原创 怎样应对医疗电子设备日益复杂的设计挑战？

医疗电子设备要从微弱而复杂的人体电信号中采集有效信息，并根据这些信息进行监控、显示和疾病诊断，同时还要避免医疗电子设备对人体造成伤害，因此技术人员在医疗电子设 备的开发过程中面临诸多挑战。日前，2008中国国际医疗电子技术大会（CMET2008）在深圳隆重举行，来自医疗电子科研机构以及TI、ADI、 Xilinx、Altera、Actel、NI等国际半导体供应商的专家们发表了精彩的主题演讲，并与众多与会的医疗电子企业的技术人员就医疗电子趋势和 日益复杂的设计挑战进行了交流与探讨。

大型医疗电子设备采用专用半导体器件

深圳西门子迈迪特磁共振公司的倪成博士在“大型医疗设备中的电子技术”主题演讲中表示，大型医疗设备主要是用于诊断和治疗，其与民用的或便携式医疗 电子设备的开发有很多不同的考虑。例如在磁共振成像(MRI)系统中，一般采用高速FPGA来实现时序控制、数据传输，而高性能DSP则被用于实时安全监 控。大型医疗设备的开发很少是从市面采购器件，而是与半导体供应商合作开发的专用器件，因此大型医疗电子设备的开发需要和半导体供应商建立比较长久的的合 作关系。大型医疗设备的非实时的数据需要总线协议进行控制，目前西门子、通用、飞利浦的大型医疗设备都有选用CAN总线，而采用Ethernet Powerlink(EPL)也逐渐成为一种潮流，但是这些总线并不适合诸如心电图、生化分析仪这类设备采用。另外，倪博士还向那些打算开发与磁共振设备 配套使用的测试仪器的企业建议，必须保证配套仪器是完全无磁的，否则会造成配套仪器和磁共振设备的互相干扰，因此有此计划的企业最好是找磁共振厂家进行合 作。

低功耗：便携式医疗设备的显著需求

从不同半导体供应商专家们的演讲中发现，为提供更长的电池寿命，低功耗成为便携式医疗设备用半导体器件的共同特征，而高性能、高集成度则是便携式医疗设备用模拟器件的主要特征。

图1：SRAM内的软错误和固错误。

图2：固错误对SRAM FPGA的逻辑有严重的影响。

Actel亚太区技术经理戴梦麟建议在选择FPGA进行医疗设备设计的时候要把可靠性作为最高的考虑因素。由于SRAM FPGA要实现超低功耗工作通常需要把器件待机而关掉电源，因此在休眠前就要把SRAM的寄存器状态存放到非易失性存储器里，这使得SRAM FPGA对设计和成本造成很大的影响。(见图1、2)Actel的低功耗FPGA使用Flash Freeze技术降低功耗，支持该技术的器件只需1us就可以进出低功耗模式。而Flash Freeze工艺的FPGA器件在提供低功耗特性的同时也能使寄存器的内容得到保持，因此Flash FPGA不但具有SRAM工艺和反熔丝工艺FPGA的优点，也能对“固错误”进行免疫。戴梦麟强调Actel的proASIC3L系列器件是真正的单芯片 Flash GPGA，比那些只是将SRAM FPGA与Flash FPGA进行混合封装的器件具有更高可靠性和更低的成本。

在本次大会上便携式超声成像系统成为半导体供应商提及最多的医疗电子设计。最新的超声成像系统都采用数字处理信号链、更高采样频率以及朝着便携式的 方向发展。在这些新型的超声系统中需要显示3D乃至4D的高质量彩色图像。随着超声系统的设计的复杂化，如何应对现代超声成像的设计挑战呢？两大FPGA 巨头，Xilinx和Altera都建议在超声成像的波束生成器(Beam Former)设计中采用具有DSP性能的FPGA。

图3：Xilinx的高性能数字波束生成器方案。

Xilinx亚太区DSP产品和解决方案营销业务高级经理林鸿瑞表示便携式超声系统的一个趋势就是越来越多的数据需要越来越快地被处理，因此超声成 像系统的波束生成器将需要更多地使用可编程的高性能DSP平台。Xilinx的低功耗FPGA通过使用DSP48 Slice提供全频谱的高性能FIR滤波器、FFT算法甚至是浮点运算，同时也降低了成本。

图4：Altera器件在超声系统中的应用。

随着需要的探头数的增多，波束生成器的通道数也相应增多，则意味着需要更多的DSP功能和更高速串行接口，而PCIe接口和新型的 DDR2/DDR3也将在新型的便携式超声系统中流行。Altera资深技术市场工程师赵敏指出，在超声系统设计当中使用高速的Stratix III FPGA能应付高性能波束生成器所带来的这些挑战，因为Stratix III器件具有大量的DSP模块实现滤波和加权功能并支持多个通道，同时还是目前唯一支持DDR3的FPGA；同时由于采用可编程功耗技术、可选内核电压 以及优化的芯片工艺，Stratix III器件的功耗得到大幅度降低，从而成为业界最低功耗的高性能FPGA。

图5：ADI的超低功耗PulSAR ADC具有众多优点

ADI医疗仪器产品经理Paul Errico表示连续波多普勒超声系统的图像质量需要不断地得到改善，因此设计过程中应该选用高性能的模拟器件，同时为便携式超声系统选用高集成度模拟器 件也使得整体成本更低。Paul Errico在大会上介绍ADI针对连续波多普勒处理推出了高性能八通道单芯片模拟前端AD9271、四I/Q解调器AD8339以及超低功耗的16位 ADC AD7980。其中，AD9271集成了LNA、VGA以及12位流水线ADC，不但能改善便携式医疗设备的图像质量、更小的芯片面积和低成本优势，也提 升了电池的使用寿命和可靠性。

图6：双极型工艺和CMOS工艺对超声波系统前端器件参数影响的对照。

无独有偶，TI在大会上也介绍了一款高集成的八通道模拟前端AFE5805，因为模拟前端是决定图像质量和总体系统性能的关键，不过该款低功耗模拟 前端是在一个封装里集成了LNA、VCA和ADC。TI模拟产品信号链应用工程师陈红生在大会上强调，面对连续波多普勒超声系统所带来的噪声、带宽以及面 积等设计挑战，采用双极型工艺和CMOS工艺对不同功能模块的参数具有不同的影响(见图6)，因此工程师要注重对模拟前端功能模块的工艺的综合考虑。