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FPGA平台加速醫療電子創新

上網時間: 2015年12月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:FPGA  Zynq-7000  All Programmable SoC  醫療電子  SDx 

作者:Mike Santarini,賽靈思Xcell Journal發行人

Kamran Khan,賽靈思醫療事業群資深產品行銷工程師

電子產品不斷以多種形式影響我們的生活,尤其是在一個領域中別具攸關生死的影響,那就是醫療產業。拜醫療電子設備快速演進所賜,醫療水準不斷提升,讓人類壽命越來越長。例如,在過去的三十年裡,醫療設備業者透過FPGA打造了一系列的創新應用。

FPGA已成為許多醫療系統的核心元件,例如Zynq-7000 All Programmable SoC。終端產品包括外科手術機器人、病人監護儀、呼吸器、醫療影像(如電腦斷層攝影、核磁共振攝影和超音波)、X光機、去顫器、內視鏡檢查設備,以及輸液泵和分析儀。FPGA亦是高效能運算系統的核心元件,能讓研究人員以極快的速度進行基因組定序,讓科學家和製藥公司更快地開發並精煉藥品以供疾病症狀的治療。

FPGA在醫療領域擔當如此重要角色的原因很簡單,因為FPGA技術讓醫療設備開發商能降低失敗風險,並加快設備的管制審核速度。透過可編程元件,設計人員可將必須滿足高度可靠性的系統功能放在FPGA元件邏輯中實現,同時在軟體中執行其他較不重要的功能(圖1)。

醫療技術正迅速地發展,這些設備變得更智慧化,連接功能更強,整合度更高,更小型化,且侵入程度更低以讓患者恢復更快;更重要的是,它們的功效更好。隨著世界人口的成長以及人類壽命增加,人們對於先進功能的醫療設備需求也越來越大,而這一切都要感謝過去50年裡醫療水準的快速發展。

活得更長、更健康

醫療產業和醫療設備市場的最大驅動力正是預期的世界人口成長。如今,全球人口大約有73億,預計到2050年時將成長到97億。目前65歲和65歲以上人口約佔世界人口的23%,到2050年這個數字預計將達到32% (31億人),而且老年人口亦是最需要定期醫療護理的族群。

人口成長與民眾的老齡化逐漸成為全球醫學界以及各國政府的一大挑戰,而且它正日益轉向國家管制的醫療服務。不過,對於醫療電子和其他醫療領域而言,人口的成長亦是極大的創新機會。根據統計,全球醫療市場預計將在2019年成長至2120億美元,其中在半導體上的花費可望達到60億美元。

過去的醫療電子產業相當集中,因此,像西門子(Siemens)和通用電氣(GE)等公司主要按照自己的節奏開發新產品。如今,X光和超音波設備已經變成商品,加上人們意識到即便存在管制問題,要進入這些成熟的低風險應用領域並不難。目前,全球化的醫療設備新創企業正如雨後春筍般蓬勃發展,而且還有很多來自於中國和南美洲的新公司進入市場。部分國家如中國和巴西,特別青睞國產產品,因此出現了許多新公司來供給這些新市場。

這樣的新競爭態勢將會對於所有參與的廠商帶來產品上市時程和定價的壓力。同時,這也會帶動醫療界更大的價值和創新,讓所有人受益。例如,市場越來越要求產品具有更多的整合功能和更高的可攜性。以往醫療設備都是用單一機器完成特定任務。這些機器體積往往都很大,因此若需要多台不同機器,便會佔用醫院很大的空間。

此外,由於系統可能無法相互通訊或相容,進而產生其他較複雜的問題,也因此現在需要透過單一的設備執行多種任務。同樣地,使用者偏愛更小尺寸的設備,要求佔用空間更小且更容易在不同病房間移動。再者,如果設備能用電池供電更好,這樣便可在沒有電源的地方或急救車上使用。同時,對於每個系統與其他設備的即時互動性需求也不斷增加,例如依據患者的生命徵象變化改變用藥劑量等。

舉例來說,病人監護儀過去非常簡單,僅採用幾條類比的生物遙測訊號,透過一些非常簡單的處理,並在監視器上顯示相關資訊。這種設備非常簡單,因此多數皆採用德州儀器(TI)或飛思卡爾(Freescale)等公司的嵌入式處理器。然而,現在的醫療設備功能更複雜,必須擁有更多的整合與智慧,才能讓系統進行通訊和協同工作。

同時,病人監護儀必須能與呼吸器和輸液泵連結。若病人的生命徵像開始出現警訊,這兩種系統必須做出相對的回應:呼吸器應調整氧氣混合,輸液泵應調整藥物劑量。此外,系統亦須與醫院進行通訊,讓護理人員隨時能獲悉緊急情況。另外,該資訊應作為患者長期醫療記錄的一部分進行保存。

醫療產業也開始使用物聯網(IoT)、雲端運算和現代網路基礎設施。這些技術發展讓醫院能監測患者的健康並遠端記錄其健康模式,以及對緊急情況做出即時回應。即時監測患者健康是一個發展迅速的新興產業,其操作方式與居家安全公司監控資產十分相似。


圖1:基於FPGA的平台讓醫療設備業者快速創新系統,縮短產品上市時程

(下一頁繼續:不斷成長中的管制挑戰)


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