《電子技術應用》
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半導體廠商角逐醫療電子 產品技術不斷出新

2008-07-24
作者:馮曉偉;趙艷秋

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??? 由于“新型農村合作醫療”政策及國內醫療設備" title="醫療設備">醫療設備企業的出口拉動,我國醫療電子快速發展,這吸引了各大半導體廠商加快醫療電子研發的步伐,推出一系列低功耗" title="低功耗">低功耗、高性能" title="高性能">高性能產品。

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??? 亞德諾

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????增加通用器件系列并開發新型替代技術

????針對醫療設備市場的發展趨勢,ADI(亞德諾)在產品上有三大研發方向:

????一是不斷增加通用器件的產品系列,同時注重提高產品的性能指標和降低成本。例如,10Msps采樣率使AD7626成為世界上最快的16位SAR(逐次逼近寄存器)ADC(模數轉換器),同時,92dB的信噪比、正負1LSB的積分線性誤差、正負0.3LSB的微分線性誤差、130mW的低功耗也使其成為高性能的數字X光機和MRI(核磁共振)設備的理想解決方案。

????二是開發新的替代技術產品。例如,iCOUPLER磁隔離產品替代光耦隔離,MEMS(微電子機械系統)可以檢測線加速度和角加速度,這些新技術有助于簡化電路,優化設計,增加可靠性,同時減小尺寸和功耗。ADuM2400系列4通道數字隔離器件,工作電壓為3V或5V,數據傳輸率可高達96Mbps,它為設備和病人的安全提供了保障,可以在心電圖機等設備中廣泛應用。

????三是根據醫療設備的特殊需求開發專用的高集成芯片,例如超聲設備模擬前端。AD9271是業界第一顆完全集成模擬前端,單芯片產品集成了8通道的低噪聲放大器(LNA)、可變增益放大器(VGA)、抗混疊濾波器(AAF)以及12位模數轉換器(ADC),同時為連續波多普勒成像預留了信號接口。AD9271為便攜式超聲醫療診斷帶來出色的圖像品質,同時其帶來的便攜性也使得超聲設備的應用擴展到醫院外的更多場合,使診斷更及時,而設備的可靠性也得到更大的保障。

????ADI針對醫療市場的要求,基于核心模擬和數字技術,在以上三個方面還將持之以恒地投入,不斷提高產品技術,降低成本,推動醫療設備技術和市場的發展。

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????德州儀器

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????新推多款醫療電子模擬鏈路產品

????在醫療電子領域,TI(德州儀器)的產品線十分豐富。今年4月,TI宣布推出全面集成的AFE(模擬前端)系列———AFE58xx。該系列產品可滿足從便攜式產品到高端超聲波診斷設備在內的各種應用需求,從而進一步拓展了TI高性能模擬技術在醫療成像市場領域的優勢。

????TI的AFE58xx系列具備更出色影像質量與更低功耗的創新超聲波系統設計。該系列的首款器件AFE5805能滿足便攜式超聲波市場的特定需求,與此前的集成式解決方案相比,占用空間節省了近一半,功耗降低了20%,噪聲減小了40%。

????今年7月中旬,TI推出AFE58xx系列的第二款器件———AFE5804。該器件是面向便攜式超聲波設備的一款全面集成的新型模擬前端,是TI針對醫療超聲波領域專為要求低功耗與小尺寸的超聲波系統而精心設計的。

這款八通道AFE的功耗比同類競爭產品低30%以上,這不僅有助于顯著延長便攜式系統的電池使用壽命,而且還能進一步提升影像質量。

???同樣在7月中旬,TI推出了適用于便攜式心電圖檢測儀等醫療電子設備的零漂移儀表放大器———INA333,該器件是高精確度、低功耗以及低電源電壓的完美結合。與性能最接近的競爭產品相比,該器件實現了最低的靜態電流與輸入偏置電流,同時具備出色的功率噪聲比、極低的失調電壓和1.8V工作電壓等眾多優異特性,在提高精確度與穩定性的同時還將顯著延長電池的使用壽命。

