仪器及医疗电子的发展趋势

仪器及医疗电子的发展趋势



　　本文将只专注于两个方面：高端成像系统和便携式诊断系统。这两种类型的应用都具有相似的需求，即能够提供高性能和高精度的组件。

　　以上提到的系统需要准确的测量，精确的数据处理和高度复杂的数字处理，特别是输出形式为图像或视频的情况。这些技术也转移到了其他领域，比如军事/航天和运输。

　　硅设计的进步意味着关键性半导体的精密程度已经极大提高，特别是DSP，FPGA，微控制器和高性能模拟器件。同样的，由于这些应用中加入了触摸屏和更加精密的人机界面，所以成像科技正在融入越来越多的传统半导体领域。

　　处理

　　许多器械和医疗系统使用视频和图像输出，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NXP，Atmel，ST和ADI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。

　　FCC和其他国际规定用于降低来自于电子设备的辐射。EMI(电磁干扰)

　　规则降低电子设备之间的干扰并提出健康和安全的问题。

　　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。

　　无论怎样，都需要电源

　　电源可以通过从电池到高电能AC插座的几种方式提供。助听器，起搏器和手持器械都尽量延长电池寿命。而磁共振成像(MRI)和X光机则需要在短时间内提供高能高压，以驱动RF发射转换器，还有某些设备具有带伺服电机的病床系统，以方便患者移动和放置。

　　不仅对于电路电源管理，而且对于周边组件-电阻，感应器，电容，继电器和连接器，供电布线也同样重要。后面的文章研究了该范围内某些产品的有点和缺点，以及法规方面的问题。

　　以后的工作是什么?

　　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。