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醫療電子設備要從微弱而復雜的人體電信號中采集有效信息，并根據這些信息進行監控、顯示和疾病診斷，同時還要避免醫療電子設備對人體造成傷害，因此技術人員在醫療電子設備的開發過程中面臨諸多挑戰。日前，2008中國國際醫療電子技術大會（CMET2008）在深圳隆重舉行，來自醫療電子科研機構以及TI、ADI、Xilinx、Altera、Actel、NI等國際半導體供應商的專家們發表了精彩的主題演講，并與眾多與會的醫療電子企業的技術人員就醫療電子趨勢和日益復雜的設計挑戰進行了交流與探討。 大型醫療電子設備采用專用半導體器件 深圳西門子邁迪特磁共振公司的倪成博士在“大型醫療設備中的電子技術”主題演講中表示，大型醫療設備主要是用于診斷和治療，其與民用的或便攜式醫療電子設備的開發有很多不同的考慮。例如在磁共振成像(MRI)系統中，一般采用高速FPGA來實現時序控制、數據傳輸，而高性能DSP則被用于實時安全監控。大型醫療設備的開發很少是從市面采購器件，而是與半導體供應商合作開發的專用器件，因此大型醫療電子設備的開發需要和半導體供應商建立比較長久的的合作關系。大型醫療設備的非實時的數據需要總線協議進行控制，目前西門子、通用、飛利浦的大型醫療設備都有選用CAN總線，而采用Ethernet Powerlink(EPL)也逐漸成為一種潮流，但是這些總線并不適合諸如心電圖、生化分析儀這類設備采用。另外，倪博士還向那些打算開發與磁共振設備配套使用的測試儀器的企業建議，必須保證配套儀器是完全無磁的，否則會造成配套儀器和磁共振設備的互相干擾，因此有此計劃的企業最好是找磁共振廠家進行合作。 低功耗：便攜式醫療設備的顯著需求 從不同半導體供應商專家們的演講中發現，為提供更長的電池壽命，低功耗成為便攜式醫療設備用半導體器件的共同特征，而高性能、高集成度則是便攜式醫療設備用模擬器件的主要特征。 圖1：SRAM內的軟錯誤和固錯誤。 圖2：固錯誤對SRAM FPGA的邏輯有嚴重的影響。 Actel亞太區技術經理戴夢麟建議在選擇FPGA進行醫療設備設計的時候要把可靠性作為最高的考慮因素。由于SRAM FPGA要實現超低功耗工作通常需要把器件待機而關掉電源，因此在休眠前就要把SRAM的寄存器狀態存放到非易失性存儲器里，這使得SRAM FPGA對設計和成本造成很大的影響。(見圖1、2)Actel的低功耗FPGA使用Flash Freeze技術降低功耗，支持該技術的器件只需1us就可以進出低功耗模式。而Flash Freeze工藝的FPGA器件在提供低功耗特性的同時也能使寄存器的內容得到保持，因此Flash FPGA不但具有SRAM工藝和反熔絲工藝FPGA的優點，也能對“固錯誤”進行免疫。戴夢麟強調Actel的proASIC3L系列器件是真正的單芯片Flash GPGA，比那些只是將SRAM FPGA與Flash FPGA進行混合封裝的器件具有更高可靠性和更低的成本。 在本次大會上便攜式超聲成像系統成為半導體供應商提及最多的醫療電子設計。最新的超聲成像系統都采用數字處理信號鏈、更高采樣頻率以及朝著便攜式的方向發展。在這些新型的超聲系統中需要顯示3D乃至4D的高質量彩色圖像。隨著超聲系統的設計的復雜化，如何應對現代超聲成像的設計挑戰呢？兩大FPGA巨頭，Xilinx和Altera都建議在超聲成像的波束生成器(Beam Former)設計中采用具有DSP性能的FPGA。 圖3：Xilinx的高性能數字波束生成器方案。 Xilinx亞太區DSP產品和解決方案營銷業務高級經理林鴻瑞表示便攜式超聲系統的一個趨勢就是越來越多的數據需要越來越快地被處理，因此超聲成像系統的波束生成器將需要更多地使用可編程的高性能DSP平臺。Xilinx的低功耗FPGA通過使用DSP48 Slice提供全頻譜的高性能FIR濾波器、FFT算法甚至是浮點運算，同時也降低了成本。 圖4：Altera器件在超聲系統中的應用。 隨著需要的探頭數的增多，波束生成器的通道數也相應增多，則意味著需要更多的DSP功能和更高速串行接口，而PCIe接口和新型的DDR2/DDR3也將在新型的便攜式超聲系統中流行。Altera資深技術市場工程師趙敏指出，在超聲系統設計當中使用高速的Stratix III FPGA能應付高性能波束生成器所帶來的這些挑戰，因為Stratix III器件具有大量的DSP模塊實現濾波和加權功能并支持多個通道，同時還是目前唯一支持DDR3的FPGA；同時由于采用可編程功耗技術、可選內核電壓以及優化的芯片工藝，Stratix III器件的功耗得到大幅度降低，從而成為業界最低功耗的高性能FPGA。 圖5：ADI的超低功耗PulSAR ADC具有眾多優點 ADI醫療儀器產品經理Paul Errico表示連續波多普勒超聲系統的圖像質量需要不斷地得到改善，因此設計過程中應該選用高性能的模擬器件，同時為便攜式超聲系統選用高集成度模擬器件也使得整體成本更低。Paul Errico在大會上介紹ADI針對連續波多普勒處理推出了高性能八通道單芯片模擬前端AD9271、四I/Q解調器AD8339以及超低功耗的16位ADC AD7980。其中，AD9271集成了LNA、VGA以及12位流水線ADC，不但能改善便攜式醫療設備的圖像質量、更小的芯片面積和低成本優勢，也提升了電池的使用壽命和可靠性。 圖6：雙極型工藝和CMOS工藝對超聲波系統前端器件參數影響的對照。 無獨有偶，TI在大會上也介紹了一款高集成的八通道模擬前端AFE5805，因為模擬前端是決定圖像質量和總體系統性能的關鍵，不過該款低功耗模擬前端是在一個封裝里集成了LNA、VCA和ADC。TI模擬產品信號鏈應用工程師陳紅生在大會上強調，面對連續波多普勒超聲系統所帶來的噪聲、帶寬以及面積等設計挑戰，采用雙極型工藝和CMOS工藝對不同功能模塊的參數具有不同的影響(見圖6)，因此工程師要注重對模擬前端功能模塊的工藝的綜合考慮。 |
