关于医疗电子设备设计的一些建议

医疗电子设备正变得越来越复杂，工程师在开发这些设备时也面临越来越多的挑战，如何应对这些挑战？4月21日，由创意时代主办，中国电子学会生物医学电子分会协办的2008中国国际医疗电子技术大会以下（简称CMET2008）隆重召开。本次大会吸引了包括西门子迈迪特磁共振有限公司Actel、TI、NI、Xilinx、ADI、Altera在内国际医疗电子元器件供应巨头参会。与会专家就本土医疗电子设计发表了精彩的演讲，并给本土医疗电子设计人员提出了一些好的建议。

     西门子迈迪特磁共振有限公司研发副总裁倪成博士结合西门子开发大型医疗设备的经验对开发大型诊断设备研发人员提出如下建议：
　　1、要在早期介入磁共振系统的开发，而且一定要注意设备不能含有磁介质，否则会导致开发设备工作故障；
　　2、在系统总线上可以选取CAN或EPL这样的成熟总线技术；
　　3、即使自己开发的设备已经通过EMI等标准，但也不能保证该设备就能和磁共振设备兼容，所以一定要进行严格的安全测试；
　　4、本土医疗电子制造商往往只有较少的研发人员，这和外国医疗电子制造商动辄上百人的开发团队相比没有优势，所以本土开发人员应该先瞄准能降低成本且能产生效益的设备开发。
　　5、未来要考虑医疗信息的整合。
　　Actel公司高级现场应用工程师兼亚太技术经理戴梦麟认为医疗电子关乎人的生命，所以必须具备高可靠性，由于宇宙射线中的种子穿透力极强，会影响目前硅器件中的分子状态，所以医疗电子开发人员在选取半导体器件时要注重器件的抗辐射能力，而且，这种影响会随着半导体工艺尺寸的缩小会愈加严重，所以必须引起高度重视，同时他强调也要考虑便携式医疗设备的低功耗需求。


图1：中子引起硅器件内部错误示意图



图2：半导体工艺尺寸与错误几率示意图

     TI公司MSP430便携医疗产品市场拓展专员鲍震指出便携式医疗电子产品的开发除了关注低功耗特性外，还应注意对开发代码的保护，他强调MSP430内部有保险丝，在触发保护时会将数据总线和地址总线全部熔断，达到对设计保护的目的。


图3：MSP430的设计代码安全性保护机制

      另外，他表示，由于本土血糖试纸的成功率已达80％，所以本土血糖仪产品的成本可以进一步降低。
　　Xilinx亚太区DSP产品及解决方案营销业务高级经理林鸿瑞表示随着超声设备从单色向彩色发展，从2D图像向3D、4D发展，超声设备通道数会大大增加，这样就需要高性能的波束合成架构，而且随着医院对超声设备图像分辨力和时间分辨力的需求提升，设备所需的运算量会大大增加，这时，开发人员应多考虑采用在并行DSP处理方面有优势的FPGA器件，可以达到不但降低系统成本还能加速开发的目的。

图4：一个典型的超声设备系统框图

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 ADI医疗仪器产品经理Paul Errico结合自己从业20余年的经历指出医疗电子设备的开发是最具挑战性的，因为它对信号拾取、处理、输出的精度要求非常高，而且医疗电子设备的生命周期很长，至少都有25年以上，所以开发出的设备质量要很高。他对医疗电子开发提出了如下建议：
　　1、医疗影像设备未来需要高质量的图像，同时，要每秒帧数也在提升，所以要选取高性能器件；
　　2、超声设备未来的发展趋势是低功耗、高性能和小型化，所以要考虑器件的集成度；
　　3、要达到最高清晰图像，就要注意设备模拟前端器件的选取；



图5：要实现高清晰度影像的器件配置
　　4、在ECG设计中，要注意CMRR是重要的指标，它可以提升监护准确度，又可以保护患者；
　　5、低抖动时钟信号在高速信号处理中非常重要，它可以有效优化SNR和ENOB（如图6所示）。



图6：低抖动时钟对改善SNR和ENOB非常有效

　Altera资深技术市场工程师赵敏认为超声设备未来将会越来越多地用到FPGA，另外还将采用更多的高速串行接口，在内部总线会采用PCIe，而内存则会使用DDR2或DDR3，此外系统还有低功耗和更多通道数量的需求，要应对这些挑战，他给出如下建议：
　   1、使用含大量DSP模块的高性能FPGA；
　　2、要考虑使用能支持多种I/O和存储器接口的FPGA器件；
　　3、要多使用能实现快速集成的IP工具进行开发；
　　4、由于超声设备前端模拟器件和FPGA之间需要大量通道，所以要选用支持LVDS接口的FPGA器件；
　　目前，在医疗电子设备的开发上，除了要解决技术难题外，工程师面临的更多是加速产品面市的压力，如何让一个好的想法尽快实现并产生经济效益？美国NI公司市场工程师汤敏结合客户的成功案例提出了几点建议：
1、利用图形开发平台和FPGA紧密结合，将算法直接使用；
2、利用图形开发平台和传感器以及测量设备紧密结合，缩短调试时间；
3、利用图形开发平台让设计人员关注算法缩短硬件设计时间从而加速产品面市；



图7：利用NI的LabVIEW平台，几个大学生仅用数月时间就成功开发出了能利用脑电信号控制运动的轮椅