Medical System Design with µProcessor - Farnell

Premier Farnell Global Technology Centre
Design medizinischer Systeme mit
Mikroprozessor
Übersicht
Der Bereich medizinische Elektronikgeräte erstreckt sich über eine Vielzahl von Anwendungen; dies
kann von großen diagnostischen Bildgebungsgeräten, die einen ganzen Raum einnehmen können, bis zu
kleinen tragbaren Vorrichtungen reichen.
Damit sich eine herausragende Patientenversorgung mit niedrigeren Kosten erzielen lässt, sind Anbieter
danach bestrebt, von entsprechenden OEMs Lösungen zu erhalten, die eine verbesserte Visualisierung
und Übertragung medizinischer Bild- und Videodaten ermöglichen. So sind inzwischen mehrere
technische Trends entstanden, die sich auf zukünftige Gerätearchitekturen auswirken können:
Umfangreichere Entwicklungen in Bezug auf seriengefertigte (COTS)-Produkte und tragbare
Geräte
Ersatz proprietärer Parallel-Schnittstellen durch standardisierte HSIO
Hinzufügung von drahtgebundenen und drahtlosen Geräten zur Internet-Kommunikation
Da wir im Allgemeinen heutzutage unserer Gesundheit mehr Bedeutung beimessen, steigt auf dem
Markt auch die Nachfrage nach medizinischen Elektronikprodukten. Dies trifft insbesondere auf
High-End-Produkte, wie beispielsweise CT-Geräte, MRT-Scanner, hochwertige
Ultraschalldiagnosegeräte usw. zu.
Der Markt für medizinische Elektronikgeräte hat sich weltweit enorm vergrößert. Vorhersagen des
Marktforschungsunternehmens Espicom zufolge wird das globale Marktvolumen für medizinische
Geräte auf über 200 Milliarden US-Dollar wachsen, wobei der Anteil für medizinische
Elektronikprodukte bei 45% (also 90 Milliarden US-Dollar) liegen wird.
In China haben relevante Änderungen der Staatspolitik, Fortschritte hinsichtlich der
Informationalisierung im Krankenhausbereich sowie ein allgemeines Marktwachstum einen positiven
Einfluss auf den dortigen Markt für medizinische Geräte ausgeübt.
Da auch weiterhin der Trend für immer kleinere Größen und verbesserte Portabilität fortgesetzt wird,
führt dies zu höheren Anforderungen an die Leistungsaufnahme und Signalverarbeitungsfähigkeit
entsprechender Systeme, was für Elektronikentwickler wiederum eine größere Herausforderung
darstellt.
Chinas Markt für medizinische Elektronik hat sich auch im Jahre 2006 weiter vergrößert. Der
Gesamtumsatz lag bei 21,08 Milliarden CNY und überstieg damit die beachtliche Höhe von 20
Milliarden CNY. Im Vergleich zum Vorjahr bedeutete dies ein Umsatzanstieg von 15,6%, den kein
anderes Land auf demselben Markt erreichte. Chinas Markt für medizinische Elektronik wird auch
weiterhin ein beständiges Wachstum aufweisen, wobei die jährliche Wachstumrate (CAGR) in den
kommenden Jahren bei 18,2% liegen wird. Erwartungen zufolge wird dieser Markt in China bis zum
Jahre 2011 nicht weit von 50 Milliarden CNY entfernt liegen.
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Jährliche Wachstumsrate (CAGR) 11%
Abbildung 1: SC TAM, medizinische Anwendungen – global
Jährliche Wachstumsrate (CAGR) 12%
Jährliche Wachstumsrate (CAGR) – Ultraschallgeräte 15%
Quelle: Databeans, 2007
Abbildung 2: SC TAM, medizinische Bildgebungssysteme – global
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Auch bei Sektoren wie Halbleitern, Komponenten, Materialien und Fertigungsanlagen, die für
medizinische Elektronikprodukte eingesetzt werden, kam es aufgrund der enorm ansteigenden
Nachfrage auf dem Markt für medizinische Elektronik zu einem beschleunigten Wachstum.
