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以FPGA開發醫療IoT應用的優勢

  • DIGITIMES企劃

FPGA具備超低功耗運行條件,不僅相關電子電路整合度更高,開發的醫療設備產品可進一步縮小設備體積,甚至發展可穿戴式醫療體徵監控應用。Lattice Semiconductor

智慧醫療整合個人生理狀態感測與結合物聯網,是眾多IoT應用中的重點項目,因為醫療IoT應用市場的特殊性,不僅相關設備需達到高穩定性要求,同時所開發的產品受法規、產品驗證嚴格管制,選擇開發平台就成為左右成敗的重要關鍵...

發展以IoT技術為基礎的智慧應用,選用平台是否適合應用投放市場的特性就相當重要,以智慧醫療的IoT物聯網應用來說,由於醫療設備相較一般消費性電子、工業自動控制、智慧家庭等應用形是而言是相對嚴肅的應用場合,因為醫療設備稍有故障、誤動作可能就會造成醫療失誤,甚至危及用戶健康與生命,不但設備相關的驗證要求標準更高,針對應用需求設置的法規要求也相對嚴苛。

FPGA開發平台功能強悍,早已是航太、進階電子醫療設備的開發平台首選。xilinx

FPGA應用架構具備高度可擴展特性,可以因應設備整合需求進行功能佈署,也能針對繁複的醫療管制、認證要求,進一步降低醫療管制的設備開發風險。Altera

針對醫療設備應用佈署,FPGA可以支援高彈性的可程式化邏輯功能與RTOS系統整合,提供高效、高可靠度的應用開發平台。microsemi

FPGA深入醫療電子設備開發應用

早在智慧醫療、IoT物聯網整合熱潮發展之前,在醫療設備、生理監控等電子裝置中,早已導入FPGA(Field-programmable gate array)核心元件進行設備的功能設計,一方面因為FPGA具備高效能、超低功耗(Ultra low-power)與開發設計彈性外,也適合特殊行業應用的客製系統整合設計需求,在過去30多年醫療設備業者多數也使用FPGA進行產品設計與整合。

加上醫療產業的系統效能與穩定性要求相對高許多,FPGA的可程式化開發功能不但可以因應系統功能擴展需求,也能提供相對穩定、高效的作業表現,常見以FPGA進行整合的醫療設備應用如呼吸輔助設備、心跳去顫器、內視鏡設備、電腦斷層掃描設備、核磁共振掃描設備、超音波設備、病人生理監控設備等,都有使用SoC的FPGA元件所整合的設備產品。

以FPGA元件特性  建構智慧醫療與IoT開發條件

以FPGA的系統元件特性,相較目前常見的SoC晶片說,FPGA的元件特性更適合用來開發醫療用IoT應用,不僅是目前常見醫療電子設備已廣泛採行FPGA進行產品整合的先行優勢外,FPGA本身可以搭配可程式化元件加速設備開發,同時又能提供設備持續維護、優化的設計彈性,加上FPGA本身的高可靠度表現,可降低醫療設備開發過程的風險,同時也能針對不同國家、地區的醫療設備管制法規進行設備微調加速審查驗證時程。

運用高效能運算核心與可程式化應用功能,醫療設備的終端功能可以利用高可靠度的系統設計透過FPGA的邏輯元件進行開發整合,加上新型FPGA高度整合多元系統元件,也能進一步簡化電路載板的設計複雜度,讓核心功能可以直接透過可程式化功能進行佈署,而不用動輒為了系統功能優化動輒修改電子電路,簡化開發流程與時間,尤其醫療用途的高度精準、高效率、高穩定要求應用可運用FPGA的邏輯元件進行功能佈署,反而非關安全與穩定性要求的子系統可透過軟體程式進行佈署,進一步增強運用FPGA設計的醫療設備運行可靠度。

