FPGA将颠覆传统医疗电子设计,专家怎么看?
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世界各地对医疗保健的需求在不断增长,对保健模式的要求也越来越高。不断进步的医疗电子技术是满足这些医疗保健需求的关键。这明显的体现在两方面,特别是医院环境中。首先,预测和预防保健的发展提高了患者的生活质量,在不断发展的诊断成像平台的支持下,社会医疗保健总成本也在不断下降。其次,功能强大的、基于价值的便携式医疗设备在性能上超越了几年前的大型高成本设备,在此基础上,政府政策能够扩大医疗保健的覆盖范围。
目前推动中国医疗电子设计快速发展的几个因素包括:
● 经济增长推动了市场需求
● 人口增长和老龄化,预期寿命延长等。
● 生活水平的提高,患者更高的期望。
● 慢性病发病率的增加(肥胖、呼吸系统疾病、心脏病)
● 政府政策覆盖面越来越广:在政府投资的激励下,医院采购预算不断升级和扩张。
● 对医疗成像(可视化)和数字医疗设备不断增长的需求
目前医疗设备具备下面的特性更容易受到用户青睐:
● 便于携带,使用更方便
● 低功耗,基于价值
● 信息技术(信息化)
● 安全标准(安全性)和质量执法
● 医疗器械和生物信息学的融合
这些需求趋势对IC行业特别是FPGA提出了以下具体要求:
● 通过工艺技术进步来优化性能和功耗
● 通过硬件加速提高性能
● 灵活的应对标准的变化以及越来越强的功能
● 提供可承受的高性价比解决方案,包括总体拥有成本(EOL保护)
● 定制解决方案,更好的适应越来越多的医疗器械
John Sotir,Altera公司医疗业务部高级市场经理
在增强医疗成像技术方面,半导体器件技术的进步直接导致了诊断质量的提高。半导体性能的提高支持传感器阵列采集更多的数据,噪声基底更低,提高了信噪比。半导体技术通过高性能I/O、大容量片内存储器、更大的存储器带宽和DSP等更高效的处理硬件对大量的数据进行实时汇集、滤波和预处理。可编程逻辑的发展前所未有的提高了并行处理能力,支持当今的高级成像算法。每一代成像设备探测的数据量越来越大,由于采用复杂的迭代算法,因此,单位数据需要更多的处理资源。在提高性能的同时,还必须满足同 样的功耗需求,以及长期可靠性要求。这只有通过半导体器件技术进步才能实现,提高性能同时低功耗。
高性能便携式医疗设备的日益普及,这在超声应用中得到了很好的验证。仅在几年前,支持64通道和多种成像模式的高级超声系统会含有多块电子电路板和子系统,需要很大的机箱才能容纳这些电子器件。今天,性能相似的超声电子设备可以安装到一个笔记本电脑大小的机箱中。传感器技术的进步提高了探测信噪比,可以在一个可编程逻辑器件中实现复杂的聚束技术。灵活的可编程器件支持超声平台在其生命周期中不断进行改进。半导体技术会继续在一个器件中集成越来越多的功能,因此,更紧凑的高性能超声平台这一趋势将持续下去。全芯片系统(SoC) 器件平台能够在SoC集成封装内部和外部提供高速I/O、容量更大的片内存储器、更大的存储器总线带宽,以及硬件加速功能,例如,DSP模块、嵌入式处理器和可编程架构等,更加灵活,今后也不会过时,满足了新系统的需求。这些高度集成的SOC器件降低了功耗,减少了器件数量,减小了PCB面积,支持实现体积更小的超声设备,例如,平板或者手持式产品,其成像质量与前一代机箱式设备相似。
