醫(yī)療電子儀器器械技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

時(shí)間：2010-11-30 02:30:34

關(guān)鍵字：電子儀器醫(yī)療電子 BSP FPGA

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[導(dǎo)讀]　　本文將只專(zhuān)注于兩個(gè)方面：高端成像系統(tǒng)和便攜式診斷系統(tǒng)。這兩種類(lèi)型的應(yīng)用都具有相似的需求，即能夠提供高性能和高精度的組件?！　∫陨咸岬降南到y(tǒng)需要準(zhǔn)確的測(cè)量，精確的數(shù)據(jù)處理和高度復(fù)雜的數(shù)字處理，特別是

　　本文將只專(zhuān)注于兩個(gè)方面：高端成像系統(tǒng)和便攜式診斷系統(tǒng)。這兩種類(lèi)型的應(yīng)用都具有相似的需求，即能夠提供高性能和高精度的組件。

　　以上提到的系統(tǒng)需要準(zhǔn)確的測(cè)量，精確的數(shù)據(jù)處理和高度復(fù)雜的數(shù)字處理，特別是輸出形式為圖像或視頻的情況。這些技術(shù)也轉(zhuǎn)移到了其他領(lǐng)域，比如軍事/航天和運(yùn)輸。

　　硅設(shè)計(jì)的進(jìn)步意味著關(guān)鍵性半導(dǎo)體的精密程度已經(jīng)極大提高，特別是DSP，FPGA，微控制器和高性能模擬器件。同樣的，由于這些應(yīng)用中加入了觸摸屏和更加精密的人機(jī)界面，所以成像科技正在融入越來(lái)越多的傳統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域。

　　處理

　　許多器械和醫(yī)療系統(tǒng)使用視頻和圖像輸出，以方便診斷，因此會(huì)大量應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)。

　　放射成像，斷層成像，超聲波和熒光透視是這些應(yīng)用的一小部分實(shí)例。

　　要實(shí)現(xiàn)這些功能需要廣泛的科技知識(shí)，而性能和功耗之間的權(quán)衡依然存在（即使隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，這種權(quán)衡已經(jīng)越來(lái)越少了），使得關(guān)注的焦點(diǎn)集中在適于使用的技術(shù)上。一般來(lái)說(shuō)，高端處理是指可編程邏輯方案和DSP，而將功耗作為關(guān)鍵因素的低端領(lǐng)域則是指微控制器。當(dāng)然，這些科技之間的差別正在以極快的速度減少，如今可編程方案已經(jīng)能在在手持設(shè)備上找到了。

　　諸如FPGA和CPLD的可編程邏輯現(xiàn)在已經(jīng)融合了完整的微控制器和其他的專(zhuān)用軟IP模塊，而且具有多個(gè)并行路由通道，負(fù)責(zé)在一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行全部算法。請(qǐng)注意這樣的系統(tǒng)包含了較長(zhǎng)的管線(xiàn)，意味著可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)處理算法，但是從獲取輸入到對(duì)輸出產(chǎn)生影響為止會(huì)存在延遲。

　　由于這些算法的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)數(shù)字的方式，所以性能是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。處理算法越快，產(chǎn)品就具有更大的靈活性和更高的價(jià)值。然而高速可能意味著更多的功耗和更短的電池壽命。

　　FPGA具有許多傳統(tǒng)組件所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)中低產(chǎn)量的設(shè)備。

　　芯片的可編程特性最多可以節(jié)省大約30％的開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且可以在以后進(jìn)行升級(jí)。使用FPGA也能減少昂貴的電子元件的消耗，由于芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性以及硅處理技術(shù)變得越來(lái)越復(fù)雜，F(xiàn)PGA已經(jīng)越來(lái)越常見(jiàn)了。

　　對(duì)于其他應(yīng)用中的處理器核心有許多可供選擇。如今在RISC更為常見(jiàn)的工業(yè)應(yīng)用中，ARM7核心已經(jīng)被諸如NXP，Atmel，ST和ADI等微控制器生產(chǎn)商廣泛使用，同時(shí)ARM9也越來(lái)越受歡迎。Freescale等i.MX應(yīng)用處理器基于高度集成了LCD控制器的ARM9處理器，在成像領(lǐng)域中正在獲得越來(lái)越多的關(guān)注。

　　對(duì)于成像應(yīng)用，MIPS也正在努力從消費(fèi)者/連接領(lǐng)域的主導(dǎo)地位向該市場(chǎng)進(jìn)軍，通過(guò)與Microchip聯(lián)手，借助MIPS32核心開(kāi)始登上32位處理器的舞臺(tái)。偏好CISC架構(gòu)的設(shè)計(jì)者可以從Intel和Renesas等公司找到實(shí)例。

　　對(duì)于實(shí)時(shí)成像，盡管受到FPGA的強(qiáng)大威脅，DSP仍然占據(jù)了優(yōu)勢(shì)地位。在同一塊硅芯片上同時(shí)包含MCU和DSP新型的平臺(tái)已經(jīng)問(wèn)世，可以進(jìn)行圖像處理和通用處理。TI的最新款達(dá)芬奇處理器，是專(zhuān)為多媒體應(yīng)用設(shè)計(jì)的。Freescale和ADI也提供非常強(qiáng)大的解決方案。

