Posts Tagged ‘Analog Devices’

חישת תנועה ב-MEMs מקדמת מערכות רפואיות מהדור הבא

יום שני, 05 מרץ 2012 11:43

analog

אנלוג דיויסס ניווט מדויק, הכרוך לרוב ביישומים המפותחים עבור כלי-רכב קרקעיים, אוויריים וימיים, משמש לאחרונה במידה מוגברת ביישומים רפואיים החל מציוד ניתוחי ועד רובוטיקה. ובעוד דרישות התכנון של מערכת ניווט ניתוחי מציגות דמיון רחב עם ניווט כלי-רכב מקובל, קיימים גם אתגרים ברורים המוכתבים על-ידי הסביבה ורמת הביצועים הנדרשת.

מאמר זה מנתח את האתגרים הייחודיים של יישומי הניווט הרפואי וחוקר פתרונות אפשריים הנעים ממנגנוני חישה שונים עד עיבוד החיישנים הדרוש ועד מאפייני המערכת ועיבוד הנתונים הייחודיים הדרושים כדי לספק את הפתרונות הטובים ביותר. מפרטי חיישנים קריטיים ייסקרו ויוסברו בשל התרומה הפרטנית שלהם, וחשוב עוד יותר, מנגנוני השגיאה והסחיפה הפוטנציאליים יידונו כדי לסייע בבחירת החיישן. כמו-כן יודגשו גם ההזדמנויות והגישות לשיפור החיישנים באמצעות שילוב, מזיגת חיישנים ועיבוד חיישנים (דוגמת סינון Kalman).

איור 1: מבני MEMS עשויים סיליקון חשים בתאוצה וסיבוב וממירים אותם לאות חשמלי באמצעות עיבוד אותות.

איור 2: תנועה ליניארית בצירי y ,x ו-z, בתוספת גלגול, עילרוד וסיבסוב סיבוביים משלימים את מדידת שש דרגות התנועה הדרושה לשם הגדרה מלאה של התנועה.

תרגום גילוי התנועה הליניארית והסיבובית לערכי השירות הרפואי
מדי-תאוצה וג’ירוסקופים מבוססי-סיליקון הידועים כמערכות מיקרו-אלקטרומכניות או MEMs (איור 1) נמצאים כיום בדרך כלל במגוון רחב של התקנים. חיישנים אינרציאליים אלה מגלים ומודדים תנועה, בעזרת הספק וממדים מזעריים, והם חשובים כמעט בכל יישום בו קשורה תנועה, ואף כאלה שהיעדר תנועה הוא קריטי. טבלה I מציינת אחדים מהיישומים הרפואיים הבסיסיים הקשורים על-פי סוג התנועה. במועד מאוחר יותר, יידונו יישומים יותר מתקדמים בהם קיימים צירופים של תנועה בתרחישים מורכבים המציבים אתגרים נוספים.