醫療設備智能化聯網要求  可用進階高整合FPGA達成

而在因應醫療設備智慧化與聯網應用整合趨勢下,醫療設備智能化與聯網要求也可透過進階FPGA元件進行整合,由於FPGA本身即具備低功耗設計條件,加上整合網通應用、進階晶片的SoC產品,也能加速醫療用IoT產品的開發週期,而FPGA的高整合度特性,可將大量邏輯元件、軟體應用整合於晶片中,大幅縮小電路載板面積,也能有效縮小醫療設備的設計體積,進一步發展更小的醫療智能裝置、甚至是可穿戴式(wearable device)的小型醫療智能裝置,讓智慧醫療終端的體積更小、功能更智慧化、亦可整合智慧聯網應用,開發低侵入性的醫療設備、加快患者的恢復速度。

尤其是早期醫療設備通常以單一功能、特定應用目標進行開發,設備體積龐大,甚至需佔據一間診療室進行設備佈署,例如早期醫療檢測設備就相當程度佔用有限的醫療環境空間,加上設備本身聯網能力有限、醫療檢測資訊無法順暢在不同設備間交換,往往產生更複雜的使用流程,增加醫療程序的人工處理負荷。

新一代的智慧醫療整合方向為透過進階電子與演算科技,不僅可以提升醫療檢測設備的監控數據精確度,數位化的診療數據透過通訊協定進行傳輸,不僅提升了設備檢測資訊互通的使用便利性,運用電子科技高度整合多元檢測應用,也能進一步縮小設備的佔位空間,讓可以騰出更多寶貴醫療場域空間、進而提升患者的服務數量或醫療品質。

因應穿戴電子開發需求  FPGA滿足高整合度開發條件

尤其在醫療設備數位化、智慧化與聯網應用強化後,使用頻次較少的進階醫療檢測設備甚至可以在體積縮小、功能優化後,改採行動化的設備佈署,例如,採用可移動式的台車方式整合進階醫療檢測設備功能,如此即可減少醫療設備的使用彈性,高階醫療檢測設備還可在不同病房間移動應用,透過聯網整合進行醫療數據傳輸進一步增加檢測效能與服務品質,避免人工處理造成檢測過程冗長,提升醫護治療品質。

對於如呼吸器、自動給劑設備這類自動化設備,FPGA的高度可程式化邏輯佈署,也可因應設備應用的即時互動需求進行功能佈署,例如,針對患者的生理監控徵象進行設備運行條件的改變,如調整呼吸器運行狀態或是變更自動投藥的劑量等,加上智慧醫療已開始嘗試導入IoT應用,進一步擴展如病床床邊生理監控設備的功能應用,如透過物聯網將病人生命徵象即時透過基礎網路搭配雲端技術儲存、運算、分析,或是即時遠端記錄醫療記錄,彙整更完整全面的醫療數據,協助醫生做出更精確的診療判斷。

FPGA高度可程式化佈署  降低醫療設備審核、管制風險

透過IoT應用功能整合,進階醫療監控設備甚至可以將功能優化、成本降低,發展家用醫療遠程監控應用,透過家庭網路基礎環境進行醫療用物聯網佈署,甚至應用無線通訊技術達到醫療體徵實時、不中斷的持續監控,部分復原狀態較佳的病患也可提早返家持續監控復原狀態。基於FPGA的開發平台,可以讓家庭醫療設備終端達到醫療級的高穩定性表現,同時透過高度整合功能縮小設備體積、製造成本,加上彈性的IoT聯網佈署整合,透過智慧醫療即享受更方便的遠程醫療服務。

然而,醫療結合電子科技、雲端運算優化的各種智慧醫療應用,開發遠景雖然美好,但實際上醫療行為、醫療設備因為產業的特殊性限制,相關的服務設計、產品設計仍受到嚴苛的法規限制要求,因此醫療設備廠商為了降低產品開發風險,選擇高度可靠度、兼具可程式化功能優化的開發平台就相當重要,FPGA開發平台即可因應繁複的醫療設備審核要求、管制限制進行功能微調,甚至針對設備的不同地區、國家要求條件,進行區域差異化的功能彈性佈署,同時亦能保留開發系統的高度可靠度表現。