智能医疗解决方案是一种新的趋势,它包括从连续采集患者数据,相对于时间点测量数据对趋势进行分析的便携式医疗监控设备,到使用复杂算法处理方法对全部人口进行复杂数据挖掘的技术等。Altera的可编程逻辑在单一平台上应用了高级集成技术,支持各种医疗设备解决方案,从可穿戴式监视器、随身看护诊断,直至便携式保健服务解决方案等等。Altera固有的并行和可定制硬件支持通过硬件加速方法实现高级成像平台,使用生物信息和高性能计算平台,性能提高了几个数量级。
“移动医疗”获得政府的决策者、基层医疗医生和患者的兴趣, 这是因为承诺降低整体社会的医疗成本,提高病人护理的有效性和满足病人的需求增加控制他们的个人健康治疗计划。
OEM面临着的挑战包括设计、验证和具有消费者样空间 (“consumer-like” space)的医疗设备验证挑战,还需要从现有的监管指引下保持严格的设计和质量控制。要达到可接受的价位,同时减少推出市场的时间和保持严格的质量标准 ,医疗OEM需要选择技术合作伙伴他们能协助移动健康设备空间中的挑战,提供正确的半导体组件、生产力工具、支持和遵从法规。
Altera的高度集成技术能减少总体功耗和减少便携式医疗应用的散热问题,这些问题是由于小型设备(即手持或可穿戴设备)的电池寿命和热特性的因素限制而产生。此外,Altera提供高质量、可靠的和遵从法规组织要求的过程和程序,以支持 OEM 遵从法规。此外,Altera有设计工具,知识产权(IP),由第三方评审员根据IEC61508 规范中使用安全关键应用的半导体器件,这减少了选择器件的复杂性,并支持医疗认证的严格要求。
因为Altera 的可编程逻辑器件有高度的灵活性,世界各地的医疗OEM 设计和开发基于 Altera CPLD 和FPGA 的产品。其中很多专门从事成像、 治疗、 手术、 疗机电、 监测、 科研和实验室设备的医疗OEM的前沿解决方案是基于 Altera 的可编程逻辑解决方案。Altera协助供应链合作伙伴不断满足其客户的需要, 进而深化了和供应链合作伙伴的工作关系。Altera 与半导体晶圆厂台积电拥有 18 年合作关系可以证明这一点。
Altera 重点支持国内增长中的医疗 OEM 行业。Altera的器件专家和技术专家经常协助医疗OEM 在结构和设计上要求。Altera 在槟城拥有一个重大的设计团队,并发展了一个大型的设计服务合作伙伴网络 (DSN),以支持我们的客户的技术需要。
Altera目前在医疗电子领域的重点产品或解决方案及其核心技术特点如下: [!--empirenews.page--]
? 性能和灵活性——PLD非常适合满足实时数据采样和图像处理的需求,能够灵活的应对不断发展的协议。
? 硬件加速——满足了越来越复杂的算法处理需求,帮助您尽早开始软件设计,然后进行移植,加速模块的实现。
? 集成和单一平台——类似SoC的集成功能,在一片FPGA中实现了软核或者硬核嵌入式处理器、定制IP、通信I/O功能。
? 互联——实现多种总线接口,例如,PCIe、千兆以太网或者定制协议。
? 降低总体拥有成本——缩短了开发时间,降低了风险和功耗,延长了供电时间,从而降低了总成本。
All Programmable FPGA和SoC可在低成本和低功耗上实现实时处理和高性能
医疗电子全球及中国市场需求不断攀升,特别是医疗成像设备、中国便携式/家用医疗电子设备需求增长很快。您认为中国与全球市场各有哪些不同特点?贵公司对中国医疗市场的发展现状和发展前景如何看待?
