利用混合信号FPGA推动临床医疗应用设备的发展

2009年10月27日 08:10    李宽
关键词: FPGA , 临床 , 设备 , 信号 , 医疗
作者:Shabnam Zarrinkhameh, Wendy Lockhart Actel公司   时间:2009-10  来源:电子产品世界

  当前,由于医疗服务成本的不断攀高、慢性病的流行、人口的老化,以及中国、印度和巴西等大规模新兴市场的崛起,对价格低廉、稳健可靠的医疗设备的需求非常庞大,以期改善全球数百万病患的治疗和护理条件,并扩大疾病治疗范围。因此,医疗设备设计人员正在研究来自不同行业的新技术,致力于增强下一代设备的诊断、监控和治疗能力。

  为使医疗设备价格更低廉、更便于病患使用,有两种趋势随之出现—小型化与便携性。今天,医疗设备制造商能够把整个系统整合在一个手掌大小甚至更小的便携式设备中。比如,EKG(心电图)、血液透析仪和病患监控器等临床医疗设备都是医院/诊所的必备装置,它们的体积也在不断缩小。曾经必须固定在墙上的庞大设备,如今已可配备在移动诊所、救护车甚至医生的“应诊”包中。

  小型化和便携性发展趋势的寓意之一是这些复杂仪器必须足够可靠,能够适用于更大范围的工作环境。以往,这些仪器只要能够在洁净的操作室、诊所或实验室正常工作就够了。但如今,现代医疗设备还必须能够在移动诊所或救护车里提供相同的精度和可靠性。对医疗设备而言,一般是没有出错的余地的。

  许多临床医疗设备都是基于微处理器的机电装置,采用同一套构建模块:功率控制和温度管理;包括键盘、LCD监视器和音频控制的用户接口;用于数据记录的Flash或 EEPROM;以及用于连接其它机器的设备接口。虽然存在众多相似性,但每个医疗应用设备的专用性仍然相当强,而且往往非常复杂。譬如,EKG设备无法清除血液中的废物,而血液透析仪也不能诊断心脏病。

  因此,除了“核心”构建模块之外,临床医疗设备还包含了对应于自身任务独特的诊断或功能性“模块”。例如,超声波检测仪包含一个传感器探头,具有传感器脉冲控制功能,而血液透析则采用了一个透析器。这些千变万化的特性和要求以及复杂的功能性都集成在小占位面积、低功耗、高精度且工作可靠的芯片中,使临床医疗设备成为可重编程非易失性半导体技术的一个绝佳市场。

  特别地,基于 Flash 的混合信号FPGA尤其适合于临床医疗应用,因为它们不但具备高集成度、智能功率及系统管理功能,还拥有小占位面积和高度可靠等特性。这些优势有助于临床医疗设备(如血液透析仪) 满足电池规范、减小设计占位面积,将热耗散降至最低并确保这些体积日益缩小的医疗应用设备可靠运作。 市场分析机构Gartner Dataquest指出,对半导体而言,医疗应用设备是增长最快的领域之一。2008年9月Gartner预估2008年半导体的医疗电子产品市场约为 34.2亿美元,到2012年将增长到44.8亿美元,其中FPGA约占总额的3.23亿美元。

  临床医疗设备实例—血液透析仪

  血液透析仪经专门设计以过滤血液、连续控制和监控静脉和动脉血压,并在治疗期间管理抗凝剂的给药。一次血液透析一般为时3~5小时,大约每周做三次。在透析时,血液从人体抽取到血液透析仪中。仪器里的透析器 (过滤器) 对人体产生的代谢废物进行清除,使血液恢复正常的电解液平衡,并去除人体的多余体液。然后,再把清洁的血液送回人体内。

  为了实现其主要功能,血液透析仪采用数个微控制器,用于监视和控制血液与其它体液的流动、发出警报,以及在必要时关闭仪器(见图1)。图1所示为典型血液透析仪的某些功能。功率控制模块执行温度感测以实现风扇驱动,也执行看门狗和电池备份功能。用户模块通过键盘或触摸屏输入病患信息,进行治疗参数的定制。它还能够协助医疗服务提供者更好地监控透析期间病患的身体状态和治疗效果。

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  数据记录/通信接口则管理 Flash/EEPROM以及通信端口的使用。音频/警报输出功能只要通过几个模块和控制器就能实现,发出状态警报。

  信号调理/传感器控制模块与透析仪及导管等系统机械部件紧密集成,共同控制各种抗凝剂的给药;利用比较器、通用高精度运放以及ADC来控制和感测温度;控制透析液的混合和流动,及其他临床治疗功能。