????除了模擬領域的放大器、ADC(模數轉換)、電源管理器件及接口電路之外,TI的高性能DSP(數字信號處理器)、低功耗DSP以及業界最低功耗的MCU(微控制單元)產品也都在醫療產品中找到用武之地。

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????賽靈思

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????研發醫療圖像設備和便攜設備新技術

????醫療電子市場目前有兩大趨勢:一方面由于消費者對醫療保健服務有了更高的需求,對于替代2D單色圖像設備的高分辨率和3D成像應用的需要將更為強烈;另一方面,醫用和家用便攜式電子設備的需求在不斷增長,特別是便攜式超聲波設備和測量血糖、血壓等的便攜式設備能夠在家中方便地提供健康監測和預防性措施,這將導致對低功耗低成本便攜醫療電子設備的強勁需求。

????賽靈思" title="賽靈思">賽靈思擁有的許多行業領先技術不僅可用于醫療應用,而且為了滿足上述兩方面的發展,在不斷研發新技術。我們的Spartan和Virtex產品系列中的高性能DSP特別適用于高分辨率、高性能和需要3D彩色圖像的高端醫療影像設備。

????賽靈思公司的Virtex-5FXT平臺是業界首個提供多達兩個標準的FPGA(可編程邏輯門陣列)產品,加上高性能DSP,對于需要高分辨率圖像處理、高性能數據分析、高速數據傳輸的設備開發非常理想,采用賽靈思FPGA,開發人員還可以集成自己開發的專用IP(知識產權)。

????賽靈思在高性能FPGA領域處于領導地位,在許多行業用于大批量生產的產品中。在便攜式設備方面,賽靈思Spartan產品系列提供的FPGA可以用于低功耗和低成本應用。同時,賽靈思的產品在低功耗方面業界領先,在支持網絡方面更是走在前列。CoolRunnerII系列CPLD(復雜的可編程邏輯器件)是手機和其他手持設備中至今應用數量最多的PLD(可編程邏輯器件)器件,功耗極低。Spartan-3系列器件中掛起模式和冬眠模式可以分別節省40%至99%的功耗。

????在產品計劃方面,賽靈思公司將來的產品會更加低功耗,以更低的系統成本提供高速互聯功能、數字信號處理功能、嵌入式處理功能和多種IP核,為醫療產品的升級換代提供芯片和關鍵技術兩方面的支持。

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????Actel

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????低功耗可編程器件滿足醫療電子設備需求

????Actel將繼續開發以Flash(閃存)為基礎的FPGA(現場可編程門陣列)產品,ActelIGLOO系列是業界最低功耗的可編程解決方案,靜態功耗僅為其他競爭方案的1/10到1/1700。

????在醫療儀器中,由于時鐘不斷開關,為FPGA提供輸入信號,動態功耗至關重要,因此這些高性能、具有功率意識的系統設計人員將繼續轉而采用靈活的、功能豐富的FPGA,以獲得低功耗和低成本等優勢。

????醫療保健正在向基于家庭的應用轉移,比如協助病患和消費者在家中獲得醫療監控服務的可穿戴式智能設備。這些通常采用電池供電的應用設備(如家庭輸液泵、去顫器、便攜式血糖及膽固醇監控器、數字血壓監控器,以及呼吸治療產品)需要低功耗和小外形尺寸,Actel的超低功耗FPGA是理想的選擇。

????主要醫療成像應用包括X光、CT(計算機斷層攝影)與MRI(核磁共振成像)掃描儀、心電圖以及超聲波成像,這些應用需要很高的計算能力,涉及數學和邏輯運算符的組合以及高效的存儲器存取。相比前一代ProASIC3FPGA,Actel的ProASIC3LFPGA系列產品可以在高達350MHz的工作頻率下大幅降低功耗,能分別對動態和靜態功耗降低達40%和90%,從而為醫療等高性能市場領域的設計人員提供高速度、低功耗和低成本的靈活且功能豐富的解決方案。

