“芯”势力比拼医疗电子应用

作者：    来源：电子工程专辑

欢迎访问e展厅 展厅 4 医疗设备/医疗器械展厅 B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ... 融合化学、生物和电子技术的医疗电子设备逐渐成为了重要的疾病预防、临床诊治、病人监护以及个人健康护理的医疗辅助手段。Databeans公司于2006年公布的调查数据表明，2005年全球医疗电子设备市场已达890亿美元。全球人口增长以及人口老化速度的加快促进了医院对新型医疗电子设备需求的进一步扩大。而随着经济增长，人们生活水平的提高以及健康意识的逐步增强，也使得用于日常健康和特定疾病治疗的便携式/消费类医疗设备成为广受欢迎的大众消费品。此外，在全球趋势下，为满足快速增长的内部市场和出口需求，中国的医疗电子设备的设计和制造产业也将得到极大的发展。 应用于医疗电子设备的半导体器件主要有模拟器件、逻辑芯片和存储器件等。半导体器件需求增长的动力来自于临床诊治用途的医疗成像设备的更高清晰度的需求以及不断增加的便携式/消费类监护产品的需求，从而需要更高精度的模拟器件与更高性能、更低功耗的逻辑芯片。医疗电子产品生命周期较长，对半导体器件的价格往往不太敏感，所以半导体厂商一般也乐于为医疗电子应用提供他们最新工艺的先进半导体器件。因此设计人员需要对各种半导体器件有一定的认识，以选取满足产品性能要求、可靠性和安全性以及生命周期的芯片。 为数据采集前端选择合适的模拟器件 任何医疗电子设备都依赖于对人体数据的采集，为适应新兴医疗电子设备对越来越大量的数据进行高速采样的要求，实现更高速、高精度的模拟器件成为趋势。由于人体电流/生物电信号往往是极其微小而复杂的，因此从伴随着大量噪声的人体数据中提取有效信息往往极具挑战性。这就要求数据采集链路上的ADC、运算放大器等模拟器件都具有很低的噪声，这将有效提高采集链路的SNR特性。一般的数据采集采用10bit或12bit的ADC，而领先半导体厂商已推出了14bit和16bit的多通道ADC。为与ADC配合实现系统的精度需求，运算放大器则要具备较大的电压摆幅、高增益等特点。半导体厂商也为需要高速数据处理的系统上提供高速CMOS工艺的运放，还有为提供低偏压的带JFET输入的运放等。 飞思卡尔亚太区模拟产品市场经理Norman Chan表示高速、精准和低功耗的模拟器件是推动医疗设备发展的主要因素。因为模拟器件总是会与医疗设备的传感部件共存，例如血压监测设备的压力传感器件会由感应器件和模拟电路组成以提供放大、滤波以及为传感器获得人体微弱的生物信号创造条件；而无线内窥镜检查将需要高精度和低功率的模拟和数字电路去处理所获得的图像数据。Norman Chan强调，模拟器件对医疗设备性能的决定性要视乎具体应用而定。一般而言，安全和可靠性问题是多数医疗设备制造商们首要考虑的因素。对于介入设备来说耐用性、可靠性和生命周期是主要考虑因素；而类似于血压监测这些精度要求不是很高的设备，压力传感器和模拟器件之间的配合将会对设备性能起到关键作用。另外，器件的质量、封装、设备开发和测试的难度等都是值得工程师们考虑的。 德州仪器亚太区高效能模拟产品市场开发经理陈炳文则指出，利用高速ADC以及高带宽的放大器进行精确处理是获得高质量图像的主要手段，用于便携式设备的ADC则应具备与波束生成器之间的LVDS接口；而对一些高端的成像应用来说，采用高分辨率DAC进行准确定位也是必须的。此外，医疗成像应用中的模拟器件还必须拥有较高的温度稳定性。 并行处理复杂成像计算 为了检查和治疗疾病与外伤，现代医学的临床诊治需要依赖观察来研究和判断解剖结构与生物学功能之间的关系。先进的3D/4D医疗成像消除了解剖的需要并提供了强大的医疗诊治的新方法，最大限度地减少依靠外科手段切除疾病和减少了痛楚与伤害，并有效地提高了内科医生对疾病预防和诊治的绩效。这不但相应减少了病人的风险、痛楚同时也减少了后期昂贵的医护费用。因此，前期的诊断和预防多数借助于诸如超声波、PET(正电子放射层析成像)、MRI(核磁共振成像)以及CT(计算层析成像)等现代化的医疗成像设备。 医疗成像可以概括地定义为多维医疗和生物图像数据集的采集、处理、重构再现和交互。如图1所示是一个在大多数医疗成像设备里的信号流：数据采集前端对病人的能量信号进行采集后所得到的原始数据交给下一环节进行去噪、平滑数据等预处理以改善信号质量；经过预处理的图像需要经过诸如FFT算法等将成千上万的透射测定转换成为具物理意义的图像或图像数据体进行算法重构；图像或数据体接着经后处理步骤改善和增添图像功能后才会在屏幕上显示，这时可以使用不同的技术对图像捕捉重叠图像以进行显示，也可以对使用层析技术的图像进行组合而得到3D图像；最后，辅助诊断系统会利用模式判别算法对后处理的数据进行分析得出结果。 