רוב התנועה היא מורכבת מטבעה
בעוד גילוי תנועה פשוטה (תנועה ליניארית לאורך ציר אחד לדוגמה) היא בעלת-ערך במספר יישומים (כגון גילוי נפילה של אדם מבוגר), רוב היישומים כוללים סוגים וצירי תנועה רבים. היכולת ללכוד תנועה מורכבת, רב-ממדית זו תעניק לא רק יתרונות חדשים, אלא גם תהווה יסוד לשמירה על הדיוק בסביבות הקריטיות ביותר.
במקרים רבים, חיוני לשלב סוגי תנועה מרובים (לדוגמה, ליניארית וסיבובית) כדי לקבוע במדויק את התנועה שהעצם ביצע. לדוגמה, מד-תאוצה יכול לשמש לקביעת זווית ההטיה מאחר שהיא רגישה לכוח הכובד של כדור הארץ. כאשר מד-תאוצה MEMS מסובב דרך שדה של ±1g , הוא מסוגל להמיר תנועה זו לתצוגה זוויתית. אולם מד-התאוצה אינו יכול להבחין בין תאוצה סטטית (כובד) לתאוצה דינמית. במקרה האחרון, ניתן לשלב את מד-התאוצה עם ג’ירוסקופ, והעיבוד המאוחר של שני ההתקנים יכול להבחין בין תאוצה ליניארית לבין הטיה, מתוך מודלים של תנועה דינמית ידועים. ברור שתהליך זה של מיזוג חיישנים הופך למורכב יותר בשעה שהדינמיקה של המערכת (מספר צירי התנועה ודרגות חופש התנועה) עולה.
חשוב גם להבין את השפעות הסביבה על דיוק החיישן. טמפרטורה היא בוודאי מקור ברור לדאגה, והיא ניתנת לתיקון; למעשה חיישנים בעלי דיוק גבוה יותר מכוילים מראש ויפצו את עצמם בצורה דינמית. גורם שפחות ברור לשקול הוא היכולת של רעידות אף קלות ליצור היסטים (shift) בדיוק של חיישני קצב סיבוביים. תופעות אלו, הידועות כתופעת התאוצה הליניארית ויישור הרעידה, עשויות להיות תלויות באופן משמעותי באיכות הג’ירוסקופ. מיזוג חיישנים אמור לשפר ביצועים אלה על-ידי שימוש במד-תאוצה כדי לגלות תאוצה ליניארית, ולעשות שימוש במידע זה, יחד עם ידע מכויל של רגישות התאוצה הליניארית של ג’ירוסקופ, לצורכי תיקון.
ביישומים רבים, במיוחד אלה הדורשים ביצועים מעבר ל”הצבעה” בסיסית (למעלה, למטה, שמאלה או ימינה) או תנועה פשוטה (בתנועה או לאו), דרוש גילוי תנועה בעל דרגות חופש מרובות. לדוגמה, חיישן אינרציאלי בעל שש דרגות חופש מוגדר כבעל יכולת לגלות תאוצה ליניארית בכל אחד מצירים אלה (x, y, z), וכן תנועה סיבובית באותם שלושה צירים, המכונה כגלגול, עילרוד וסיבסוב; כמתואר באיור 2.

איור 3. יחידות מדידה אינרציאליות מבוססות-MEMS מספקות מדידה מדויקת של שש דרגות התנועה בממדים קומפקטיים המתאימים למכשור הניתוחי.

טבלה III: שיקולים בבחירת החיישן.

ניווט מכלי-רכב למכשור ניתוחי
השימוש בחיישנים אינרציאליים כעזרי ניווט הפך לנפוץ בתעשייה. לרוב, הם משמשים בצירוף התקני ניווט אחרים דוגמת ה-GPS. כאשר השימוש ב-GPS איננו אמין, ניווט אינרציאלי ממלא את הפער בכיסוי מה שמכונה “ניווט לפי חישוב”. ניתן להוסיף חיישנים אחרים, כולל אופטיים ומגנטיים, בהתאם לסביבה ולמטלות הביצועים. לכל סוג של חיישן מגבלות משלו. חיישני MEMS אינרציאליים מספקים את הפוטנציאל לקיזוז מלא של אי-דיוקים אלה של החיישן מאחר שהם חופשיים מהרבה סוגי הפרעות ואינם דורשים תשתית חיצונית: לא דרושים לוויינים, שדה מגנטי או מצלמה, רק כוח התמדה. גישות הניווט העיקריות רשומות בטבלה II, ביחד עם העוצמות שלהן והמגבלות הפוטנציאליות.
באשר לפוטנציאל של חסימת GPS בניווט כלי-רכב, ההשלכות הרפואיות הם ניווט אופטי והפוטנציאל של חסימות בקו-ראיה. חיישנים מבוססי-אינרציה מבצעים ניווט לפי חישוב במהלך החסימה האופטית, כמו גם תגבור של אמינות המערכת על-ידי יצירת חישה יתירה.