????在時鐘經常切換且為FPGA提供輸入的應用中,動態功耗至關重要。在利用100萬門FPGA的典型高速設計中,ProASIC3L器件的動態功耗只有100mW,靜態功耗僅為1mW,而以SRAM(靜止存取功能的內存)為基礎的競爭解決方案的動態功耗較其高出60%,靜態功耗更是其100倍。

????盡管有些護理和治療方式正在走入家庭,但臨床設備仍然是最大的營收領域,其中包括:診斷實驗設備、監護儀、植入式胰島素泵,以及心臟起搏器。Actel的低功耗FlashFPGA,如IGLOO、IG-LOOPLUS、ProASIC3L和ProASIC3系列,具有不同的密度、性能和特性,非常適合于這些應用。Actel的FPGA以超低功耗、更高的安全性、性能和可靠性等優勢被病患監控系統選用。Actel的客戶之一,邁瑞醫療國際有限公司計劃繼續在下一代產品中采用Actel的解決方案,包括監護儀設備、診斷實驗儀器和超聲波成像系統。

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????恩智浦

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????產品具有小體積低功耗及通信功能

????NXP擁有豐富的產品線,32位及8位MCU(微控制單元)、模擬電路和接口等產品符合醫療設備體積小巧、低功耗以及通信功能的共性,是滿足醫療設備市場實際需求的理想選擇。例如,NXP的LPC3200系列微控制器進一步擴展了其業界最大的ARM7和ARM9微控制器產品線,LPC3200系列基于廣受歡迎的ARM926EJ處理器,為設計師提供一種高性能、高功耗效率的微控制器。

????為了迎合低功耗的需求,芯片采用90納米工藝,內核1.2V電壓運行。0.9V超低功耗模式、高效的總線陣列、先進的工藝技術優化了每個微控制器的固有功率,軟件控制的各種功能則提供了最佳功率管理,這使得嵌入式系統設計師能夠在不損失任何性能的前提下最大限度地降低功耗,以幫助醫療設備設計人員控制功耗過高的問題。

????為滿足高速數據處理能力的要求,LPC3200系列結合了一個矢量浮點協處理器,在標量模式下能將計算速度提高四到五倍,在優化矢量模式下則提高得更多,這大大提高了MCU的性能。

??為強化通信及顯示性能,LPC3200結合了高性能、低功耗和眾多的外設,被設計用來為那些要求高速并同時進行通信的應用提供靈活性。內置的LCD(液晶)控制器、以太網MAC(介質訪問控制子層協議)、大量的標準外設、具有觸摸屏接口的模擬數字轉換器A/D使得嵌入式系統設計師能夠在不損失任何性能的前提下減少片上器件數量,并且最大限度地完善設備的性能。針對醫療電子產品,NXP在年內還會推出高速率的模數轉換接口產品以及無線傳輸器件以支持市場的發展。

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????凌力爾特

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????開發低功率便攜醫療設備用ADC

????醫療市場的要求是具備高可靠性和在滿足所需性能時具備較低的功率,凌力爾特" title="凌力爾特">凌力爾特正在開發新的低功率高速ADC內核。與普通ADC相比,這個系列的功率低得多,并提供靈活的數字輸出以在導線需要連接到數字控制器時減少連線數量。

????我們新的16位低功率、高分辨率ADC系列正在促進下一代便攜式醫療成像系統的發展,諸如LTC2203和LTC2207這樣的產品正用于核磁共振成像(MRI)設備和細胞分選儀。我們的兩個高速ADC系列具有業界最低的通道至通道串擾性能,用于在電動外科工具等精密醫療設備中提高冗余度。

