、模擬輸入輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘及閃存等多項(xiàng)功能集成在單個(gè)混合信號(hào)FPGA中，可以提高可靠性、降低成本和功耗，并盡可能地減小板空間。