半导体厂商角逐医疗电子 技术不断出新

2008-07-23 10:54:40来源: 中国电子报 关键字:成本  转换器  隔离  电路  传输  数字  通道

  由于“新型农村合作医疗”政策及国内医疗设备企业的出口拉动,我国医疗电子快速发展,这吸引了各大半导体厂商加快医疗电子研发的步伐,推出一系列低功耗、高性能产品。

  亚德诺

  增加通用器件系列并开发新型替代技术

  针对医疗设备市场的发展趋势,ADI(亚德诺)在产品上有三大研发方向:

  一是不断增加通用器件的产品系列,同时注重提高产品的性能指标和降低成本。例如,10Msps采样率使AD7626成为世界上最快的16位SAR(逐次逼近寄存器)ADC(模数转换器),同时,92dB的信噪比、正负1LSB的积分线性误差、正负0.3LSB的微分线性误差、130mW的低功耗也使其成为高性能的数字X光机和MRI(核磁共振)设备的理想解决方案。

  二是开发新的替代技术产品。例如,iCOUPLER磁隔离产品替代光耦隔离,MEMS(微电子机械系统)可以检测线加速度和角加速度,这些新技术有助于简化电路,优化设计,增加可靠性,同时减小尺寸和功耗。ADuM2400系列4通道数字隔离器件,工作电压为3V或5V,数据传输率可高达96Mbps,它为设备和病人的安全提供了保障,可以在心电图机等设备中广泛应用。

  三是根据医疗设备的特殊需求开发专用的高集成芯片,例如超声设备模拟前端。AD9271是业界第一颗完全集成模拟前端,单芯片产品集成了8通道的低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)以及12位模数转换器(ADC),同时为连续波多普勒成像预留了信号接口。AD9271为便携式超声医疗诊断带来出色的图像品质,同时其带来的便携性也使得超声设备的应用扩展到医院外的更多场合,使诊断更及时,而设备的可靠性也得到更大的保障。

  ADI针对医疗市场的要求,基于核心模拟和数字技术,在以上三个方面还将持之以恒地投入,不断提高产品技术,降低成本,推动医疗设备技术和市场的发展。

  德州仪器

  新推多款医疗电子模拟链路产品

  在医疗电子领域,TI(德州仪器)的产品线十分丰富。今年4月,TI宣布推出全面集成的AFE(模拟前端)系列———AFE58xx。该系列产品可满足从便携式产品到高端超声波诊断设备在内的各种应用需求,从而进一步拓展了TI高性能模拟技术在医疗成像市场领域的优势。

  TI的AFE58xx系列具备更出色影像质量与更低功耗的创新超声波系统设计。该系列的首款器件AFE5805能满足便携式超声波市场的特定需求,与此前的集成式解决方案相比,占用空间节省了近一半,功耗降低了20%,噪声减小了40%。

  今年7月中旬,TI推出AFE58xx系列的第二款器件———AFE5804。该器件是面向便携式超声波设备的一款全面集成的新型模拟前端,是TI针对医疗超声波领域专为要求低功耗与小尺寸的超声波系统而精心设计的。
 
这款八通道AFE的功耗比同类竞争产品低30%以上,这不仅有助于显著延长便携式系统的电池使用寿命,而且还能进一步提升影像质量。

  同样在7月中旬,TI推出了适用于便携式心电图检测仪等医疗电子设备的零漂移仪表放大器———INA333,该器件是高精确度、低功耗以及低电源电压的完美结合。与性能最接近的竞争产品相比,该器件实现了最低的静态电流与输入偏置电流,同时具备出色的功率噪声比、极低的失调电压和1.8V工作电压等众多优异特性,在提高精确度与稳定性的同时还将显著延长电池的使用寿命。

  除了模拟领域的放大器、ADC(模数转换)、电源管理器件及接口电路之外,TI的高性能DSP(数字信号处理器)、低功耗DSP以及业界最低功耗的MCU(微控制单元)产品也都在医疗产品中找到用武之地。

  赛灵思

  研发医疗图像设备和便携设备新技术

  医疗电子市场目前有两大趋势:一方面由于消费者对医疗保健服务有了更高的需求,对于替代2D单色图像设备的高分辨率和3D成像应用的需要将更为强烈;另一方面,医用和家用便携式电子设备的需求在不断增长,特别是便携式超声波设备和测量血糖、血压等的便携式设备能够在家中方便地提供健康监测和预防性措施,这将导致对低功耗低成本便携医疗电子设备的强劲需求。

  赛灵思拥有的许多行业领先技术不仅可用于医疗应用,而且为了满足上述两方面的发展,在不断研发新技术。我们的Spartan和Virtex产品系列中的高性能DSP特别适用于高分辨率、高性能和需要3D彩色图像的高端医疗影像设备。

