利用混合信號FPGA推動(dòng)臨床醫療應用設備的發(fā)展

　　當前，由于醫療服務(wù)成本的不斷攀高、慢性病的流行、人口的老化，以及中國、印度和巴西等大規模新興市場(chǎng)的崛起，對價(jià)格低廉、穩健可靠的醫療設備的需求非常龐大，以期改善全球數百萬(wàn)病患的治療和護理條件，并擴大疾病治療范圍。因此，醫療設備設計人員正在研究來(lái)自不同行業(yè)的新技術(shù)，致力于增強下一代設備的診斷、監控和治療能力。

　　為使醫療設備價(jià)格更低廉、更便于病患使用，有兩種趨勢隨之出現—小型化與便攜性。今天，醫療設備制造商能夠把整個(gè)系統整合在一個(gè)手掌大小甚至更小的便攜式設備中。比如，EKG(心電圖)、血液透析儀和病患監控器等臨床醫療設備都是醫院/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備，如今已可配備在移動(dòng)診所、救護車(chē)甚至醫生的“應診”包中。

　　小型化和便攜性發(fā)展趨勢的寓意之一是這些復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、診所或實(shí)驗室正常工作就夠了。但如今，現代醫療設備還必須能夠在移動(dòng)診所或救護車(chē)里提供相同的精度和可靠性。對醫療設備而言，一般是沒(méi)有出錯的余地的。

　　許多臨床醫療設備都是基于微處理器的機電裝置，采用同一套構建模塊：功率控制和溫度管理;包括鍵盤(pán)、LCD監視器和音頻控制的用戶(hù)接口;用于數據記錄的Flash或EEPROM;以及用于連接其它機器的設備接口。雖然存在眾多相似性，但每個(gè)醫療應用設備的專(zhuān)用性仍然相當強，而且往往非常復雜。譬如，EKG設備無(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”構建模塊之外，臨床醫療設備還包含了對應于自身任務(wù)獨特的診斷或功能性“模塊”。例如，超聲波檢測儀包含一個(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。這些千變萬(wàn)化的特性和要求以及復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，使臨床醫療設備成為可重編程非易失性半導體技術(shù)的一個(gè)絕佳市場(chǎng)。

　　特別地，基于 Flash 的混合信號FPGA尤其適合于臨床醫療應用，因為它們不但具備高集成度、智能功率及系統管理功能，還擁有小占位面積和高度可靠等特性。這些優(yōu)勢有助于臨床醫療設備(如血液透析儀)滿(mǎn)足電池規范、減小設計占位面積，將熱耗散降至最低并確保這些體積日益縮小的醫療應用設備可靠運作。 市場(chǎng)分析機構Gartner Dataquest指出，對半導體而言，醫療應用設備是增長(cháng)最快的領(lǐng)域之一。2008年9月Gartner預估2008年半導體的醫療電子產(chǎn)品市場(chǎng)約為34.2億美元，到2012年將增長(cháng)到44.8億美元，其中FPGA約占總額的3.23億美元。

　　臨床醫療設備實(shí)例—血液透析儀

　　血液透析儀經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計以過(guò)濾血液、連續控制和監控靜脈和動(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) 對人體產(chǎn)生的代謝廢物進(jìn)行清除，使血液恢復正常的電解液平衡，并去除人體的多余體液。然后，再把清潔的血液送回人體內。

　　為了實(shí)現其主要功能，血液透析儀采用數個(gè)微控制器，用于監視和控制血液與其它體液的流動(dòng)、發(fā)出警報，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。功率控制模塊執行溫度感測以實(shí)現風(fēng)扇驅動(dòng)，也執行看門(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)行治療參數的定制。它還能夠協(xié)助醫療服務(wù)提供者更好地監控透析期間病患的身體狀態(tài)和治療效果。