ניווט רפואי
אחד היישומים הרפואיים המוזכרים בטבלה II כולל שימוש בחיישנים אינרציאליים בחדר הניתוח לשם כוונון מדויק יותר של ברך מלאכותית או מפרק ירך אל המבנה האנטומי הייחודי של המטופל. המטרה כאן היא לשפר את כוונון המפרק לפחות משגיאה של 10 מהכוונון הטבעי של המנותח לעומת שגיאה של 30 או יותר כיום עם גישות הכוונון המכניות הפשוטות. מעל 95 אחוזים מניתוחי ה- המבוצעים כיום נעשים בעזרת כוונון מכני. גישות בעזרת מחשב המשתמשות בכוונון אופטי החלו רק להחליף באיטיות חלק מההליכים המכניים, כנראה בשל תוספת הציוד הדרושה. אם משתמשים בכוונון מכני או אופטי, קרוב ל-30% מהליכים אלה מסתיימות בחוסר כוונון (המוגדר כשגיאה מעל 30), דבר הגורם הן לאי-נוחות והן לעתים לניתוח נוסף. עם הקטנת חוסר הכוונון נוצר פוטנציאל להציע זמן ניתוח פחות פולשני ויותר קצר, דבר המעלה את נוחות המטופל לאחר הניתוח ויוצר החלפות מפרקים המאריכות יותר זמן. הוכח שחיישנים ראשוניים בצורת יחידת מדידה רב-צירית מלאה (inertial measurement unit – IMU) כמתואר באיור 3, מספקים שיפור ניכר בדיוק עבור ה-TKA.
בחירת החיישן והעיבוד ברמת המערכת
קיים מבחר רחב ברמות הביצועים של חיישנים אינרציאליים. התקנים המתאימים למשחקים אינם מסוגלים לענות לבעיית הניווט בעל ביצועים גבוהים כמתואר כאן. מפרטי ה-MEMS העיקריים הם סחיפת הממתח, השפעת הרעידות, רגישות ורעש. ניווט תעשייתי ורפואי מדויק מחייב לרוב רמות ביצועים גבוהות יותר בסדר גודל מאשר ניתן להשיג מחיישני MEMS הנועדים לשמש בהתקני צריכה. טבלה III מתארת את שיקולי המערכת הכלליים, המסוגלים בעזרת ניתוח מעמיק להכתיב את בחירת החיישן.
מרבית המערכות יממשו גרסה כלשהי של מסנן Kalman כדי לאחד ביעילות סוגי חיישנים רבים. מסנן ה-Kalman מביא בחשבון את מודל הדינמיקה של המערכת, הדיוקים היחסיים של החיישן ונתוני בקרה מיוחדים ליישום כדי לבצע את הקביעה הטובה ביותר של התנועה המעשית. חיישנים אינרציאליים בעלי דיוק גבוה יותר (רעש נמוך, סחיפה נמוכה ויציבות בשינויי הטמפרטורה/הזמן/ההספק) מקטינים את המורכבות של מסנן ה-Kalman, מספר החיישנים היתירים הדרושים ומספר המוגבלויות המוכתבות על תרחישי מערכת תפעוליים אפשריים.

אימוץ MEMS ביישומים רפואיים
לכידת תנועה ביישומים הרפואיים המורכבים ביותר מעמידה בבעיות מאתגרות ביותר הכרוכות במחשוב מתקדם. למרבה המזל, רוב העקרונות האלה הדרושים לפיתרון בעיות רפואיות מהדור-הבא מבוססים על גישות מוכחות מתוך בעיות ניווט תעשייתי קלאסי, הכולל מזיגת חיישנים וטכניקות עיבוד. במסגרת הניווט הרפואי, מורכבות התנועה ודרישות הדיוק והאמינות יכתיבו את הצורך ב:
חיישנים מרובים
עיבוד חיישנים מאוחר (post processing) נוסף
אלגוריתמים מתוחכמים
סכמות בדיקה/פיצוי מורכבות
הנגישות של פיתוחי חיישנים מדויקים ביותר ואיתנים סביבתית מביאה לצמיחה חדשה באימוץ חיישני MEMS אינרציאליים במסגרת התחום הרפואי.
התקני MEMS אינרציאליים אלה מסוגלים להציע יתרונות בדיוק, ממדים, הספק, יתירות ונגישות לעומת גישות מדידה/חישה קיימים.

המערכת בגודל כף יד KneeAlign® 2 של OrthAlign

יום חמישי, 03 נובמבר 2011 08:58

משתמשת בטכנולוגיה לחישת תנועה שנמצאת במערכת MEMS של – ®iSenor – לביצוע מדידות אינרטיות למען קבלת דיוק כירורגי