  赛灵思公司的Virtex-5FXT平台是业界首个提供多达两个标准的FPGA(可编程逻辑门阵列)产品,加上高性能DSP,对于需要高分辨率图像处理、高性能数据分析、高速数据传输的设备开发非常理想,采用赛灵思FPGA,开发人员还可以集成自己开发的专用IP(知识产权)。

  赛灵思在高性能FPGA领域处于领导地位,在许多行业用于大批量生产的产品中。在便携式设备方面,赛灵思Spartan产品系列提供的FPGA可以用于低功耗和低成本应用。同时,赛灵思的产品在低功耗方面业界领先,在支持网络方面更是走在前列。CoolRunnerII系列CPLD(复杂的可编程逻辑器件)是手机和其他手持设备中至今应用数量最多的PLD(可编程逻辑器件)器件,功耗极低。Spartan-3系列器件中挂起模式和冬眠模式可以分别节省40%至99%的功耗。

  在产品计划方面,赛灵思公司将来的产品会更加低功耗,以更低的系统成本提供高速互联功能、数字信号处理功能、嵌入式处理功能和多种IP核,为医疗产品的升级换代提供芯片和关键技术两方面的支持。

  Actel

  低功耗可编程器件满足医疗电子设备需求

  Actel将继续开发以Flash(闪存)为基础的FPGA(现场可编程门阵列)产品,ActelIGLOO系列是业界最低功耗的可编程解决方案,静态功耗仅为其他竞争方案的1/10到1/1700。

  在医疗仪器中,由于时钟不断开关,为FPGA提供输入信号,动态功耗至关重要,因此这些高性能、具有功率意识的系统设计人员将继续转而采用灵活的、功能丰富的FPGA,以获得低功耗和低成本等优势。

  医疗保健正在向基于家庭的应用转移,比如协助病患和消费者在家中获得医疗监控服务的可穿戴式智能设备。这些通常采用电池供电的应用设备(如家庭输液泵、去颤器、便携式血糖及胆固醇监控器、数字血压监控器,以及呼吸治疗产品)需要低功耗和小外形尺寸,Actel的超低功耗FPGA是理想的选择。

  主要医疗成像应用包括X光、CT(计算机断层摄影)与MRI(核磁共振成像)扫描仪、心电图以及超声波成像,这些应用需要很高的计算能力,涉及数学和逻辑运算符的组合以及高效的存储器存取。相比前一代ProASIC3FPGA,Actel的ProASIC3LFPGA系列产品可以在高达350MHz的工作频率下大幅降低功耗,能分别对动态和静态功耗降低达40%和90%,从而为医疗等高性能市场领域的设计人员提供高速度、低功耗和低成本的灵活且功能丰富的解决方案。

  在时钟经常切换且为FPGA提供输入的应用中,动态功耗至关重要。在利用100万门FPGA的典型高速设计中,ProASIC3L器件的动态功耗只有100mW,静态功耗仅为1mW,而以SRAM(静止存取功能的内存)为基础的竞争解决方案的动态功耗较其高出60%,静态功耗更是其100倍。

  尽管有些护理和治疗方式正在走入家庭,但临床设备仍然是最大的营收领域,其中包括:诊断实验设备、监护仪、植入式胰岛素泵,以及心脏起搏器。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,非常适合于这些应用。Actel的FPGA以超低功耗、更高的安全性、性能和可靠性等优势被病患监控系统选用。Actel的客户之一,迈瑞医疗国际有限公司计划继续在下一代产品中采用Actel的解决方案,包括监护仪设备、诊断实验仪器和超声波成像系统。

  恩智浦

  产品具有小体积低功耗及通信功能

  NXP拥有丰富的产品线,32位及8位MCU(微控制单元)、模拟电路和接口等产品符合医疗设备体积小巧、低功耗以及通信功能的共性,是满足医疗设备市场实际需求的理想选择。例如,NXP的LPC3200系列微控制器进一步扩展了其业界最大的ARM7和ARM9微控制器产品线,LPC3200系列基于广受欢迎的ARM926EJ处理器,为设计师提供一种高性能、高功耗效率的微控制器。

  为了迎合低功耗的需求,芯片采用90纳米工艺,内核1.2V电压运行。0.9V超低功耗模式、高效的总线阵列、先进的工艺技术优化了每个微控制器的固有功率,软件控制的各种功能则提供了最佳功率管理,这使得嵌入式系统设计师能够在不损失任何性能的前提下最大限度地降低功耗,以帮助医疗设备设计人员控制功耗过高的问题。

  为满足高速数据处理能力的要求,LPC3200系列结合了一个矢量浮点协处理器,在标量模式下能将计算速度提高四到五倍,在优化矢量模式下则提高得更多,这大大提高了MCU的性能。

