醫(yī)療電子設(shè)備要從微弱而復(fù)雜的人體電信號中采集有效信息，并根據(jù)這些信息進(jìn)行監(jiān)控、顯示和疾病診斷，同時還要避免醫(yī)療電子設(shè)備對人體造成傷害，因此技術(shù)人員在醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)過程中面臨諸多挑戰(zhàn)。日前，2008中國國際醫(yī)療電子技術(shù)大會（CMET2008）在深圳隆重舉行，來自醫(yī)療電子科研機(jī)構(gòu)以及TI、ADI、Xilinx、Altera、Actel、NI等國際半導(dǎo)體供應(yīng)商的專家們發(fā)表了精彩的主題演講，并與眾多與會的醫(yī)療電子企業(yè)的技術(shù)人員就醫(yī)療電子趨勢和日益復(fù)雜的設(shè)計挑戰(zhàn)進(jìn)行了交流與探討。
大型醫(yī)療電子設(shè)備采用專用半導(dǎo)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(yī)療設(shè)備中的電子技術(shù)”主題演講中表示，大型醫(yī)療設(shè)備主要是用于診斷和治療，其與民用的或便攜式醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)有很多不同的考慮。例如在磁共振成像(MRI)系統(tǒng)中，一般采用高速FPGA來實現(xiàn)時序控制、數(shù)據(jù)傳輸，而高性能DSP則被用于實時安全監(jiān)控。大型醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)很少是從市面采購器件，而是與半導(dǎo)體供應(yīng)商合作開發(fā)的專用器件，因此大型醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)需要和半導(dǎo)體供應(yīng)商建立比較長久的的合作關(guān)系。大型醫(yī)療設(shè)備的非實時的數(shù)據(jù)需要總線協(xié)議進(jìn)行控制，目前西門子、通用、飛利浦的大型醫(yī)療設(shè)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(shè)備采用。另外，倪博士還向那些打算開發(fā)與磁共振設(shè)備配套使用的測試儀器的企業(yè)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(shè)備的互相干擾，因此有此計劃的企業(yè)最好是找磁共振廠家進(jìn)行合作。
低功耗：便攜式醫(yī)療設(shè)備的顯著需求
從不同半導(dǎo)體供應(yīng)商專家們的演講中發(fā)現(xiàn)，為提供更長的電池壽命，低功耗成為便攜式醫(yī)療設(shè)備用半導(dǎo)體器件的共同特征，而高性能、高集成度則是便攜式醫(yī)療設(shè)備用模擬器件的主要特征。
圖1：SRAM內(nèi)的軟錯誤和固錯誤。
圖2：固錯誤對SRAM FPGA的邏輯有嚴(yán)重的影響。
Actel亞太區(qū)技術(shù)經(jīng)理戴夢麟建議在選擇FPGA進(jìn)行醫(yī)療設(shè)備設(shè)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(xiàn)超低功耗工作通常需要把器件待機(jī)而關(guān)掉電源，因此在休眠前就要把SRAM的寄存器狀態(tài)存放到非易失性存儲器里，這使得SRAM FPGA對設(shè)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(shù)降低功耗，支持該技術(shù)的器件只需1us就可以進(jìn)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(nèi)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(yōu)點，也能對“固錯誤”進(jìn)行免疫。戴夢麟強(qiáng)調(diào)Actel的proASIC3L系列器件是真正的單芯片F(xiàn)lash GPGA，比那些只是將SRAM FPGA與Flash FPGA進(jìn)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(tǒng)成為半導(dǎo)體供應(yīng)商提及最多的醫(yī)療電子設(shè)計。最新的超聲成像系統(tǒng)都采用數(shù)字處理信號鏈、更高采樣頻率以及朝著便攜式的方向發(fā)展。在這些新型的超聲系統(tǒng)中需要顯示3D乃至4D的高質(zhì)量彩色圖像。隨著超聲系統(tǒng)的設(shè)計的復(fù)雜化，如何應(yīng)對現(xiàn)代超聲成像的設(shè)計挑戰(zhàn)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(shè)計中采用具有DSP性能的FPGA。
圖3：Xilinx的高性能數(shù)字波束生成器方案。
Xilinx亞太區(qū)DSP產(chǎn)品和解決方案營銷業(yè)務(wù)高級經(jīng)理林鴻瑞表示便攜式超聲系統(tǒng)的一個趨勢就是越來越多的數(shù)據(jù)需要越來越快地被處理，因此超聲成像系統(tǒng)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(yùn)算，同時也降低了成本。
圖4：Altera器件在超聲系統(tǒng)中的應(yīng)用。
隨著需要的探頭數(shù)的增多，波束生成器的通道數(shù)也相應(yīng)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(tǒng)中流行。Altera資深技術(shù)市場工程師趙敏指出，在超聲系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中使用高速的Stratix III FPGA能應(yīng)付高性能波束生成器所帶來的這些挑戰(zhàn)，因為Stratix III器件具有大量的DSP模塊實現(xiàn)濾波和加權(quán)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(shù)、可選內(nèi)核電壓以及優(yōu)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(yè)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(yōu)點，因而曾獲得《電子工程專輯》2007年度電子成就獎。
ADI醫(yī)療儀器產(chǎn)品經(jīng)理Paul Errico表示連續(xù)波多普勒超聲系統(tǒng)的圖像質(zhì)量需要不斷地得到改善，因此設(shè)計過程中應(yīng)該選用高性能的模擬器件，同時為便攜式超聲系統(tǒng)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(xù)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(diào)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(yī)療設(shè)備的圖像質(zhì)量、更小的芯片面積和低成本優(yōu)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(tǒng)前端器件參數(shù)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(zhì)量和總體系統(tǒng)性能的關(guān)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(chǎn)品信號鏈應(yīng)用工程師陳紅生在大會上強(qiáng)調(diào)，面對連續(xù)波多普勒超聲系統(tǒng)所帶來的噪聲、帶寬以及面積等設(shè)計挑戰(zhàn)，采用雙極型工藝和CMOS工藝對不同功能模塊的參數(shù)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。