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(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、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。因此，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員正在研究來(lái)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(shì)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(chē)甚至醫(yī)生的“應(yīng)診”包中。

　　小型化和便攜性發(fā)展趨勢(shì)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(chē)?yán)锾峁┫嗤木群涂煽啃?。?duì)醫(yī)療設(shè)備而言，一般是沒(méi)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(pán)、LCD監(jiān)視器和音頻控制的用戶(hù)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(zhuān)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(wú)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(cè)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(chǎng)。

　　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?、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(shì)有助于臨床醫(yī)療設(shè)備(如血液透析儀)滿(mǎn)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(chǎng)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(zhǎng)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(chǎng)約為34.2億美元，到2012年將增長(zhǎng)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)以過(guò)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(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(jiàn)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(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(hù)模塊通過(guò)鍵盤(pán)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。