ANALOG DEVICES

המערכת החדשה KneeAlign® 2 של חברת OrthAlign משתמשת בחיישן התנועה של חברת Analog Devices לקבלת דיוק טוב יותר בניתוחים אורתופדיים של החלפת מפרקי ברכיים.
החידושים האחרונים בביצוע ניתוחים בעזרת מחשב פורצים את גבולותיה של הרפואה המודרנית בכמה חזיתות חדשות ומרגשות. שעה שהמכשור הרפואי הקונבנציונלי ממשיך ומפנה את מקומו למערכות מבוססות מסופי מחשב ומצלמות, המנתחים מתפנים לבצע במטופלים ניתוחים עם דיוק יוצא דופן.
חברת Analog Devices גאה להודיע שטכנולוגית חישת התנועה האינרטית שבמערכות ®iMEMS (מערכות אלקטרו-מכניות זעירות) לביצועים גבוהים שמתוצרתה, נבחרה לשמש במערכת ניווט ניידת חדשה עבור פרוצדורות רפואיות לצורך הנחיית הכוונון של מפרק הירך במהלך ניתוח החלפת מפרק ירך.
אנשי צוות התכנון של OrthAlign לקחו את מגמות החדשנות האלו צעד נוסף קדימה, בהציגם את מערכת הניווט KneeAlign 2, שגודלה כגודל כף יד, המשמשת בפרוצדורות רפואיות ומספקת כוונון מדויק של עצם השוק ועצם הירך בעת ביצוע ניתוח החלפה מלאה של מפרק הברך. המערכת הקומפקטית KneeAlign 2 משלבת את דיוק הכוונון של התקן ציוד רפואי גדול ורחב המשמש בפרוצדורות ניתוח ונעזר במחשב, עם הפשטות של המכשור הקונבנציונלי. היחידה 2 KneeAlign עם מכשור החיתוך המשויך לה, מתאימים לכל מערכות ההשתלה המשמשות בפרוצדורות החלפת מפרק ירך ומפרק ברך (TKA), שהן פרוצדורות רפואיות שבהן חלקים של הברך מוחלפים בחלקים מלאכותיים.
במקום להשתמש במכשיר ניווט מבוסס מצלמה, שהוא מייקר את עלותה של מערכת הניווט בזמן ניתוח ומרחיב את גודלה, צוות התכנון של OrthAlign מתבסס על היחידה IMU (יחידת מדידה אינרטית) – ®iSensor – של חברת Analog Devices, כדי לאפשר למנתח האורטופד לקבוע תוך שניות את מרכז הציר של עצם הירך של המטופל ולחשב את הזוויות המדויקות שבהן עליו לחתוך את העצם בעת ביצוע פרוצדורה של החלפת מפרק ברך. מאחר שהברך של המטופל צריכה לעמוד במרחב תנועה מלא, המנתח מסתמך על נתונים לגבי מיקום ותנועות, שאותם הוא מקבל מיחידת המדידה האינרטית של Analog Devices כדי לקבוע במהירות את כיוון קטע החיתוך של עצם הירך.
יחידת המדידה האינרטית iSensor של Analog Devices, אשר מתוכננת בתוך המערכת KneeAlign 2, מספקת שש דרגות חופש של מדידה באמצעות שלושה מדי תאוצה ושלושה התקני גירוסקופ שחשים בתנועה ליניארית ובתנועה זוויתית, בהתאמה. יחידת המדידה האינרטית iSensor יכולה להגיע לתוצאות מעקב מדויקות אחר תנועת מכשיר בכל הצירים, גם בתנאים הדורשניים המתקיימים בתהליך הניתוח. ההתקן הקומפקטי של יחידת המדידה IMU מספק גישה לנתוני חישה שמקבלים פיצוי, הן באופן מכויל וגם באופן דינמי, דרך ממשק SPI ספרתי רגיל, ומציע יכולת כוונון ספרתי של נתוני הסינון ונתוני העיבוד של החיישן, על מנת ליצור התאמה לתרחישים מרובים של יישומים.
“ליחידת המדידה האינרטית iSensor של Analog Devices יש תפקיד חשוב ביותר באפשור התכנון של המערכת KneeAlign 2”, אמר דריוס ח’הרבי (Darius Kharabi) סגן נשיא לתחום הפיתוח בחברת OrthAlign. “החודש הצלחנו להשלים את השימוש המוגבל ב- 50 ניתוחי החלפת מפרק ירך וברך (TKA) בעזרת מערכת KneeAlign 2 לניווט במרכזים לניתוחי ברכיים הנחשבים ביותר בארה”ב, והתוצאות היו מעודדות באופן יוצא מן הכלל. אנו מתכננים לצאת לשוק עם מערכת KneeAlign 2 ברבעון הראשון של שנת 2012 ולהמשיך במחקרים הקליניים בבתי חולים בניו יורק, קליפורניה ובמרכזים אחרים שחרטו על דגלם את שם המצוינות.”
חברת OrthAlign – שמשרדיה נמצאים באליסו וייחו (Aliso Viejo) שבקליפורנייה – היא חברה הנמצאת בבעלות פרטית ועיקר עיסוקה הוא מכשור רפואי. החברה מספקת למנתחים מתחום האורתופדיה מוצרי ניווט ידידותיים למשתמש וכדאיים מבחינת עלות, לצורך כוונון מדויק שנדרש מהם בעת ביצוע פרוצדורות רפואיות.
