以硬件为中心的设计方案构建高可靠性医疗电子设备

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  • 几乎每个使用手机的人都会有过几次通话中断的经历。虽然这些产品以及其他消费类产品的系统故障或者小毛病会带来不方便,但它们不会造成灾难性的后果。然而,医疗电子设备的一次系统故障就会带来生命威胁,这也是为什么医疗设备,以及这些系统中集成的器件和这些器件中运行的软件必须通过严格测试,并符合美国食品药品监督管理局(FDA)的严格要求。

     

    为确保我们的新设计能够发挥理想可靠的性能,顺利通过FDA的审批流程,我们采用了一种称为“Scrum/Sprint开发流程”的高度结构化的设计方法。此外,通过减少在软件中实施的功能,还能够降低软件出错的几率。我们已在赛灵思的FPGA中实施了这些功能。为了能够更充分地理解这种方法,我们首先来分析一下医疗设备的设计流程。

     

    三阶段生命周期

    FDA针对医疗电子产品制定了严格的规定、要求和指导原则,旨在确保社会大众的人身安全。在这些规定中,FDA对医疗设备(图1)的生命周期制定了严格的要求。一般情况下,电子产品公司必须在如下方面都符合上述规定的要求,其中包括医疗设备的所有元件、零部件或者配件,医疗设备生产过程中采用的任何软件,以及设备制造商质量系统使用的所有软件,如可记录并保持设备历史记录的程序等。

     

    以硬件为中心的设计方案构建高可靠性医疗电子设备


     

    图1、FDA定义的医疗设备设计整个生命周期图.
     

     

    我们可将医疗设备整个生命周期划分为三个主要阶段。首先是产品整个生命周期的初期阶段(图2),该阶段是所有三个阶段中系统性最差的阶段,期间企业主要侧重于理论与构思方面的研究和开发。该阶段的持续时长从数星期到数年不等,这与企业准备开发的系统的复杂程度息息相关。

    以硬件为中心的设计方案构建高可靠性医疗电子设备


     

    图2、在产品整个生命周期的初期阶段应用虚拟仪器和HEI设计方法,可以清晰地理解需要解决的问题。(print)

     

     

    产品整个生命周期初期阶段的基本组成部分是数据采集与分析。通常情况下,研究人员与产品设计规范小组会使用多种工具来精简流程。在这个阶段,HEI通常会采用美国国家仪器(NI)公司的LabVIEW产品来调整FPGA的I/O。一旦充分理解问题,我们就能设计出解决方案。对于器件开发及原型设计,我们结合直观的图形编程,重复使用数学与信号处理功能来开发新的算法。然后,通过使用商用套装硬件,我们对现实世界的数据进行参考来对算法的性能进行验证。在许多情况下,我们都能使用NI提供的基于FPGA的原型设计平台来实现最终器件的实验原型。确切地说,我们能够将LabVIEWReal-Time模块和FPGA模块同NI CompactRIO结合使用,以便在算法设计和器件原型阶段之间迅速实现叠代。使用硬件套件进行原型设计,不仅能够显著缩短硬件开发与集成时间,而且还使我们能够将更多精力集中到交付功能强大、性能可靠的软件设计中。

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