設計更安全、更小的下一代高性能醫療產品

醫療設備系統設計人員面對諸多問題，系統問題包括減小體積、增加功能性和延長可植入人體設備電池的壽命，同時通過最佳的安全性、可靠性和功效來確保安全。設計人員還必需考慮用于放射治療環境的設備的電離輻射引起的單事件翻轉（SEU）的影響，因為這可能會引致危險的配置改變。

　　小型化已經成為生命關鍵性設備比如植入性心臟復律除顫器（ICD）和心率管理（CRM）產品的主要增長推動力。其中一個減小體積的方法就是確保用于改進醫療設備功能性的射頻（RF）技術消耗極低的功率，因而可以使用較小的電池。圖1所示為來自Given Imaging Ltd 的Pillcam無線內窺鏡成像膠囊就應用了這種技術。該產品采用了來自美高森美公司的定制RF收發器，通過使得膠囊功率低于7.5mW，同時在8小時工作過程中每秒傳播最多14個圖像，可以減小電池體積。

　　
圖1：Pillcam無線內窺鏡成像膠囊

　　使用chip-on-board組件、chip-on-chip，以及最近先進的2-D和3-D封裝等高空間效率半導體封裝技術，也可以減小設備體積。這些封裝技術可將心率管理（CRM）設備的整體電路空間減小多達80%。而最有效的技術之一就是堆疊芯片（stacked-die）方法，減小互連長度和電阻，同時提高了良率。芯片堆疊（Die stacking）可讓設計人員在小體積中組合多種晶圓處理技術，同時改進測試接入。薄型互連封裝堆棧（Thin Interconnected Package Stack， TIPS）項目在下一代堆疊芯片解決方案方面取得了很大的進步，這個項目是由納米電子研究機構IMEC RD與企業和社會組織合作投資的，TIPS項目提供了減小器件高度和其它尺寸同時具備單模塊之優勢的封裝方法。

　　現場可編程門陣列（FPGA）器件也是設備小型化的重要貢獻力量，例如傳統設計人員一直綜合使用微控制器、專用標準產品（ASSP）芯片和小型可編程邏輯器件，構建用于便攜式醫療設備的人機接口（HMI）和微型馬達控制器。這種方法不僅難以減小設備體積，也不適用于優化至關重要的傳感器和激勵器的通道數目。相反地，FPGA-based解決方案非常適合在較小的封裝體積中加入更多的功能性，滿足必需具有小外形尺寸的設備的要求。同時它們提供了可讓用戶升級設計的附加優勢，因而能夠支持新的標準或提供更多的功能性。

　　與替代解決方案相比，FPGA器件還有助于降低功耗，例如，便攜式醫療設備中的液晶顯示（LCD）面板所消耗的功率占據應用設備功率預算的一半。解決方法就是進行系統設計，從而盡可能將LCD和控制邏輯置于功率節省模式，極大地減少電池的消耗。這種使用FPGA的方法是非常簡單，但是由于現貨ASSP產品的設計并未考慮醫療市場的要求，所以難以采用現貨ASSP產品來實施。

　　今天基于快閃技術的FPGA器件還提供了重要的內置安全特性，以確保僅有合法的升級才能實施，還要考慮其它重要的安全問題。現今的醫療設備處于偷竊、偽造、售后市場篡改和過度建造的風險之中，轉包商制造了超過設備訂單的數量，因此可以銷售剩余的設備。這些風險中的每一項都會給醫療設備市場帶來嚴重的后果。試想象以下這樣的情景：錯誤的軟件下載到胰島素泵中，或偽造部件用于設計中，任何一種情況都有可能引起胰島素泵提供不準確的劑量，給病患帶來嚴重的傷害。

　　保護醫療設備避免篡改需要硬件和軟件兩個方面的檢查，否則消費者可能在索賠之前恢復工廠設置，而且沒有辦法來檢測攻擊。電腦黑客有可能修改服務和基礎設備的功能性，進一步妨礙攻擊檢測、響應和實施對策。

　　使用反熔絲和flash- based FPGA器件是很重要的，因為與SRAM-based FPGA相比，它們非常難以進行反向工程，一旦編程后，flash-based FPGA在芯片內保留所有編程信息。由于編程單元是非易失性的，因此可以在上電循環之間保持狀態。這與SRAM-based FPGA形成對照，SRAM-based FPGA必需在上電時重新載入配置數據，將編程位流暴露予潛在的黑客。黑客截取flash-based FPGA位流的唯一方法是從用于現場設備升級的配置文件中獲取。然而，這可以通過在FPGA器件中進行加密來防止，并且使用快閃存儲器來永久性存儲所有的加密密匙和設置。

　　最后，用于放射治療環境之設備的設計人員必需確保設備對危險的SEU事件免疫，當高能粒子或離子沖擊N-P結耗散區時就會發生SEU事件。從femtocoloumb到picocoloumb的電荷在這個區域聚集，造成電壓和電流瞬變。使用SRAM-based FPGA，所獲得的線性能量傳輸（linear energy transfer， LET）足以給N-P結供給過多的能量，并引起SEU事件，其形式是存儲器組件（SRAM單元、寄存器、閂鎖、或觸發器）的狀態改變（位翻轉）。

　　對于快閃存儲器單元，情形則大不相同，快閃是一種非易失性存儲結構，包括位于控制柵和下部MOSFET結構之間的浮動柵，封裝在良好的電介質中（見圖2），在離子攻擊或接近快閃單元耗散區時，它仍然沉積電荷。然而，快閃單元存儲位翻轉所需的臨界電荷量（QCRIT）遠遠大于SRAM單元，而且用于配置的快閃單元還具有非常穩健的結構。因此，用于FPGA配置的快閃單元具有SEU事件免疫能力。