可攜式醫療產品逐漸獲得市場青睞，如何開發出更小尺寸、更低功耗與高可靠度的產品已成為產品設計人員首要課題。產品設計人員透過高效能的Flash-based FPGA元件，將可實現微型化、高安全性與低功耗等特性，進而擴大可攜式醫療設備應用市場商機。
可攜式醫療設備的系統設計工程師正面臨到許多問題，其中包括縮小體積、增加功能性和延長可植入人體設備所用電池的壽命，同時還要藉由最佳的可靠性和功效來確保設備安全無虞。另外，在放射治療環境中使用的設備，易因電離輻射而產生單事件翻轉(SEU)，工程師也須將此一影響納入設計考量，因為這些挑戰皆可能會導致使用者在操作上出現危險狀況。
本文將介紹現今微型化醫療設備所面臨的技術挑戰與因應之道，提供醫療設備產品開發人員以高效能FPGA為基礎的解決方案，藉此打造低功耗、高可靠度的產品。
高整合度FPGA助力 醫療設備大吹微型風
微型化已成為醫療設備市場主要成長驅動力，如植入式心臟整流去顫器(ICD)和心律管理(CRM)等產品，都已邁入微型化設計。不只如此，產品開發人員透過縮小設備體積，讓產品使用較小的電池，同時改善產品功耗。
圖1是Given Imaging採用微型化技術所開發出的Pillcam無線內視鏡成像膠囊，此一產品因採用客製化RF收發器而縮小了電池的體積，因為它讓膠囊的功耗低於7.5毫瓦(mW)，同時還可以在8小時的工作過程中每秒傳送多達十四個圖像。
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| 圖1 Pillcam無線內視鏡成像膠囊示意圖 |
除客製化RF收發器外，現場可編程閘陣列(FPGA)元件也是讓醫療設備微型化的重要因素。過去傳統的設計工程師一直都是以微控制器(MCU)、特定應用標準產品(ASSP)晶片和小型可編程邏輯元件，開發用於可攜式醫療設備的人機介面(HMI)和微型馬達控制器，這種方法不僅難以縮小設備的體積，也不適用於優化十分重要的感測器和致動器的通道數目。反觀，以FPGA為基礎的解決方案則非常適合在較小的封裝體積中加入更多的功能性，滿足那些要求外形尺寸小的設備設計需求；同時它們還提供可讓用戶升級設計的附加優勢，因而能夠支援新的標準或提供更多的功能性。
與替代解決方案相比，FPGA元件還有助於降低功耗。例如可攜式醫療設備中的液晶顯示(LCD)面板功耗占掉應用設備功耗預算的一半，解決之道就是進行系統設計，盡可能地將LCD和控制邏輯置於功耗節省模式，以大幅降低電池的耗電量。由於ASSP並未考慮到醫療市場的實際需求，所以產品開發人員要以ASSP開發這些設計是有其困難度，若利用具備可編程特性的FPGA開發低功耗設計則較為簡單。
此外，產品開發人員也可採用空間使用效率高的半導體封裝技術來縮小設備的體積，例如晶片直接封裝(Chip on Board, COB)組裝、晶片堆疊(Chip on Chip, CoC)以及先進的三維(3D)封裝。這些封裝技術可將心律管理設備的整體電路空間減少多達80%；其中，最有效的技術之一就是晶片堆疊方法，它可縮短互連的長度和降低電阻，同時還可提高良率。
晶片堆疊可讓設計工程師將多種晶圓處理技術組合在小小的體積中，同時改善測試存取點。在下一代堆疊晶片解決方案方面，薄型互連封裝堆疊(Thin Interconnected Package Stack, TIPS)專案已有顯著的進展，這個專案是由奈米電子研究機構IMEC與企業和社會組織合作投資開發的，TIPS專案提供了降低元件高度、縮短長寬尺寸，同時還具備單模組優勢的封裝方法。
防範駭客篡改資料 快閃記憶體FPGA立大功
現今新一代的FPGA元件還提供重要的安全特性，以確保醫療設備可進行合法的升級。由於可攜式醫療設備常處於被竊、偽造、售後市場篡改和過度生產(Overbuilding)的風險中，這些風險中的每一項都會給醫療設備市場帶來嚴重的後果。例如若是將錯誤的軟體下載到胰島素泵中，或在設計中用到了仿冒的零組件，任何一種情況都有可能讓胰島素泵給出不準確的劑量，增加病患受到傷害的風險。
除此之外，產品開發人員為保護醫療設備避免被篡改，需要從硬體和軟體兩方面進行檢查，否則沒有辦法檢測到該被電腦駭客篡改的攻擊，因為電腦駭客有可能修改服務和基礎設備的功能性。
使用反熔絲和基於快閃記憶體(Flash Memory)的FPGA元件是很重要的，因為與基於靜態隨機存取記憶體(SRAM)的FPGA相比，它們非常難以進行逆向工程，一旦被編程後，基於快閃記憶體的FPGA就將所有可編程的資訊保留在晶粒內。
由於可編程單元是非揮發性的，因此在上電週期之間仍可保持運行狀態；反觀，基於SRAM的FPGA須在上電時重新載入配置資料，容易將編程的位元串流暴露在潛在的駭客眼前，而駭客截取基於快閃記憶體的FPGA位元串流的唯一方法則是從用於現場設備升級的設定檔中擷取，然而，要防止此一駭客竊取狀況發生，產品開發人員則可在FPGA元件中進行加密，並以快閃記憶體將所有的加密密匙和設置永久性儲存起來。
當產品開發人員在設計放射治療環境中使用的設備時，須能確保設備對這些危險的SEU事件免疫。SEU事件是在當高能粒子或離子衝擊N-P結耗散區時所發生，例如從毫微微庫侖(Femtocoloumb)到微微庫侖(Picocoloumb)的電荷在此一區域聚集，會造成電壓和電流瞬變，稱為SEU事件。產品開發人員若使用基於SRAM的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，容易引起SEU事件，其形式是記憶體單元(SRAM單元、暫存器、閂鎖或正反器)的狀態改變(位元翻轉)。
然而，對於以快閃記憶體為基礎的FPGA元件，情形則大不相同。快閃記憶體是一種非揮發性的儲存結構，包括封裝在良好的電介質中(圖2)的浮動閘(它位於控制閘和下方MOSFET結構之間)，在離子攻擊或接近快閃記憶體單元耗散區時，仍有一個電荷沉積著。然而，翻轉快閃單元儲存位元所需的臨界電荷量(QCRIT)遠大於SRAM單元，而且用於配置的快閃單元還具有非常穩健的結構，因此，用於FPGA配置的快閃單元具有SEU事件的免疫能力。
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| 圖2 快閃記憶體單元的電介質示意圖 |
綜上所述，微型化對於醫療設備來說是愈來愈重要，與此同時，產品開發人員還須提供更好的功能性、電池壽命和安全性。產品開發人員透過最新的FPGA元件，結合超低功耗晶片設計和先進的封裝技術，將有助於大幅縮小設備尺寸，且與替代方法相比，可在更小的空間中增加更多功能，同時提升效能。此外，產品開發人員若選擇基於快閃記憶體的FPGA技術，亦能夠同時降低致命安全性漏洞的風險，並可為在放射治療環境下使用的設備提供SEU免疫能力，提升產品可靠度。
(本文作者為美高森美通訊和醫療產品部醫療產品高級副總裁暨總經理)