利用混合信號ＦＰＧＡ推動臨床醫療應用設備的發展

Ｓｈａｂｎａｍ　Ｚａｒｒｉｎｋｈａｍｅｈ　Ｗｅｎｄｙ　Ｌｏｃｋｈａｒｔ

摘要：描述了混合信號FPGA在臨場醫療設備中的應用，并以血液透析儀為例加以說明

關鍵詞：臨床醫療設備；血液透析儀；小型化和便攜性醫療設備；混合信號FPGA

當前，由于醫療服務成本的不斷攀高、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的崛起，對價格低廉、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自不同行業的新技術，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系統整合在一個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。曾經必須固定在墻上的龐大設備，如今已可配備在移動診所、救護車甚至醫生的“應診”包中。

小型化和便攜性發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境。以往，這些儀器只要能夠在潔凈的操作室、診所或實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診所或救護車里提供相同的精度和可靠性。對醫療設備而言，一般是沒有出錯的余地的。

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、LCD監視器和音頻控制的用戶接口：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，但每個醫療應用設備的專用性仍然相當強、而且往往非常復雜。譬如，EKG設備無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獨特的診斷或功能性“模塊”。例如，超聲波檢測儀包含一個傳感器探頭，具有傳感器脈沖控制功能，而血液透析則采用了一個透析器。這些千變萬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的一個絕佳市場。

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。這些優勢有助于臨床醫療設備(如血液透析儀)滿足電池規范、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。市場分析機構Gartner Dataquest指出，對半導體而言，醫療應用設備是增長最快的領域之一。2008年9月Gartner預估2008年半導體的醫療電子產品市場約為34.2億美元，到2012年將增長到44.8億美元，其中FPGA約占總額的3.23億美元。

臨床醫療設備實例一血液透析儀

血液透析儀經專門設計以過濾血液、連續控制和監控靜脈和動脈血壓，并在治療期間管理抗凝劑的給藥。

一次血液透析一般為時3～5小時，大約每周做三次。在透析時，血液從人體抽取到血液透析儀中。儀器里的透析器(過濾器)對人體產生的代謝廢物進行清除，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。

為了實現其主要功能，血液透析儀采用數個微控制器，用于監視和控制血液與其它體液的流動、發出警報，以及在必要時關閉儀器(見圖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現風扇驅動，也執行看門狗和電池備份功能。用戶模塊通過鍵盤或觸摸屏輸入病患信息，進行治療參數的定制。它還能夠協助醫療服務提供者更好地監控透析期間病患的身體狀態和治療效果。

數據記錄／通信接口則管理Flash／EEPROM以及通信端口的使用。音頻／警報輸出功能只要通過幾個模塊和控制器就能實現，發出狀態警報。

信號調理／傳感器控制模塊與透析儀及導管等系統機械部件緊密集成，共同控制各種抗凝劑的給藥：利用比較器、通用高精度運放以及ADc來控制和感測溫度；控制透析液的混合和流動，及其他臨床治療功能。

泵／電機控制及驅動器電路管理設備中眾多的泵、閥、電機和加熱器，動脈和靜脈控制功能則監控電平和壓力傳感器。有趣的是，盡管泵／電機控制和動脈／靜脈控制監控器是血液透析儀所獨有的，圖1中其他控制器中不少是大多數臨床醫療設備常用的。

各種功能與混合信號FPGA的集成

今天的單芯片閃存混合信號FPGA帶有集成式模擬功能、Flash、FPGA構架，常常還有嵌入式行業標準微處理器。因此、它們能夠執行臨床醫療設備的系統管理、功率管理和熱管理，以及控制功能一從系統上電／斷電功能及數據記錄到溫度和電壓感測。

有了混合信號FPGA，系統板上的許多元件都變得多余而得以去除，包括Flash、PWM、分立式模擬IC、時鐘源和實時時鐘。由于基于Flash的FPGA把它們的配置信息存儲在片上Flash單元中，故無需像基于sRAM的FPGA那樣在系統上電時加載外部配置數據。因此，每次系統上電時，這些Flash混合信號FPGA不需要EEPROM或微控制器這樣的單獨系統配置元件來加載器件配置數據。這就降低了系統成本和板卡空間要求，同時提高了醫療設備的安全性和系統可靠性。

此外，這些高度集成的器件讓設計人員能夠把原本由數個分立元件所提供的功能完全整合在單個高度可靠的混合信號FPGA中。圖1中的功能性模塊(圖1中的灰色區域)就是典型血液透析儀中這種集成度的體現。

例如，可能包含看門狗部件、風扇驅動器和溫度傳感器的功率控制模塊就可以由單個混合信號FFGA器件所代替。混合信號FPGA還能夠提供原本由電機／泵驅動器模塊提供的全部功能，包括微處理器和ADc。

透析儀中的用戶接口通常包含有鍵盤、觸摸屏或LCD顯示屏，以及揚聲器。設計良好的接口可讓醫療服務提供者更好地監控病患狀態，有效執行治療方案。用戶接口、音頻／警報和數據記錄／通信模塊可以集成在一個混合信號FPGA芯片中。該器件中的嵌入式微處理器和Flash能夠完成數據記錄任務，而其他IP解決方案可協助管理數據輸入、警報及其他任務。

在血液透析儀中，功率和熱管理單元執行關鍵任務，比如血液的溫度感測和系統上電／斷電功能(如圖z所示)。精確測量溫度并控制系統功率可能會增加成本，但也會提被備的可靠性，從而延長產品的使用期限和病患的壽命。現今混合信號FPGA中的模擬電路使得這些關鍵性功能得以輕易集成和實現。

結語

由于醫療服務成本的不斷攀高、慢性病的流行以及人口老化，對價格低廉、易于使用且可靠的醫療設備的需求非常巨大，以期改善全球醫療服務。對于從家庭應用到臨床醫療的多種醫療設備，兩種趨勢隨之出現：即小型化和便攜性。

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、LCD監視器和音頻控制的用戶接口：用于數據記錄的Flash或EZPROM；以及用于連接其他機器的設備接口。雖然存在眾多相似性，但各個醫療應用設備的專用性仍然相當強，而且往往非常復雜。因此，除了“核心”元件之外，臨床醫療設備還包含了對應于自身任務的獨特的診斷或功能性“模塊”。這些千變萬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的一個絕佳市場。

特別地，基于Flash的混合信號FPGA尤其適合于這些應用，因為它們不但具備高度集成性、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。這些優勢有助于臨床醫療設備滿足電池規范、減小設計占位面積、把熱耗降至最低并確保可靠工作。此外、由于無需分立式器件，加之將處理功能、模擬輸入及輸出、實時時鐘及Flash等多項功能集成在單個混合信號FPGA中，還可提高可靠性、降低成本和功耗，并最大限度地減小板卡空間。