設計更安全、更小的下一代高性能醫療產(chǎn)品

醫療設備系統設計人員面對諸多問(wèn)題，系統問(wèn)題包括減小體積、增加功能性和延長(cháng)可植入人體設備電池的壽命，同時(shí)通過(guò)最佳的安全性、可靠性和功效來(lái)確保安全。設計人員還必需考慮用于放射治療環(huán)境的設備的電離輻射引起的單事件翻轉（SEU）的影響，因為這可能會(huì )引致危險的配置改變。

　　小型化已經(jīng)成為生命關(guān)鍵性設備比如植入性心臟復律除顫器（ICD）和心率管理（CRM）產(chǎn)品的主要增長(cháng)推動(dòng)力。其中一個(gè)減小體積的方法就是確保用于改進(jìn)醫療設備功能性的射頻（RF）技術(shù)消耗極低的功率，因而可以使用較小的電池。圖1所示為來(lái)自Given Imaging Ltd 的Pillcam無(wú)線(xiàn)內窺鏡成像膠囊就應用了這種技術(shù)。該產(chǎn)品采用了來(lái)自美高森美公司的定制RF收發(fā)器，通過(guò)使得膠囊功率低于7.5mW，同時(shí)在8小時(shí)工作過(guò)程中每秒傳播最多14個(gè)圖像，可以減小電池體積。

　　
圖1：Pillcam無(wú)線(xiàn)內窺鏡成像膠囊

　　使用chip-on-board組件、chip-on-chip，以及最近先進(jìn)的2-D和3-D封裝等高空間效率半導體封裝技術(shù)，也可以減小設備體積。這些封裝技術(shù)可將心率管理（CRM）設備的整體電路空間減小多達80%。而最有效的技術(shù)之一就是堆疊芯片（stacked-die）方法，減小互連長(cháng)度和電阻，同時(shí)提高了良率。芯片堆疊（Die stacking）可讓設計人員在小體積中組合多種晶圓處理技術(shù)，同時(shí)改進(jìn)測試接入。薄型互連封裝堆棧（Thin Interconnected Package Stack， TIPS）項目在下一代堆疊芯片解決方案方面取得了很大的進(jìn)步，這個(gè)項目是由納米電子研究機構IMEC RD與企業(yè)和社會(huì )組織合作投資的，TIPS項目提供了減小器件高度和其它尺寸同時(shí)具備單模塊之優(yōu)勢的封裝方法。

　　現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）器件也是設備小型化的重要貢獻力量，例如傳統設計人員一直綜合使用微控制器、專(zhuān)用標準產(chǎn)品（ASSP）芯片和小型可編程邏輯器件，構建用于便攜式醫療設備的人機接口（HMI）和微型馬達控制器。這種方法不僅難以減小設備體積，也不適用于優(yōu)化至關(guān)重要的傳感器和激勵器的通道數目。相反地，FPGA-based解決方案非常適合在較小的封裝體積中加入更多的功能性，滿(mǎn)足必需具有小外形尺寸的設備的要求。同時(shí)它們提供了可讓用戶(hù)升級設計的附加優(yōu)勢，因而能夠支持新的標準或提供更多的功能性。

　　與替代解決方案相比，FPGA器件還有助于降低功耗，例如，便攜式醫療設備中的液晶顯示（LCD）面板所消耗的功率占據應用設備功率預算的一半。解決方法就是進(jìn)行系統設計，從而盡可能將LCD和控制邏輯置于功率節省模式，極大地減少電池的消耗。這種使用FPGA的方法是非常簡(jiǎn)單，但是由于現貨ASSP產(chǎn)品的設計并未考慮醫療市場(chǎng)的要求，所以難以采用現貨ASSP產(chǎn)品來(lái)實(shí)施。

　　今天基于快閃技術(shù)的FPGA器件還提供了重要的內置安全特性，以確保僅有合法的升級才能實(shí)施，還要考慮其它重要的安全問(wèn)題?，F今的醫療設備處于偷竊、偽造、售后市場(chǎng)篡改和過(guò)度建造的風(fēng)險之中，轉包商制造了超過(guò)設備訂單的數量，因此可以銷(xiāo)售剩余的設備。這些風(fēng)險中的每一項都會(huì )給醫療設備市場(chǎng)帶來(lái)嚴重的后果。試想象以下這樣的情景：錯誤的軟件下載到胰島素泵中，或偽造部件用于設計中，任何一種情況都有可能引起胰島素泵提供不準確的劑量，給病患帶來(lái)嚴重的傷害。

　　保護醫療設備避免篡改需要硬件和軟件兩個(gè)方面的檢查，否則消費者可能在索賠之前恢復工廠(chǎng)設置，而且沒(méi)有辦法來(lái)檢測攻擊。電腦黑客有可能修改服務(wù)和基礎設備的功能性，進(jìn)一步妨礙攻擊檢測、響應和實(shí)施對策。

　　使用反熔絲和flash- based FPGA器件是很重要的，因為與SRAM-based FPGA相比，它們非常難以進(jìn)行反向工程，一旦編程后，flash-based FPGA在芯片內保留所有編程信息。由于編程單元是非易失性的，因此可以在上電循環(huán)之間保持狀態(tài)。這與SRAM-based FPGA形成對照，SRAM-based FPGA必需在上電時(shí)重新載入配置數據，將編程位流暴露予潛在的黑客。黑客截取flash-based FPGA位流的唯一方法是從用于現場(chǎng)設備升級的配置文件中獲取。然而，這可以通過(guò)在FPGA器件中進(jìn)行加密來(lái)防止，并且使用快閃存儲器來(lái)永久性存儲所有的加密密匙和設置。

　　最后，用于放射治療環(huán)境之設備的設計人員必需確保設備對危險的SEU事件免疫，當高能粒子或離子沖擊N-P結耗散區時(shí)就會(huì )發(fā)生SEU事件。從femtocoloumb到picocoloumb的電荷在這個(gè)區域聚集，造成電壓和電流瞬變。使用SRAM-based FPGA，所獲得的線(xiàn)性能量傳輸（linear energy transfer， LET）足以給N-P結供給過(guò)多的能量，并引起SEU事件，其形式是存儲器組件（SRAM單元、寄存器、閂鎖、或觸發(fā)器）的狀態(tài)改變（位翻轉）。

　　對于快閃存儲器單元，情形則大不相同，快閃是一種非易失性存儲結構，包括位于控制柵和下部MOSFET結構之間的浮動(dòng)柵，封裝在良好的電介質(zhì)中（見(jiàn)圖2），在離子攻擊或接近快閃單元耗散區時(shí)，它仍然沉積電荷。然而，快閃單元存儲位翻轉所需的臨界電荷量（QCRIT）遠遠大于SRAM單元，而且用于配置的快閃單元還具有非常穩健的結構。因此，用于FPGA配置的快閃單元具有SEU事件免疫能力。