  泵/电机控制及驱动器电路管理设备中众多的泵、阀、电机和加热器,动脉和静脉控制功能则监控电平和压力传感器。有趣的是,尽管泵/电机控制和动脉/静脉控制监控器是血液透析仪所独有的,图1中其他控制器中不少是大多数临床医疗设备常用的。

  各种功能与混合信号FPGA的集成

  今天的单芯片闪存混合信号FPGA带有集成式模拟功能、Flash、FPGA构架,常常还有嵌入式行业标准微处理器。因此,它们能够执行临床医疗设备的系统管理、功率管理和热管理,以及控制功能—从系统上电/断电功能及数据记录到温度和电压感测。

  有了混合信号FPGA,系统板上的许多元件都变得多余而得以去除,包括Flash、PWM、分立式模拟IC、时钟源和实时时钟。由于基于Flash的FPGA把它们的配置信息存储在片上Flash单元中,故无需像基于SRAM的FPGA那样在系统上电时加载外部配置数据。因此,每次系统上电时,这些Flash混合信号FPGA不需要EEPROM或微控制器这样的单独系统配置元件来加载器件配置数据。这就降低了系统成本和板卡空间要求,同时提高了医疗设备的安全性和系统可靠性。

  此外,这些高度集成的器件让设计人员能够把原本由数个分立元件所提供的功能完全整合在单个高度可靠的混合信号FPGA中。图1中的功能性模块 (图1中的灰色区域) 就是典型血液透析仪中这种集成度的体现。

  例如,可能包含看门狗部件、风扇驱动器和温度传感器的功率控制模块就可以由单个混合信号FPGA器件所代替。混合信号FPGA还能够提供原本由电机/泵驱动器模块提供的全部功能,包括微处理器和ADC。

  透析仪中的用户接口通常包含有键盘、触摸屏或 LCD显示屏,以及扬声器。设计良好的接口可让医疗服务提供者更好地监控病患状态,有效执行治疗方案。用户接口、音频/警报和数据记录/通信模块可以集成在一个混合信号FPGA芯片中。该器件中的嵌入式微处理器和Flash能够完成数据记录任务,而其他IP解决方案可协助管理数据输入、警报及其他任务。

  在血液透析仪中,功率和热管理单元执行关键任务,比如血液的温度感测和系统上电/断电功能(如图2所示)。精确测量温度并控制系统功率可能会增加成本,但也会提高设备的可靠性,从而延长产品的使用期限和病患的寿命。现今混合信号FPGA中的模拟电路使得这些关键性功能得以轻易集成和实现。

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  结语

  由于医疗服务成本的不断攀高、慢性病的流行以及人口老化,对价格低廉、易于使用且可靠的医疗设备的需求非常巨大,以期改善全球医疗服务。对于从家庭应用到临床医疗的多种医疗设备,两种趋势随之出现:即小型化和便携性。

  许多临床医疗设备都是基于微处理器的机电装置,采用同一套构建模块:功率控制和温度管理;包括键盘、LCD监视器和音频控制的用户接口;用于数据记录的Flash或 E2PROM;以及用于连接其他机器的设备接口。虽然存在众多相似性,但各个医疗应用设备的专用性仍然相当强,而且往往非常复杂。因此,除了 “核心”元件之外,临床医疗设备还包含了对应于自身任务的独特的诊断或功能性“模块”。这些千变万化的特性和要求以及复杂的功能性都集成在小占位面积、低功耗、高精度且工作可靠的芯片中,使临床医疗设备成为可重编程非易失性半导体技术的一个绝佳市场。

  特别地,基于Flash的混合信号FPGA尤其适合于这些应用,因为它们不但具备高度集成性、智能功率及系统管理功能,还拥有小占位面积和高度可靠等特性。这些优势有助于临床医疗设备满足电池规范、减小设计占位面积、把热耗降至最低并确保可靠工作。此外,由于无需分立式器件,加之将处理功能、模拟输入及输出、实时时钟及Flash等多项功能集成在单个混合信号FPGA中,还可提高可靠性、降低成本和功耗,并最大限度地减小板卡空间。

  参考文献:

  [1] Actel Application Brief AC242:“Low-Power FPGAs in Home-based Medical Devices App Brief”[R/OL]. www.actel.com

  [2] Actel Application Brief AC244:“Mixed-Signal FPGAs in Clinical Applications App Brief”[R/OL]. www.actel.com

  [3] Actel IGLOO families[R/OL]. http://www.actel.com/products/iglooseries/default.aspx

  [4] Actel ProASIC3 families[R/OL]. http://www.actel.com/products/pa3series/default.aspx

  [5] Actel Fusion Mixed-Signal FPGAs[R/OL]. http://www.actel.com/products/fusion/default.aspx
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