In den kommenden fünf Jahren wird das Volumen des Marktes für Halbleiter, die bei medizinischen
Elektronikprodukten zum Einsatz kommen, bei einer jährlichen Wachstumrate von 11% 3,5 Milliarden
US-Dollar übersteigen. Aufgrund strenger Erfordernisse in Bezug auf Stabilität und Leistungsvermögen
medizinischer Elektronikgeräte, Geräte- und Benutzersicherheit sowie spezifischer Erfordernisse
hinsichtlich der Zertifizierung von medizinischen Systemen müssen auch in medizinischen
Elektronikprodukten verwendete Elemente und Designprogramme sowie Materialien und
Produktionstechnologien usw. höheren Anforderungen entsprechen.
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Architektur eines medizinischen Systems
Die meisten medizinischen Geräte bestehen aus denselben fünf System-Level-Blöcken, unabhängig
davon, ob es sich um ein Blutgasmessgerät, ein digitales Blutdruckmessgerät, einen digitalen
Puls-/Herzfrequenzmonitor, ein Blutzuckermessgerät oder selbst ein Digitalthermometer handelt. Diese
sind:
Biosensorelement(e)
AFE-Modul
Steuerung und Datenverarbeitung
Benutzerschnittstelle
Power-/Batteriemanagement
Die tatsächliche Implementierungstopologie dieser Blöcke wird sich je nach Messgerätetyp und
Funktionssatz in Bezug auf Sensor-, Bearbeitungs- und Informationsanzeigeanforderungen erheblich
unterscheiden.
Abbildung 3: Blockdiagramm – medizinisches System
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Ultraschallsystem-Design mit DSPs und MCUs
Sowohl von medizinischen als auch industriellen Ultraschallsystemen werden Verfahren zur Erzeugung
vollständig tiefenscharfer Bilder verwendet, deren Leistungsvermögen weit über der mithilfe eines
Einkanalverfahrens möglichen Leistung liegt. Unter Verwendung einer Reihe von Empfängern lassen
sich über Zeitverschiebung, Skalierung und ein intelligentes Auffangen der Echoenergie hochauflösende
Bilder erhalten. Durch die Zeitverschiebung und die von einem Skalierungsmesswandler-Array
erhaltenen Signale ist eine „Fokussierung“ auf einen Punkt im Scanbereich möglich. Der Erhalt eines
Bildes erfolgt dabei letztendlich durch Fokussierung an verschiedenen Punkten innerhalb einer Sequenz.
Abbildung 4: Blockdiagramm – Ultraschallsystem
Im Normalfall wird ein Tiefpassfilter als Antialiasing-Filter zwischen VCA und ADC und zur
Begrenzung der Rauschbandbreite verwendet. Die Linearphasen-Topologien basieren auf dem
jeweiligen spezifischen zwei- bis fünfpoligen Systemfilter. Zu den wichtigsten bei der Auswahl eines
Operationsverstärkers zu berücksichtigenden Faktoren gehören Mindest- und
Höchsteingangsfrequenzen, Signalhub, Klirrfaktor und Verstärkungsanforderungen. Typische
Analog-Digital-Wandler (ADCs) sind 10- und 12-Bit. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) und die
Leistungsaufnahme sind die wichtigsten Faktoren; dem folgt die Kanalintegration.
Quelle: www.ti.com/ADS527x EVM Benutzerhandbuch
Abbildung 5: ADC-Implementierung
Ein weiterer Trend in Bezug auf ADCs ist die Hinzufügung einer LVDS-Schnittstelle zwischen ADC und
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Beamformer. Die Anzahl der Schnittstellenleitungen lässt sich durch Serialisierung der vom ADC
stammenden Daten von 6.144 auf 1.024 für ein 512-Kanal-System reduzieren. Diese Reduzierung
ermöglicht wiederum den Einsatz kleinerer und preisgünstigerer PC-Platinen, die einen wesentlichen
Bestandteil tragbarer Bildgebungssysteme darstellen.
Zu DSP-Funktionen, die sich in Bildgebungssystemen verwenden lassen, gehören Doppler-Verarbeitung,
2D-, 3D- und selbst 4D-Imaging sowie eine Vielzahl von Nachbearbeitungsalgorithmen, die zur
Steigerung der Funktionalität und Leistungsverbesserung verwendet werden. Die wichtigsten
Anforderungen eines Bildgebungssystems sind eine hohe Leistung und eine hohe Bandbreite.
Ultraschallsysteme können sehr unterschiedliche Leistungs- und Funktionalitätsgrade aufweisen.