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　　高性能模擬組件

　　無(wú)論在器械還是醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域里傳感都是一個(gè)很大的范疇。例如，賽普拉斯（Cypress）半導(dǎo)體公司的CapSense和ADI的CapTouch技術(shù)的出現(xiàn)，為觸摸屏技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的HMI解決方案提供了新的可能性。

　　在醫(yī)療和器械應(yīng)用中，以及其他諸如ATE和軍事/航天工業(yè)中，對(duì)于模擬組件的需求都及其相似。所有這些領(lǐng)域都需要低噪音，低失真，高速度和低功耗的放大器；數(shù)字編程放大器和寬位轉(zhuǎn)換（最大達(dá)到24位）。

　　人體接觸

　　人們通常需要器械和醫(yī)療設(shè)備的輸出結(jié)果。這就意味著數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和表示都必須清晰明了，并且對(duì)于必須與人體進(jìn)行互動(dòng)的醫(yī)療電子器械，例如心臟去顫器，其輸出則必須精確。

　　ESD在這里扮演了一個(gè)重要角色；由于在空氣溫度中的不一致性，使得ESD成為一個(gè)特別難以預(yù)測(cè)的參數(shù)。最近一份來(lái)自凌力爾特（Linear Technology）的文章提出，冬天的干燥天氣情況下穿皮鞋從羊毛毯上走過(guò)能產(chǎn)生10KV到15KV的電壓，而在夏天濕潤(rùn)天氣所產(chǎn)生的電壓則小于2KV。這些聚集在人體上的靜電被稱(chēng)作摩擦電，人體在某些情況下能聚集35KV的電壓，因此這是設(shè)計(jì)工程師必須考慮的問(wèn)題。由于這個(gè)原因，已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種常見(jiàn)的測(cè)試以用于減少對(duì)使用中的設(shè)備的損害，并且提供持續(xù)工作的能力。在美國(guó)最常見(jiàn)的測(cè)試之一，是以承受力更強(qiáng)的日本機(jī)械模型作為參照，用人體模特模擬人類(lèi)接觸一臺(tái)電子設(shè)備所產(chǎn)生的ESD放電波形。一般情況下，當(dāng)用人體模特進(jìn)行測(cè)試時(shí)，RS232收發(fā)器能承受超過(guò)±10KV的電壓。更加常用的IEC801測(cè)試時(shí)為±7.5KV。凌力爾特的LTC2850就是該測(cè)試的一個(gè)實(shí)例。

　　FCC和其他國(guó)際規(guī)定用于降低來(lái)自于電子設(shè)備的輻射。EMI（電磁干擾）

　　規(guī)則降低電子設(shè)備之間的干擾并提出健康和安全的問(wèn)題。

　　設(shè)計(jì)者可以通過(guò)屏蔽產(chǎn)生輻射的電路和線(xiàn)纜系統(tǒng)，旁路設(shè)計(jì)，電路板布局以及許多其他技術(shù)來(lái)控制產(chǎn)生的輻射。有幾種美信（Maxim）/達(dá)拉斯（Dallas）的振蕩器和頻率發(fā)生產(chǎn)品包含了低EMI設(shè)計(jì)。一種最近開(kāi)發(fā)的技術(shù)叫“發(fā)散”，或抖動(dòng)，計(jì)算機(jī)和電源中使用的時(shí)鐘中心頻率在一個(gè)頻帶上發(fā)散所產(chǎn)生的輻射能量，而不是在一個(gè)頻率上發(fā)散能量。

　　無(wú)論怎樣，都需要電源

　　電源可以通過(guò)從電池到高電能AC插座的幾種方式提供。助聽(tīng)器，起搏器和手持器械都盡量延長(zhǎng)電池壽命。而磁共振成像（MRI）和X光機(jī)則需要在短時(shí)間內(nèi)提供高能高壓，以驅(qū)動(dòng)RF發(fā)射轉(zhuǎn)換器，還有某些設(shè)備具有帶伺服電機(jī)的病床系統(tǒng)，以方便患者移動(dòng)和放置。

　　不僅對(duì)于電路電源管理，而且對(duì)于周邊組件－電阻，感應(yīng)器，電容，繼電器和連接器，供電布線(xiàn)也同樣重要。后面的文章研究了該范圍內(nèi)某些產(chǎn)品的有點(diǎn)和缺點(diǎn)，以及法規(guī)方面的問(wèn)題。

　　以后的工作是什么？

　　顯然接下來(lái)的10年將是包括了器械，成像和醫(yī)療監(jiān)護(hù)的保健市場(chǎng)成長(zhǎng)的10年。將會(huì)大量出現(xiàn)的技術(shù)進(jìn)步也會(huì)對(duì)核心器械，自動(dòng)化和工業(yè)應(yīng)用中的輔助開(kāi)發(fā)產(chǎn)生影響。我們專(zhuān)注于這些技術(shù)開(kāi)發(fā)，確保將最新的產(chǎn)品以最快的速度引入市場(chǎng)，以便對(duì)這些現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行利用。

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