混合信号FPGA促进临床医疗应用发展

      由于医疗服务成本的不断攀升、慢性病的流行、人口的老龄化，以及中国、印度和巴西等大规模新兴市场的崛起，对价格低廉又稳健可靠的医疗设备的需求非常庞大，以期改善全球数百万病患的治疗和护理条件，并扩大疾病治疗范围。另一方面，医疗设备设计人员也在研究来自不同行业的新技术，致力于提升下一代设备的诊断、监控和治疗能力。

      为使医疗设备价格更低廉、更便于病患使用，有两种趋势随之出现――小型化与便携化。今天，医疗设备制造商能够把整个系统整合在一个手掌大小甚至更小的便携式设备中。比如，EKG(心电图)、血液透析仪和病患监控器等临床医疗设备都是医院/诊所的必备装置，它们的体积也在不断缩小。曾经必须固定在墙上的庞大设备，如今已可配备在移动诊所、救护车甚至医生的“出诊“包中。

      小型化和便携化发展趋势的蕴意之一是这些复杂仪器必须足够可靠，能够适用于更大范围的工作环境。以往，这些仪器只要能够在洁净的操作室、诊所或实验室正常工作就足够了。但如今，现代医疗设备还必须能够在移动诊所或救护车里提供相同的精度和可靠性。

      许多临床医疗设备都是基于微处理器的机电装置，采用同一套构建模块：功率控制和温度管理；包括键盘的用户接口；LCD监控器和音频控制；用于数据记录的闪存或EEPROM；以及用于连接其它仪器的设备接口。虽然存在众多相似性，但每个医疗应用设备的专用性仍然相当强，而且往往非常复杂。

      因此，除了“核心”构建模块元件之外，临床医疗设备还包含了对应于自身任务的独特的诊断或功能性“模块”。例如，超声波检测仪带一个传感器探头，具有传感器脉冲控制功能；而血液透析仪则采用了一个透析器。这些千变万化的特性以及复杂的功能性都集成在小占位面积、低功耗、高精度且工作可靠的芯片中，这使得临床医疗设备成为可重编程非易失性半导体技术的一个绝佳市场。基于闪存的混合信号FPGA不但拥有高集成度、智能功率与系统管理功能、小占位面积及高度可靠等优势，尤其适合于这些应用。

应用实例：血液透析仪

      血液透析仪用于过滤血液、连续控制和监视静脉/动脉血压，并在治疗期间管理抗凝剂的给药。在透析时，血液从人体被抽取到血液透析仪中。仪器里的透析器(过滤器)对人体产生的代谢废物进行清除，使血液恢复正常的电解液平衡，并去除多余液体。然后，再把清洁的血液送回人体内。为了实现其主要功能，血液透析仪通常采用好几个微控制器，用于监视和控制血液与其它体液的流动、发出警报，以及在必要时关闭仪器(如图所示)。

      一个典型的血液透析仪包含了若干专门设计的构建模块。比如，功率控制模块执行温度感测以实现风扇驱动，也执行看门狗和电池备份功能。用户模块通过键盘或触摸屏输入病患信息，实现治疗参数的个人定制化。它还能够帮助医疗服务提供者更好地监控透析期间病患的身体状态和治疗效果。

      数据记录/通信接口则管理闪存/ EEPROM以及通信端口的使用。音频/警报输出功能只要通过几个模块和控制器就能实现，及时发出状态警报。

      信号调节/传感器控制模块与透析器及导管等系统机械部件紧密集成，共同控制各种抗凝剂的给药；利用比较器、通用高精度运放以及ADC来控制和感测温度；控制透析液的混合和流动，及其它临床功能。

      泵/电机控制及驱动器电路管理设备中众多的泵、阀、电机和加热器，而动脉和静脉控制功能监控电平和压力传感器。值得注意的是，尽管泵/电机控制和动脉/静脉控制监控器为血液透析仪所独有，其它众多控制器却是大多数临床医疗设备通用的。

多功能集成

      今天的单芯片闪存混合信号FPGA带有集成式模拟功能、闪存、FPGA结构，常常还有嵌入式行业标准微处理器。因此，它们相当于一个系统，能够执行功率管理和热管理，控制临床医疗设备的各种功能――从系统上电/断电功能及数据记录到温度和电压的感测。

      有了混合信号FPGA，系统板上的许多元件都变得多余而得以去除，其中包括闪存、PWM、分立式模拟IC、时钟源和实时时钟。由于基于闪存的FPGA把它们的配置信息存储在片上闪存单元中，故无需象基于SRAM的FPGA 那样在系统上电时加载外部配置数据。因此，在每次系统上电时，这些闪存混合信号FPGA不需要EEPROM或微控制器这样的单独系统配置元件来加载器件配置数据。这就降低了系统成本和板空间要求，同时提高了医疗设备的安全性和系统可靠性。

      此外，这些高度集成的器件让设计人员能够把原本由好几个分立式元件提供的功能完全整合在单个高度可靠的混合信号FPGA中。例如，一般包含有看门狗组件、风扇驱动器和温度传感器的功率控制模块就可以由单个混合信号FPGA器件所取代。混合信号FPGA还能够提供原本由电机/泵驱动器模块提供的全部功能性，包括微处理器和ADC。

      透析设备中的用户接口通常包括键盘、触摸屏或LCD显示屏，以及扬声器。设计良好的接口可以让医疗服务提供者更好地监控病患状态，有效执行治疗方案。这些功能可以全部集成在一个混合信号FPGA芯片中。该设备中的嵌入式微处理器和闪存能完成数据记录任务，而其它IP解决方案可帮助管理数据输入、警报及其它任务。

      在血液透析仪中，由功率和热管理单元来执行关键任务，比如血液的温度感测和系统断电/上电功能。采用单独的模块精确测量温度并控制系统功率可能会增加成本，但也会提高设备的可靠性，从而延长产品的使用期限和病患的寿命。现今混合信号FPGA中的模拟电路使得这些关键性功能能够被轻松集成和实现。

      分立式器件的去除，以及把处理功能、模拟输入输出、实时时钟及闪存等多项功能集成在单个混合信号FPGA中，可以提高可靠性、降低成本和功耗，并尽可能地减小板空间。

           图：一个典型的血液透析仪采用好几个微控制器，用于监视和控制血液与其它体液的流动、发出警报，以及在必要时关闭仪器。