Gewisse Lösungen können unter Umständen Bauteile umfassen, die eine großen Dynamikbereich
erfordern, oder Teile mit Funktionen, für die zur Ausführung der Gleitkommarechnung erheblich
weniger Zyklen erforderlich sind. Beispiele für solche Funktionsarten sind spektrale Reduktions- und
Quadratwurzelfunktionen. DSPs eignen sich sehr gut für Bereiche, in denen eine
Gleitkomma-Verwendung am geeignetsten ist. Wenn für eine Ultraschalllösung ein Betriebssystem
erforderlich ist, können die jeweiligen Anforderungen hierfür durch eine MCU, wie beispielsweise einen
ARM-Prozessor, erfüllt werden. Ein solcher Prozessor kann den jeweiligen
Betriebssystemanforderungen entsprechen.
Die Signalzusammenfassung erfolgt über einen digitalen Beamformer. Hierbei handelt es sich um eine
typische maßgeschneiderte ASIC, deren Funktionsimplementierung über ein anderes programmierbares
Logikverfahren erfolgt. Das digitalisierte Signal wird im Beamformer skaliert und zeitverzögert und
somit der Fokussiererffekt in der Empfangskette erzeugt. Nach korrekter Justierung werden die von allen
Empfangskanälen stammenden Signale zusammengefasst und an das Bildgebungssystem übertragen.
Das Bildgebungssystem kann als eine separate ASIC entwickelt werden; es kann sich aber auch um einen
programmierbaren Prozessor, wie beispielsweise einen DSP, oder einen kompletten Desktop-Computer
handeln.
Übertragungselemente müssen den Signalhub in einem Bereich von 100V bis 200V kontrollieren können.
Dies lässt sich hauptsächlich durch Verwendung von Hochspannungs-FETs erzielen. Die FETs lassen
sich auf zwei Arten steuern: Ein/Aus (Push/Pull) oder Class-AB-Linearsteuerung. Am beliebtesten ist
die Push/Pull-Methode, da die zum Anschluss der FETs erforderliche Schnittstelle einfach und
preisgünstig ist. Mit der Class-AB-Methode lassen sich in Bezug auf den Klirrfaktor wesentliche
Verbesserungen erzielen, es sind jedoch komplexere Treiber und mehr Strom erforderlich.
System- und Gerätehersteller verwenden für ihre Ultraschallbildgebungsanwendungen verschiedenste
Produkte unterschiedlicher Lieferanten. Dies umfasst unter anderem Operationsverstärker, Ein-, Zweiund
Achtfach-ADCs (alle mit kurzer Erholungszeit bei Eingangsüberlastung und ausgezeichneter
dynamischer Leistung), digitale Signalprozessoren sowie integrierte 8-Kanal Front-End-ICs mit
niedriger Leistungsaufnahme, wie beispielsweise VCA8617 und ADS5270, die speziell für
Ultraschallanwendungen vorgesehen sind.
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PET-Scanner-Design mit FPGAs/PLDs
Je nach verwendeter Isotopart lassen sich unterschiedliche metabolische Funktionen beobachten. Da sich
mit einem PET-Scan der Verlauf einer Tumorentwicklung im Körper verfolgen lässt und genau
dargestellt werden kann, wie weit die Krankheit vorangeschritten ist, ist diese Methode beispielsweise
bei der Diagnose von Krebserkrankungen besonders effektiv. PET-Scanner werden darüber hinaus auch
zur Diagnose häufig auftretender neurologischer Krankheiten wie beispielsweise Alzheimer,
Hodgkinsche Krankheit und Gehirnschläge eingesetzt.
Abbildung 6: Blockdiagramm – PET-Scannersystem
Da PET-Scanner mehrere Detektoren und hochentwickelte Funktionen umfassen, sind für die
Front-End-Datenverarbeitung schnelle, leistungsstarke, flexible und kostengünstige Lösungen
erforderlich. Bei PET-Scannern ergeben sich durch die Verwendung von FPGAs/PLDs im Vergleich zu
applikationsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) wesentliche Vorteile. Durch die
schaltungsinterne Rekonfigurierbarkeit (ICR) der FPGA/PLD-Bausteine lassen sich diese für das Setup
konfigurieren, dann für den tatsächlichen Detektionsprozess rekonfigurieren und je nach Bedarf zu
Selbstdiagnosezwecken erneut rekonfigurieren. So zum Beispiel werden Altera-Bausteine während des
Setups vom PC/104 Computer mit Kalibrieralgorithmen programmiert, wodurch eine gleichzeitige
Kalibrierungsdurchführung aller Blockbearbeitungskanäle und somit eine verkürzte Setupzeit für die
Detektoren möglich ist.
