混合信號FPGA促進臨床醫(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、印度和巴西等大規(guī)模新興市場的崛起，對價格低廉又穩(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)百萬病患的治療和護理條件，并擴大疾病治療范圍。另一方面，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員也在研究來自不同行業(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)備價格更低廉、更便于病患使用，有兩種趨勢隨之出現(xiàn)DD小型化與便攜化。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、救護車甚至醫(yī)生的“出診“包中。

小型化和便攜化發(fā)展趨勢的蘊意之一是這些復(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ぷ骶妥銐蛄?。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車里提供相同的精度和可靠性。

許多臨床醫(yī)療設(shè)備都是基于微處理器的機電裝置，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，但每個醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備的專用性仍然相當強，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)備還包含了對應(yīng)于自身任務(wù)的獨特的診斷或功能性“模塊”。例如，超聲波檢測儀帶一個傳感器探頭，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)的一個絕佳市場?；陂W存的混合信號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，尤其適合于這些應(yīng)用。

應(yīng)用實例：血液透析儀

血液透析儀用于過濾血液、連續(xù)控制和監(jiān)視靜脈/動脈血壓，并在治療期間管理抗凝劑的給藥。在透析時，血液從人體被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(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)。為了實現(xiàn)其主要功能，血液透析儀通常采用好幾個微控制器，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(如圖所示)。

一個典型的血液透析儀包含了若干專門設(shè)計的構(gòu)建模塊。比如，功率控制模塊執(zhí)行溫度感測以實現(xiàn)風扇驅(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，實現(xiàn)治療參數(shù)的個人定制化。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/警報輸出功能只要通過幾個模塊和控制器就能實現(xiàn)，及時發(fā)出狀態(tài)警報。

信號調(diào)節(jié)/傳感器控制模塊與透析器及導(dǎo)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，及其它臨床功能。

泵/電機控制及驅(qū)動器電路管理設(shè)備中眾多的泵、閥、電機和加熱器，而動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/電機控制和動脈/靜脈控制監(jiān)控器為血液透析儀所獨有，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)標準微處理器。因此，它們相當于一個系統(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DD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。

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，其中包括閃存、PWM、分立式模擬IC、時鐘源和實時時鐘。由于基于閃存的FPGA把它們的配置信息存儲在片上閃存單元中，故無需象基于SRAM的FPGA 那樣在系統(tǒng)上電時加載外部配置數(shù)據(jù)。因此，在每次系統(tǒng)上電時，這些閃存混合信號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好幾個分立式元件提供的功能完全整合在單個高度可靠的混合信號FPGA中。例如，一般包含有看門狗組件、風扇驅(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FPGA器件所取代?；旌闲盘朏PGA還能夠提供原本由電機/泵驅(qū)動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、觸摸屏或LCD顯示屏，以及揚聲器。設(shè)計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混合信號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、警報及其它任務(wù)。

在血液透析儀中，由功率和熱管理單元來執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù)，比如血液的溫度感測和系統(tǒng)斷電/上電功能。采用單獨的模塊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(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現(xiàn)。

分立式器件的去除，以及把處理功能、模擬輸入輸出、實時時鐘及閃存等多項功能集成在單個混合信號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。