全球和中国医疗医疗机构对于设备升级的需求以及市民对优质医疗产品的需求,是驱动全球和中国医疗电子市场增长的普遍因素。在中国,更多的需求是对新的健康医疗设施的需求,包括中国十二五计划中的中心城市以及的农村地区的医院、社区医疗保健中心以及诊所等。此外,中国国内医疗器械制造商正在与全球其他企业一起,从低端到中/高端不断升级他们的技术和产品。在这种市场环境中,中国医疗设备企业对更高性能,更低功耗以及高度集成电子设备的需求,将会持续增加,以满足国内和出口市场的下一代医疗设备发展的要求。
在医疗成像方面,医疗设备设计者需要解决下一代成像系统日益膨胀的性能要求。赛灵思领先竞争对手整整一代的28nm7 系列FPGA,可以为医疗设备企业提供宝贵的设计局灵活性、丰富的IP硬核、强大的收发器功能和开发工具支持的最佳组合,使设计人员能够应对超声、CT、X射线等设计领域等提高性能,满足不断变化的市场需求和严苛的官方资格认证的市场挑战,满足图像更清楚、更精确的需求。。
黄文杰,赛灵思亚太区新业务拓展经理
在便携医疗应用上,和当前FPGA + DSP + Processor的解决方案相比,赛灵思行业特有的All Programmable SoC Zynq-7000系列,把ARM处理器和FPGA结合起来,在28nm工艺的FPGA中嵌入了双核的ARM cortex-A9内核,最先进的工艺和强大的处理能力和可编程能力非常适合医疗电子比如高端医用监护仪产品等的应用,而且拥有绝对的成本优势。其单芯片的解决方案降低了制造、耗材(更小的外形尺寸使然)以及相关支持组件的成本, 同时也降低了系统的总功耗。
在大多数医疗设备中,实时信号处理和视频处理是其中最重要的应用,高速CPU可以满足性能的需求,但是与此同时增加了成本。而FPGA 可以取代代CPU的实时信号处理算法,同时降低成本。
赛灵思All Programmable SoC器件中含有软件可编程的多核ARM Cortex A9,大量硬件可编程的逻辑电路、存储器和DSP,还有可编程的模拟电路 (ADC) 和12.5Gbps 收发器等。通过将处理器和FPGA高度集成,单芯片解决方案降低了系统成本和功耗。
目前,全球和中国的主要的医疗设备制造商都在他们的产品中使用了赛灵思的FPGA。对于赛灵思来说,优质的服务和客户满意度至关重要重要。赛灵思在在新加坡设立了亚太区总部及工厂。它可以帮助赛灵思公司确保稳定的交货期,并在中国和其它亚太地区国家,为我们的客户更迅速更精准地提供更高品质的设备。我们的分销商安富利和科通,都是全球或者本地优秀的而且是最大的电子产品分销企业,均可以为我们广大的中国客户提供出色的技术支持和 服务。
赛灵思的28nm All Programmable平台(包括 Artix-7, Kintex-7, Virtex-7 和Zynq-7000)已经陆续投入到医疗成像、诊断、监控、治疗、家庭医疗器械和远程医疗等领域应用,通过All Programmable FPGA和SoC,医疗设备设计人员可在较低成本和功耗上实现实时处理和高性能的方案。
嵌入处理器平台的FPGA优势显著
FPGA优势在于灵活,并且,其安全特性可最大限度保护客户的设计,界面友好的开发工具可加速客户设计从概念到市场时间。京微雅格的目前量产的芯片与规划的下一代产品均有嵌入处理器(MCU)平台,与传统处理器相比FPGA嵌入硬核处理器在应用范围、多系统集成、减少用户PCB面积方面优势巨大。在医疗领域,尤其是便携式医疗设备方面,由于对于芯片的面积功耗有限制,嵌入了处理器平台的FPGA更能体现优势。
京微雅格的产品将FPGA、CPU、ASIC、存储器以及模拟单元等功能模块集成在单一芯片上,能够满足不同场合应用的高效能设计,在减少用户PCB面积上具有独特的优势。
虽然我们的产品,特别是金山系列今年第三季度才开始量产,但是我们在医疗领域的拓展是成功的。目前已经取得了血氧仪,血液分析仪,及医疗显示驱动相关的设计应用,我们的设计广泛分布在医疗设备的显示;电机控制;主控单元;及时序产生器等方面。
窦祥峰,京微雅格(北京)科技有限公司,市场总监
在积极挖掘具有技术实力的设计公司开发相应的医疗设备通用设计同时,我们也在接洽具有实力的医疗设备制造商,相信不久具有国产核心芯片的医疗设备会更多服务于广大患者。
针对国产医疗设备的异军突起,其特点是更贴近市场需求与对成本的控制的敏感。我们的产品特性符合SoC暨单芯片系统,无论在各子系统的集成还是在研发周期的保证上都具有明显优势,特别是我们的芯片的安全特性。长期以来,采用SRAM工艺的FPGA其加密性广受诟病,如何保证自己的知识产权不被盗取是广大设计者亟待解决的问题,我们的产品系列采用的加密方式符合AES标准且非常容易使用。可以为我们的客户实现他们最关心的问题。谈到服务,我们最大的亮点是本土化设计,本土化技术支持团队。无论在反馈时间,沟通交流还是解决问题的精准性方面都绝对优于竞争对手。[!--empirenews.page--]