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闪存FPGA助力医疗设备愈发轻便可靠

发布时间:2019-08-15 15:20:58

  便携式医疗设备的系统设计工程师正面临到许多问题,其中包括缩小体积、增加功能性和延长可植入人体设备所用电池的寿命,同时还要藉由最佳的可靠性和功效来确保设备安全无虞。另外,在放射治疗环境中使用的设备,易因电离辐射而产生单事件翻转(SEU),工程师也须将此一影响纳入设计考量,因为这些挑战皆可能会导致使用者在操作上出现危险状况。

  本文将介绍现今微型化医疗设备所面临的技术挑战与因应之道,提供医疗设备产品开发人员以高效能FPGA为基础的解决方案,藉此打造低功耗、高可靠度的产品。

  高整合度FPGA助力 医疗设备大吹微型风

  微型化已成为医疗设备市场主要成长驱动力,如植入式心脏整流除颤器(ICD)和心律管理(CRM)等产品,都已迈入微型化设计。不只如此,产品开发人员透过缩小设备体积,让产品使用较小的电池,同时改善产品功耗。

  图1是Given Imaging采用微型化技术所开发出的Pillcam无线内视镜成像胶囊,此一产品因采用客制化RF收发器而缩小了电池的体积,因为它让胶囊的功耗低于7.5毫瓦(mW),同时还可以在8小时的工作过程中每秒传送多达十四个图像。

  图1 Pillcam无线内视镜成像胶囊示意图

  除客制化RF收发器外,现场可编程门阵列(FPGA)元件也是让医疗设备微型化的重要因素。过去传统的设计工程师一直都是以()、特定应用标准产品(ASSP)芯片和小型元件,开发用于便携式医疗设备的人机界面(HMI)和微型马达控制器,这种方法不仅难以缩小设备的体积,也不适用于优化十分重要的传感器和致动器的通道数目。反观,以FPGA为基础的解决方案则非常适合在较小的封装体积中加入更多的功能性,满足那些要求外形尺寸小的设备设计需求;同时它们还提供可让用户升级设计的附加优势,因而能够支援新的标准或提供更多的功能性。

  与替代解决方案相比,FPGA元件还有助于降低功耗。例如便携式医疗设备中的液晶显示(LCD)面板功耗占掉应用设备功耗预算的一半,解决之道就是进行系统设计,尽可能地将LCD和控制逻辑置于功耗节省模式,以大幅降低电池的耗电量。由于ASSP并未考虑到医疗市场的实际需求,所以产品开发人员要以 ASSP开发这些设计是有其困难度,若利用具备可编程特性的FPGA开发低功耗设计则较为简单。

  此外,产品开发人员也可采用空间使用效率高的半导体封装技术来缩小设备的体积,例如芯片直接封装(Chip on Board, COB)组装、芯片堆叠(Chip on Chip, CoC)以及先进的叁维( D)封装。这些封装技术可将心律管理设备的整体电路空间减少多达80%;其中,最有效的技术之一就是芯片堆叠方法,它可缩短互连的长度和降低电阻,同时还可提高良率。

  芯片堆叠可让设计工程师将多种晶圆处理技术组合在小小的体积中,同时改善测试存取点。在下一代堆叠芯片解决方案方面,薄型互连封装堆叠(Thin Interconnected Package Stack, TIPS)专案已有显着的进展,这个专案是由奈米电子研究机构IMEC与企业和社会组织合作投资开发的,TIPS专案提供了降低元件高度、缩短长宽尺寸,同时还具备单模组优势的封装方法。

  防范骇客篡改资料 闪存FPGA立大功

  现今新一代的FPGA元件还提供重要的安全特性,以确保医疗设备可进行合法的升级。由于便携式医疗设备常处于被窃、伪造、售后市场篡改和过度生产 (Overbuilding)的风险中,这些风险中的每一项都会给医疗设备市场带来严重的后果。例如若是将错误的软体下载到胰岛素泵中,或在设计中用到了仿冒零组件,任何一种情况都有可能让胰岛素泵给出不准确的剂量,增加病患受到伤害的风险。

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