  为强化通信及显示性能,LPC3200结合了高性能、低功耗和众多的外设,被设计用来为那些要求高速并同时进行通信的应用提供灵活性。内置的LCD(液晶)控制器、以太网MAC(介质访问控制子层协议)、大量的标准外设、具有触摸屏接口的模拟数字转换器A/D使得嵌入式系统设计师能够在不损失任何性能的前提下减少片上器件数量,并且最大限度地完善设备的性能。针对医疗电子产品,NXP在年内还会推出高速率的模数转换接口产品以及无线传输器件以支持市场的发展。

  凌力尔特

  开发低功率便携医疗设备用ADC

  医疗市场的要求是具备高可靠性和在满足所需性能时具备较低的功率,凌力尔特正在开发新的低功率高速ADC内核。与普通ADC相比,这个系列的功率低得多,并提供灵活的数字输出以在导线需要连接到数字控制器时减少连线数量。

  我们新的16位低功率、高分辨率ADC系列正在促进下一代便携式医疗成像系统的发展,诸如LTC2203和LTC2207这样的产品正用于核磁共振成像(MRI)设备和细胞分选仪。我们的两个高速ADC系列具有业界最低的通道至通道串扰性能,用于在电动外科工具等精密医疗设备中提高冗余度。

  凌力尔特在质量和可靠性方面声名赫赫,这已经使我们成为向汽车行业提供电子产品的领先供应商,这一声誉也帮助我们在医疗行业赢得市场地位。

  我们最新的高速ADC产品是16位105Msps串行ADCLTC2274。这是市面上首款运用新版JEDEC串行接口规范的数据转换器,并与众多的FPGA(现场可编程门阵列)高速接口相兼容。这种新接口的主要好处是能减少布线所需的数字I/O(输入/输出)线数量,从32条LVDS(差分信号电压)线减少至仅有一条电流模式逻辑差分线对。这简化了布局问题,减少了数字噪声到模拟输入的耦合,释放了宝贵的FPGAI/O引脚。该ADC采用纤巧6mm×6mmQFN封装(四侧无引脚扁平封装),在用于多通道应用时,可帮助用户极大地节省空间和成本。

  在中国使用这些高性能ADC面临的主要问题是美国政府要求出口许可证。凌力尔特正在用新的信号链路微型模块产品系列来应对这个问题,通过向制造商提供一个完整的接收器子系统,凌力尔特可以绕过向中国出口高性能ADC所受的限制。今年早些时候,我们推出了这个系列的第一款产品LTM9001,我们还在开发更多产品,并正与很多中国制造商合作,以确定他们将来需要什么样的新产品。

  美国国家半导体

  提供参考设计和系统级解决方案

  对医疗设备来说,准确性是衡量其优劣的最重要指标。因为此类设备关乎生命,毫厘的误差带来的不仅仅是谬以千里,更可能是对生命的亵渎。

  设备的可靠性需要从三个层面来考虑:一是器件层面,在这个层面上,工程师需要考虑的是选取稳定可靠的电子零部件;第二是子系统,在这个层面工程师关注的是特色功能模块的开发。此时,工程师挑选的特色IC(集成电路)除去自身的稳定性外,还必须与整个功能模块匹配,从而确保子系统的稳定准确;第三是系统层面,在这个层面上,工程师需要有“大局观”,做到合理取舍,从而确保设备的“准确性”不因部分“特色功能”而牺牲。
 
便携式医疗设备在赋予患者行动自由的同时也对设备的准确性提出了新的挑战。医疗设备采用多种不同的传感器来监视病人的健康状况,然后传感器将生理信号转换成电子信号供电子设备分析使用。由于医疗设备中传输的信号都比较微弱,而且还会受到诸多噪声源的干扰,因此信号路径设计对便携式医疗设备就显得格外重要了。例如,从传感器输出的非常微弱电流必须通过高精度的放大器才能够把微弱的有效信号从背景噪声中分隔出来。

  而今电子业的绿色风潮已经渗透到每一个角落,医疗设备领域也不例外。能源效率正在成为衡量医疗设备设计成败的新指标。所谓能源效率(简称能效),通常的表述是性能瓦特比。对医疗设备而言,就是让每一瓦的功率都实现最高的准确性。在便携式医疗设备领域,“能效”的重要意义不言自明,它不仅关乎诊疗的准确性,而且关乎“便携”性。

  对设计师而言,一方面要采用低功耗、封装小巧、集成度高的IC,另一方面是选择合理的电源管理架构。当前的高效率开关和线性稳压器都可以提供较大的输出电流、较宽的输出电压范围和较高的频率,不仅不需要使用外部补偿电路,而且允许使用更小的外部无源器件。用的无源器件越小,所需的电路板面积也就越小,产品外形也就越小巧。

  医疗设备市场一直是美国国家半导体研究和关注的重要领域,除提供一系列经过严格测试、封装小巧、高能效的芯片外,我们还为系统设计工程师提供诸多设计参考、系统级解决方案,确保设计师可以借此设计出更高准确性的“诺亚之舟”。

关键字:成本  转换器  隔离  电路  传输  数字  通道

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0723/article_221.html
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