FPGA/PLD-Bausteine können aufgrund ihrer Rekonfigurierbarkeit all diese Funktionen problemlos
bewältigen und werden einfach systemintern bei jedem Prozessschritt neu konfiguriert. Darüber hinaus
wird die Signalverarbeitungszeit minimal gehalten, da vom Altera-Baustein alle anderen Bausteine im
Subsystem gleichzeitig zugegriffen werden können.
Da sich FPGA/PLD-Bausteine einfach systemintern rekonfigurieren lassen, stellt dies die beste Lösung
für die meisten hochauflösenden PET-Scanner dar. Setup, Detektionsverfahren und Selbstdiagnose sind
über dieselben FPGA/PLD-Bausteine möglich, wodurch sich erhebliche Einsparungen in Bezug auf
erforderliche Entwicklungszeit, Platinenfläche, Leistungsaufnahme und Kosten ergeben. Außerdem
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haben sie den weiteren Vorteil, dass sie auch zukünftige mögliche Systemanforderungs- oder
Konfigurationsänderungen unterstützen können.
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Blutdrucküberwachungsgerätedesign mit MCUs
MCUs sind für hochpräzise tragbare Echtzeitanwendungen vorgesehen, für die eine
System-on-Chip-Technologie mit größerem Speicher erforderlich ist. Zu typischen
Anwendungsbereichen gehören Blutdrucküberwachungsgeräte, Herzfrequenzmonitore,
Blutanalysegeräte, digitale Thermometer, Pulsoximetrie usw.
Zur Blutdruckmessung wird eine von drei Methoden eingesetzt. Hierbei handelt es sich um die
Korotkoff-Methode, Oszillometrie oder Pulstransitzeit. Über eine Druckmanschette und Pumpe sowie
einen Messwandler werden Blutdruck und Herzfrequenz in drei Phasen gemessen: Aufpumpen,
Messung und Luftablass. Das System umfasst ein LCD-Display, Auswahltasten, Speicherabruf,
Power-Management und USB-Schnittstelle.
Modelleinführung:
MCU-Prozessor: Systemsteuerung, Datenverarbeitung
Flash-Speicher: Daten- und Befehlsspeicherung
Benutzerschnittstelle: Betrieb durch Benutzer sowie Ergebnisanzeige
Sensor: Umsetzung von Druckwerten in elektronische Signale
AFE-Modell: Analogsignalverstärkung und -digitalisierung
Leistung: Stromversorgung
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Designvorschläge für medizinische Elektronikgeräte mit MCU, DSP, FPGA oder
PLD
Designvorschläge für medizinische Elektronikgeräte mit MCU (ARM-Prozessorkern)
Verbesserte Bildverarbeitungsfähigkeiten mit 2D-hardwarebeschleunigter Grafik-Engine – werden
den Anforderungen der meisten Produkte mit großen Bildschirmanzeigen gerecht
Proprietäre Hardware-Algorithmen und logische Kalkulation für verschiedene Produkte
Hochintegriertes Design zur Sicherstellung einer angemessenen Portabilität, Zuverlässigkeit und
Kostensenkung
Extrem niedrige Leistungsaufnahme und somit Eignung für tragbare Geräte
Hochintegrierte SoCs mit extrem niedriger Leistungsaufnahme werden für implantierbare
medizinische Geräte bevorzugt
Designvorschläge für medizinische Elektronikgeräte mit DSP
DSP-Verwendung zur Implementierung komplexer Algorithmen
DSP-Verwendung zur Implementierung einer 3D- und 4D-Bildgebungsleistung, die im Vergleich
zu 2D eine höhere Genauigkeit und Klarheit erzielt
Designvorschläge für medizinische Elektronikgeräte mit FPGA/PLD
FPGA-Verwendung für medizinische Geräte, bei denen eine häufige Datenaktualisierung
erforderlich ist
Verwendung von hochleistungsfähigen FPGAs mit zahlreichen DSP-Modulen, PCIe-Bussen,
DDR2- und DDR3-Speichern
FPGA-Verwendung mit Multityp-E/As und Speicherschnittstellen
Entwicklung mit schnell integrierten IP-Tools
FPGA-Verwendung mit seriellen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen, wie beispielsweise LVDS
Verweise:
www.ti.com
www.eetchina.com
www.ednchina.com
www.analog.com
www.altera.com
www.xilinx.com
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