实际的医疗成像一般是由系统在纵向和横向上进行人体扫描，而由软件再现图像，因此要依赖高性能硬件加速算法。由于图像算法通常用并行处理较容易实现，因此随着医疗成像应用对高清晰度图像需求的增长，也对DSP、FPGA或多核处理器这些逻辑芯片的并行图像处理能力提出了更高的要求。 DSP可用于超声波成像系统的多普勒处理、2D/3D成像以及后处理算法。2006年的医疗DSP成像市场已达3800万美元。TI是信号处理的集大成者，除了广阔的高精度模拟器件产品线，也拥有众多的TMS320系列DSP。如表1中提及的TMS320C672x高性能32bit/64bit浮点DSP，实际上可以支持32bit定点、32bit单精度浮点以及64bit双精度浮点运算。在350MHz频率下，其CPU在单周期内可并行执行多达8个指令（其中6个是浮点指令），最高性能达2800MIPS/2100MFLOPS，因此TMS320C672x DSP适用于高端超声波成像应用。而采用90nm工艺和TI第三代VelociTI VLIM架构的TMS320C64x+定点DSP则适用于中端超声波成像应用，其具备1.2GHz时钟频率和9600MIPS性能。另外，这些DSP同时也能为MRI系统提供梯度处理控制以及为图像重构引擎前端的信号提供处理。 在医疗电子产品开发过程中，DSP和ASIC是传统实现数字波束生成器的主要器件，但随着处理任务的加重和复杂度的加深，具备并行处理能力和低功耗的FPGA在该领域逐渐成为主流。迈瑞的万力劢技术经理表示迈瑞在医疗成像应用上一直都在应用FPGA，因为迈瑞认为FPGA在灵活性、并行处理能力上胜过DSP。医疗电子设备的出货量一般不会十分庞大，若使用ASIC会使研发成本投入较高，FPGA则由于其灵活的可编程性而具备一定优势。 传统使用定制ASIC实现图像算法重构和后处理的方法十分不灵活，多核处理器的并行处理通过算法分割处理使性能大幅度提升。已在游戏应用取得瞩目成就的IBM Cell/B.E.多核处理器已将具有复杂的数据处理和图形分析的高端医疗成像定位为其下一个重点应用。去年九月份，上海交大学子就凭借“基于Cell/B.E.引擎架构的精确CT重构”获得了IBM“Beyond Gaming”学生设计挑战赛的欧亚组冠军；而今年1月份，IBM则和Mayo Clinic宣布创建以Cell/B.E.为计算硬件核心的医学成像信息创新中心来推动医学成像技术。 从目前的情况来看，集成了DSP处理内核的新型FPGA器件和多核处理器由于具备并行处理能力，在医疗电子中的应用迅速增长，并开始逐渐代替传统的处理技术。而DSP则通过不断地提供处理性能来满足医疗成像的更高清晰度需求。 终极目标：远程医疗 飞思卡尔亚太区MCU产品高级市场经理黄耀君认为，简化用户接口对于家用或可佩戴的健康护理设备(例如胰岛素泵、血压检测和便携式自动减颤器)的设计尤其重要，一键式操作或简单的触摸屏GUI可以为病人带来很大的方便，特别是对于残疾人；其次，家用或可佩戴的健康护理设备面临轻型化和低功耗趋势，未来很多的电子健康护理设备可以连续操作很长时间。半导体厂商在芯片上集成相关功能从而允许设备开发人员控制功耗以满足产品的低功耗需求。例如TI的MSP430系列和飞思卡尔的QE系列超低功耗MCU。而Microchip的DsPIC33F系列芯片也具有空闲、睡眠等多个省电模式，各个模式还有多个选项方便设计人员灵活缩放功耗。 康体佳健康联盟(Continua Health Alliance)是致力于推行医疗设备连接和安全标准的组织，她目前拥有ISO/IEEE 11073医疗信息总线和射频无线、USB 个人保健设备以及Bluetooth医疗装置功能等工作组。该联盟定义的便携式/消费类医疗设备用的蓝牙和USB传输技术即将推出。在新兴的远程医疗、药物跟踪和病人信息记录等应用的推动下，众多半导体厂商也推出支持有线/无线接口的医疗芯片和方案。例如，飞思卡尔的32bit Coldfire产品可以用来支持便携式医疗监护设备的USB和以太网连接。 可见，因应便携式设计户外移动性、低成本需求，小型化、低功耗和支持先进传输标准将是医疗应用MCU的共同特点。 本文小结 在广阔需求的推动下，新型的医疗电子设备不断涌现。大多数的医疗设备还只是能够监控和测量某个参数，新型医疗设备需要改善整体速度、质量和准确度。未来的便携式/消费类医疗设备将更小型化、更具移动性以及可以进行无线数据交换以提供远程医疗服务。这些趋势驱使着半导体器件根据应用的不同而朝更高精度、更高性能或者更低功耗、更高集成度发展。 (end)

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