????凌力爾特在質量和可靠性方面聲名赫赫,這已經使我們成為向汽車行業提供電子產品的領先供應商,這一聲譽也幫助我們在醫療行業贏得市場地位。

????我們最新的高速ADC產品是16位105Msps串行ADCLTC2274。這是市面上首款運用新版JEDEC串行接口規范的數據轉換器,并與眾多的FPGA(現場可編程門陣列)高速接口相兼容。這種新接口的主要好處是能減少布線所需的數字I/O(輸入/輸出)線數量,從32條LVDS(差分信號電壓)線減少至僅有一條電流模式邏輯差分線對。這簡化了布局問題,減少了數字噪聲到模擬輸入的耦合,釋放了寶貴的FPGAI/O引腳。該ADC采用纖巧6mm×6mmQFN封裝(四側無引腳扁平封裝),在用于多通道應用時,可幫助用戶極大地節省空間和成本。

????在中國使用這些高性能ADC面臨的主要問題是美國政府要求出口許可證。凌力爾特正在用新的信號鏈路微型模塊產品系列來應對這個問題,通過向制造商提供一個完整的接收器子系統,凌力爾特可以繞過向中國出口高性能ADC所受的限制。今年早些時候,我們推出了這個系列的第一款產品LTM9001,我們還在開發更多產品,并正與很多中國制造商合作,以確定他們將來需要什么樣的新產品。

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????美國國家半導體

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????提供參考設計和系統級解決方案

????對醫療設備來說,準確性是衡量其優劣的最重要指標。因為此類設備關乎生命,毫厘的誤差帶來的不僅僅是謬以千里,更可能是對生命的褻瀆。

????設備的可靠性需要從三個層面來考慮:一是器件層面,在這個層面上,工程師需要考慮的是選取穩定可靠的電子零部件;第二是子系統,在這個層面工程師關注的是特色功能模塊的開發。此時,工程師挑選的特色IC(集成電路)除去自身的穩定性外,還必須與整個功能模塊匹配,從而確保子系統的穩定準確;第三是系統層面,在這個層面上,工程師需要有“大局觀”,做到合理取舍,從而確保設備的“準確性”不因部分“特色功能”而犧牲。

????便攜式醫療設備在賦予患者行動自由的同時也對設備的準確性提出了新的挑戰。醫療設備采用多種不同的傳感器來監視病人的健康狀況,然后傳感器將生理信號轉換成電子信號供電子設備分析使用。由于醫療設備中傳輸的信號都比較微弱,而且還會受到諸多噪聲源的干擾,因此信號路徑設計對便攜式醫療設備就顯得格外重要了。例如,從傳感器輸出的非常微弱電流必須通過高精度的放大器才能夠把微弱的有效信號從背景噪聲中分隔出來。

????而今電子業的綠色風潮已經滲透到每一個角落,醫療設備領域也不例外。能源效率正在成為衡量醫療設備設計成敗的新指標。所謂能源效率(簡稱能效),通常的表述是性能瓦特比。對醫療設備而言,就是讓每一瓦的功率都實現最高的準確性。在便攜式醫療設備領域,“能效”的重要意義不言自明,它不僅關乎診療的準確性,而且關乎“便攜”性。

????對設計師而言,一方面要采用低功耗、封裝小巧、集成度高的IC,另一方面是選擇合理的電源管理架構。當前的高效率開關和線性穩壓器都可以提供較大的輸出電流、較寬的輸出電壓范圍和較高的頻率,不僅不需要使用外部補償電路,而且允許使用更小的外部無源器件。用的無源器件越小,所需的電路板面積也就越小,產品外形也就越小巧。

????醫療設備市場一直是美國國家半導體研究和關注的重要領域,除提供一系列經過嚴格測試、封裝小巧、高能效的芯片外,我們還為系統設計工程師提供諸多設計參考、系統級解決方案,確保設計師可以借此設計出更高準確性的“諾亞之舟”。

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