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仪器及医疗电子发展新趋势

    医疗技术的发展以及医疗保健费用的提高,促使临床向自助保健方向转变。在这种趋势的推动下,家用医疗设备市场预计在2009年150亿美元电子设备消费的基础上,将在接下来的5年内实现9%的复合年增长率。这对于国内企业来说将是一个巨大的商机。

    目前中国制造的个人健康状况电子监测设备主要包括电子秤、人体脂肪分析仪、电子体温计、血压计和心率监测仪等。2008年,仅血压计和个人电子秤的出货量就超过了1.12亿个,约占出口保健与个人护理产品的五分之一,销售收入为7.45亿美元,主要销往欧盟。与2007年的统计数据相比,销售数量下降了4%,但是销售额却增长11%。

    许多器械和医疗系统使用电源视频输出,以方便诊断,因此会大量应用信号处理技术。

    放射成像,断层成像,超声波和荧光透视是这些应用的一小部分实例。

  要实现这些功能需要广泛的科技知识,而性能和功耗之间的权衡依然存在(即使随着技术不断进步,这种权衡已经越来越少了),使得关注的焦点集中在适于使用的技术上。一般来说,高端处理是指可编程逻辑方案和DSP,而将功耗作为关键因素的低端领域则是指微控制器。当然,这些科技之间的差别正在以极快的速度减少,如今可编程方案已经能在在手持设备上找到了。

  诸如FPGA和CPLD的可编程逻辑现在已经融合了完整的微控制器和其他的专用软IP模块,而且具有多个并行路由通道,负责在一个时钟周期的时间内执行全部算法。请注意这样的系统包含了较长的管线,意味着可以在一个时钟周期内处理算法,但是从获取输入到对输出产生影响为止会存在延迟。

  由于这些算法的实现是通过数字的方式,所以性能是一个需要考虑的问题。处理算法越快,产品就具有更大的灵活性和更高的价值。然而高速可能意味着更多的功耗和更短的电池寿命。

  FPGA具有许多传统组件所没有的优势,特别是针对中低产量的设备。

  芯片的可编程特性最多可以节省大约30%的开发时间,而且可以在以后进行升级。使用FPGA也能减少昂贵的电子元件的消耗,由于芯片设计的复杂性以及硅处理技术变得越来越复杂,FPGA已经越来越常见了。

  对于其他应用中的处理器核心有许多可供选择。如今在RISC更为常见的工业应用中,ARM7核心已经被诸如NXPAtmelSTADI等微控制器生产商广泛使用,同时ARM9也越来越受欢迎。Freescale等i.MX应用处理器基于高度集成了LCD控制器的ARM9处理器,在成像领域中正在获得越来越多的关注。

  对于成像应用,MIPS也正在努力从消费者/连接领域的主导地位向该市场进军,通过与Microchip联手,借助MIPS32核心开始登上32位处理器的舞台。偏好CISC架构的设计者可以从Intel和Renesas等公司找到实例。

  对于实时成像,尽管受到FPGA的强大威胁,DSP仍然占据了优势地位。在同一块硅芯片上同时包含MCU和DSP新型的平台已经问世,可以进行图像处理和通用处理。TI的最新款达芬奇处理器,是专为多媒体应用设计的。Freescale和ADI也提供非常强大的解决方案。

     高性能模拟组件

  无论在器械还是医疗应用领域里传感都是一个很大的范畴。例如,赛普拉斯(Cypress)半导体公司的CapSense和ADI的CapTouch技术的出现,为触摸屏技术实现创新的HMI解决方案提供了新的可能性。

  在医疗和器械应用中,以及其他诸如ATE和军事/航天工业中,对于模拟组件的需求都及其相似。所有这些领域都需要低噪音,低失真,高速度和低功耗的放大器;数字编程放大器和宽位转换(最大达到24位)。

  人体接触

  人们通常需要器械和医疗设备的输出结果。这就意味着数据的转换和表示都必须清晰明了,并且对于必须与人体进行互动的医疗电子器械,例如心脏去颤器,其输出则必须精确。

  ESD在这里扮演了一个重要角色;由于在空气温度中的不一致性,使得ESD成为一个特别难以预测的参数。最近一份来自凌力尔特(Linear Technology)的文章提出,冬天的干燥天气情况下穿皮鞋从羊毛毯上走过能产生10KV到15KV的电压,而在夏天湿润天气所产生的电压则小于2KV。这些聚集在人体上的静电被称作摩擦电,人体在某些情况下能聚集35KV的电压,因此这是设计工程师必须考虑的问题。由于这个原因,已经设计出各种常见的测试以用于减少对使用中的设备的损害,并且提供持续工作的能力。在美国最常见的测试之一,是以承受力更强的日本机械模型作为参照,用人体模特模拟人类接触一台电子设备所产生的ESD放电波形。一般情况下,当用人体模特进行测试时,RS232收发器能承受超过±10KV的电压。更加常用的IEC801测试时为±7.5KV。凌力尔特的LTC2850就是该测试的一个实例。

 

  设计者可以通过屏蔽产生辐射的电路和线缆系统,旁路设计,电路板布局以及许多其他技术来控制产生的辐射。有几种美信(Maxim)/达拉斯(Dallas)的振荡器和频率发生产品包含了低EMI设计。一种最近开发的技术叫“发散”,或抖动,计算机和电源中使用的时钟中心频率在一个频带上发散所产生的辐射能量,而不是在一个频率上发散能量。

     便携医疗产品和医疗信息化配套产品是目前国内嵌入式系统厂家切入医电子市场的亮点。赛迪顾问在中国国际医疗电子大会上指出,除了迈瑞以外,国内本土的医疗器械的生产厂家还很少,即使包括国外厂家还远运没有占领市场的多数份额,48%的市场还待开拓,国内医疗电子生产企业的机会很多,见图一;经过二十年的发展,国内嵌入式系统应用已经达到了相当的水平和规模,尤其是在消费电子和计算机信息产品方面,比如我们的手机、媒体播放器、GPS、上网本、电脑和家电产品的批量生产带来了在采购半导体元器件,配套加工等方面的优势。举个例子,手机(特别是大屏幕)的流行,使得手持工业测量仪采用3-5寸高精度触摸屏变得非常容易和便宜,这之前往往是采用单色字符和灰度屏;再有32位ARM MCU广泛使用,特别是以Cortex M3 为代表的高性能、低功耗的新一代MCU,让基于ARM、嵌入式操作系统、标准外设(比如USB、CAN、Ethernet,…)的便携式嵌入式系统更加标准化、小型化和节能化。当然,传统的嵌入式系统芯片厂商,借助它们在生物传感器图像管理和MCU/DSP上的整合优势,在医疗电子领域的优势依然明显,比如TI公司基于MSP430的血糖仪和血氧仪方案。

  显然接下来的10年将是包括了器械,成像和医疗监护的保健市场成长的10年。将会大量出现的技术进步也会对核心器械,自动化和工业应用中的辅助开发产生影响。我们专注于这些技术开发,确保将最新的产品以最快的速度引入市场,以便对这些现有的先进技术进行利用。

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