זמינותם של נתונים אינרטיים מדויקים באמצעות ממשק ספרתי פשוט ואוטונומי, מוכן מן האריזה, איפשר לצוות התכנון של OrthAlign לחסוך שנים רבות של זמן פיתוח, שאחרת היה נדרש מהם כדי להוציא את המוצר המהפכני הזה אל השוק.
בזכות קלות השימוש המתאפשרת עם מכשור מסורתי, המערכת KneeAlign 2 של OrthAlign קיבלה פטור לפי סעיף 510(K) מאת מנהל התרופות והמזון בארה”ב (FDA), מפני שבמהותה היא נחשבת שוות ערך למערכות מבוססות מצלמה המשמשות בפרוצדורות רפואיות שנעזרות במסופי מחשבים מורכבים, לביצוע מדידות של עצם הירך ועצם השוק.
“ההצלחה של ניתוחי החלפת מפרק ירך וברך (TKA) תלויה בדיוק של כיוון הברך”, אמר פטריק או’דוהרטי (Patrick O Doherty), סגן נשיא בקבוצת Healthcare של Analog Devices. “באמצעות השימוש ביחידת המדידה האינרטית iSensor של
Analog Devices, המערכת KneeAlign 2 מספקת דיוק כוונון שניתן להשוותו למערכות הניווט הגדולות והיקרות באופן משמעותי המבוססות על מצלמות. מערכות אלו, שהן יקרות יותר ומורכבות יותר באופן משמעותי, הוכיחו עצמן כמערכות שיכולות להגיע לתוצאות כוונון של 91 אחוזי דיוק בעת ביצוע ניתוח החלפת מפרק ברך, בהשוואה ל-68 אחוזי דיוק שאליהם אפשר להגיע בניתוח קונבנציונלי מכני.”
בארה”ב קיימת דרישה נרחבת לפרוצדורות רפואיות של החלפת מפרקי ברך וירך (TKA), עם צפי לגידול עצום (673 אחוזים) במספר המנותחים בין השנים 2005 ל- 2030. כ- 675,000 מטופלים ברחבי ארה”ב עברו ניתוח החלפת מפרק ברך בשנת 2009, ולפי ההערכה עד לשנת 2030 יעברו את הפרוצדורה הזו 3.5 מיליון מטופלים. לדאבון לב כולם, על פי ההערכה, כ- 30 אחוזים מכל הפרוצדורות להחלפת מפרקי ירך וברך שבוצעו, הסתיימו בכוונון גרוע של השתל. לכן ברור שלחידוש המתמשך של OrthAlign בתחום ניתוחי ברכיים, שהתאפשר בחלקו בשל טכנולוגיית החישה iSensor של חברת Analog Devices, יש משמעות רבה מאוד בקרב המנתחים.
חברת Analog Devices מציעה ללקוחותיה מתחום הטיפול הרפואי תיק מוצרים נרחב ומגוון הכולל טכנולוגיות של עיבוד אותות ליניאריים, עיבוד אותות מעורבים, מערכות אלקטרו-מכניות זעירות וטכנולוגיות לעיבוד אותות ספרתיים, המשמשים בדימות רפואי, במעקב אחר מצב בריאותו של המטופל, במכשור רפואי ובהשגחה ביתית. המוצרים של חברת Analog Devices והטכנולוגיות שהיא מפתחת – אשר מקבלים גיבוי של כלי תכנון מובילים ואת תמיכתם של יישומים שונים ומומחי מערכות – מאפשרים ליצור הבחנות בין תכנוני ההשגחה הרפואית, ובכך מסייעים בעיצוב העתידי של אבחונים רפואיים וציוד ניטור, וכן במכשירי בריאות ורווחה.
חדשנות – ביצועים – ומצוינות — אלו הם עמודי התווך שעליהם חברת Analog Devices מבססת את עצמה במהלך השנים כאחת החברות היציבות בעלת הצמיחה הגבוהה ביותר בקרב המגזר הטכנולוגי. חברת Analog Devices קיבלה זה מכבר את ההכרה ברחבי התעשייה כחברה המובילה בטכנולוגיה להמרת נתונים ובטכנולוגיה לשיפור אותות. החברה משרתת יותר מ- 60,000 לקוחות ומייצגת למעשה את כל סוגי הציוד האלקטרוני. חברת Analog Devices נחשבת ליצרנית מובילה בעולם של מעגלים משולבים לביצועים גבוהים שמשמשים ביישומי עיבוד אותות אנלוגיים וביישומי עיבוד אותות ספרתיים. משרדיה הראשיים נמצאים בנורווד (Norwood) שבמסצ’וסטס, ואלו בנוסף על מתקני תכנון וייצור שפזורים ברחבי העולם.
חברת Analog Devices רשומה כנסחרת בבורסה של ניו-יורק תחת הכינוי
“ADI” והיא נכללת במדד S&P 500 הכולל את מניותיהם של 500 תאגידים, רובם אמריקנים (נחשב למדד המפורסם ביותר לאחר מדד הדאו ג’ונס)

חיישנים אינרציאליים מאפשרים פעולה אוטונומית ברובוטים ניידים

יום חמישי, 28 יולי 2011 23:00

מאת: מרק לוני, Analog Devices

מערכות רובוטיות קרקעיות חייבות לעיתים קרובות לטפל במשימות “המשעממות, המלוכלכות והמסוכנות”, לדברי סת אלן, מנהל פרויקטים בחברת Adept MobileRobots. במילים אחרות, בדרך כלל משתמשים במערכות רובוטיות למשימות שבהן מעורבות אנושית ישירה יקרה מדי, מסוכנת מדי או פשוט לא יעילה. במקרים רבים, היכולת של פלטפורמות רובוטיות לפעול באופן אוטונומי היא תכונה רבת ערך, על ידי שימוש במערכות ניווט לניטור ושליטה על התנועה שלהן כשהן נעות ממקום אחד לבא אחריו. דיוק בניהול מיקום ותנועה הוא גורם מפתח כדי לאפשר פעולה אוטונומית מועילה באמת, וגירוסקופי MEMS (מערכת מיקרו אלקטרו מכאנית) מספקים מנגנוני חישה ובקרה השימושיים מאוד במיטוב הביצועים של מערכות ניווט. המערכת הרובוטית ®Seekur, המוצגת באיור 1, היא דוגמה של מערכת אוטונומית המשתמשת בהתקני MEMS מתקדמים כדי לשפר את ביצועי הניווט.

סקירה כללית על ניווט רובוטים
תנועה של רובוט מתחילה בדרך כלל בבקשה לשינוי מיקום מהמעבד המרכזי שמנהל את התקדמות המשימה הכוללת של הרובוט. מערכת הניווט מתחילה לבצע בקשה לשינוי מיקום על ידי פיתוח תוכנית מסע או מסלול. תוכנית המסע מביאה בחשבון את הנתיבים הזמינים, המיקום של מכשולים ידועים, היכולות של הרובוט וכל יעד משימה אחר (לדוגמה, זמן השינוע יכול להיות קריטי בשביל רובוט שמעביר דגימות בבית חולים). תוכנית המסע מוזנת לבקר, שמפיק פרופילי הנעה וכיוון לבקרת הניווט. הפרופילים האלה גורמים לתנועה ולהתקדמות ביחס לתוכנית. התנועה בדרך כלל מנוטרת על ידי מספר מערכות חישה, שכל אחת מהן מפיקה אותות משוב. בקר המשוב אוסף ומתרגם אותם לתוכניות מסע מעודכנות ותנאים מעודכנים. איור 2 הוא תרשים בלוקים בסיסי של מערכת ניווט גנרית.
שלבי המפתח בפיתוח מערכת ניווט מתחילים בהבנה טובה של כל פונקציה, עם דגש מיוחד על המטרות והמגבלות התפעוליות שלה. לכל פונקציה יש בדרך כלל היבטים מוגדרים היטב וקלים לביצוע, אבל גם מגבלות מאתגרות שצריך לטפל בהן. במקרים מסוימים התהליך הזה יכול להיות איטרטיבי, כשזיהוי מגבלות והתמודדות איתן מאפשרים אפשרויות חדשות למיטוב. הדרך הטובה ביותר לתאר את התהליך הזה היא באמצעות דוגמה.

: איור 1. מערכת Seekur מתוצרת Adept MobileRobots

: איור 2. מערכת ניווט גנרית.

: איור 3. מערכת הניווט Seekur מתוצרת Adept MobileRobots.

Seekur מתוצרת
Adept MobileRobots
הוא רובוט אוטונומי שמשתמש במערכת ניווט אינרציאלית (INS) הדומה למערכת המוצגת באיור 3. לרכב הזה יש מערכת הנעה (4×4 (4WD, עם בקרת היגוי ומהירות נפרדת לכל גלגל, המספקת את הגמישות להניע את הפלטפורמה בכל כיוון אופקי. ליכולת הזאת יש ערך רב בכלי רכב רובוטיים ביישומים מתפתחים כגון מערכות שינוע במחסנים, מערכות שמשנעות דגימות/אספקה בבתי חולים ומערכות העצמת כוח צבאיות.

בקרה ישירה
פקודות לגוף הרובוט, אותות השגיאה העיקריים, מייצגות את השוני בין תוכנית המסע שמספק מתכנן המסלול ועדכוני התקדמות המסע שמפיקה מערכת חישת המשוב. הן מוזנות למערכת הקינטיקה ההפוכה, שמתרגמת את פקודות גוף הרובוט לפרופילי היגוי ומהירות לכל גלגל בנפרד. הפרופילים האלה מחושבים תוך שימוש ביחסי ההיגוי של אקרמן*, שמכלילים את קוטר הצמיג, שטח המגע של פני השטח, ריווח ותכונות גיאומטריות חשובות אחרות. העקרונות ויחסי ההיגוי של אקרמן מאפשרים לפלטפורמות הרובוטיות האלה ליצור פרופילי זוויות היגוי מחוברים באופן אלקטרוני הדומים למערכות ממסרת פס שיניים מכאניות שמשמשות במערכות היגוי של מכוניות רבות. ההכללה מרחוק של היחסים האלה, מבלי שהסרנים יצטרכו להיות מחוברים מכאנית, עוזרת להפחית את החיכוך ואת ההחלקה של הצמיג, מעניקה את היתרונות של הפחתת בלאי צמיגים ואיבוד אנרגיה, ומאפשרת תנועה שאינה אפשרית עם חיבורים מכאניים פשוטים.
*נרשמו כפטנט על ידי רודולף אקרמן בשנת 1817(!)

מערכת ההנעה וההיגוי של הגלגלים
לכל גלגל יש גל הינע שמוצמד מכאנית למנוע המניע שלו דרך תיבת הילוכים, ודרך תיבת הילוכים אחרת למקודד אופטי, שהוא קלט למערכת המשוב של האודומטריה. גל ההיגוי מצמיד את הסרן למנוע סרוו אחר, שקובע את זווית ההיגוי של הגלגל. גל ההיגוי גם נצמד דרך תיבת הילוכים למקודד אופטי שני, שמספק קלט אחר למערכת המשוב של האודומטריה.

החישה והבקרה של המשוב
מערכת הניווט משתמשת במסנן קלמן מורחב כדי לאמוד את מיקומו (pose) של הרובוט על המפה על ידי שילוב נתונים מכמה חיישנים. נתוני האודומטריה ב-Seekur מתקבלים ממקודדי ההנעה וההיגוי של הגלגלים, שמספקים את ההעתקה, וג’ירוסקוף MEMS, שמספק את הסיבוב.

אודומטריה
מערכת המשוב של האודומטריה אומדת את המיקום של הרובוט, כיוון התנועה והמהירות באמצעות מדידות מקודד אופטי של הסיבוב של גל ההינע וההיגוי. במקודדים אופטיים, דיסק חוסם מקור אור פנימי או מאפשר לו להאיר על חיישן אור דרך אלפי פתחים קטנים. כשהדיסק מסתובב, הוא יוצר סידרה של פולסים חשמליים שבדרך כלל מוזנים למעגל מונה. מספר הספירות לסיבוב שווה למספר החריצים בדיסק, שמאפשר לחשב את מספר הסיבובים (כולל שברים) מספירת הפולסים של מעגל המונה. איור 4 מספק ייחוס גרפי ויחס לתרגום ספירת הסיבובים של גל ההינע לשינויים בתזוזה הקווית (מיקום).
מדידות המקודדים של גל ההינע וגל ההיגוי מכל הגלגלים משולבות במעבד הקינמטיקה הישירה, תוך שימוש בנוסחאות ההיגוי של אקרמן, שמפיקות מדידות של כיוון תנועה, קצב סיבוב, מיקום ומהירות קווית.
היתרון של מערכת המדידה הזאת הוא שפונקציית החישה שלה מוצמדת ישירות למערכות בקרת ההינע וההיגוי, כך שמצבם המדויק ידוע. אולם, הדיוק מבחינת המהירות והכיוון האמיתיים של הרכב מוגבל אם לא זמין ייחוס למערכת קואורדינטות של העולם האמיתי. המגבלות העיקריות, או המקורות של השגיאות, נמצאים בעקביות של הגיאומטריה של הצמיג (הדיוק והשונות של D באיור 4) ונתקים במגע בין הצמיג ופני הקרקע. הגיאומטריה של הצמיג תלויה באחיזות של התעלות, לחץ האוויר, הטמפרטורה והמשקל – כולם תנאים שיכולים להשתנות במהלך השימוש הרגיל של הרובוט. ההחלקה של הצמיג תלויה ברדיוסי הסיבוב, המהירות ואחיזות פני השטח.

החישה של המיקום
מערת Seekur משתמשת בחיישני טווח שונים. ליישום בתוך מבנים, היא משתמשת בסורק לייזר 270° כדי לבנות מפה של סביבתה. מערכת הלייזר מודדת את הצורה של העצמים, הגודל והמרחק ממקור הלייזר באמצעות דגימת האנרגיה החוזרת וזמני חזרה של אותות. כשהיא במצב מיפוי, היא מאפיינת את שטח העבודה שלה על ידי שילוב של תוצאות סריקה ממיקומים שונים רבים בשטח העבודה (איור 5). מזה מופקת מפה של המיקום, הגודל והצורה של האובייקטים, המשמשת כייחוס לסריקות בזמן הפעולה. כשמשתמשים בה יחד עם המידע מהמיפוי, פונקציית סורק הלייזר מספקת מידע מיקום מדויק. אם משתמשים בה לבד, יהיו לה מגבלות הכוללות את זמן העצירה בשביל הסריקות ואי יכולת להתמודד עם סביבה משתנה. בסביבה של מחסן אנשים, מלגזות, עגלות משטחים ועצמים רבים אחרים משנים מיקום לעיתים תכופות, וזה יכול פוטנציאלית להשפיע על המהירות ליעד, ועל הדיוק בהגעה ליעד הנכון.

חישה של הקצב הזוויתי באמצעות MEMS

הג’ירוסקוף בטכנולוגיית MEMS שבו משתמשת מערכת Seekur מספק מדידה ישירה של קצב הסבסוב של Seekur – סיבוב סביב הציר האנכי, שהוא ניצב לפני הקרקע במערכת הייחוס הניווטית של Seekur. היחס המתמטי לחישוב כיוון תנועה יחסי הוא אינטגרציה פשוטה של מדידת הקצב הזוויתי על פני פרק זמן קבוע (t1 עד t2).

אחד היתרונות החשובים של הגישה הזאת הוא שהג’ירוסקוף, המחובר למסגרת של הרובוט, מודד את התנועה האמיתית של הרכב מבלי להסתמך על יחסי תמסורת, דרגות חופש, גיאומטריה של הצמיגים או השלמות של המגע עם פני השטח. אולם, אומדן כיוון התנועה כן מסתמך על דייקנות של חיישנים, שהיא פונקציה של הפרמטרים החשובים הבאים: שגיאת הטיה, רעש, יציבות ורגישות. שגיאת הטיה קבועה מתבטאת בקצב הסחיפה של כיוון התנועה, כפי שמראה היחס הבא שכולל את שגיאת ההטיה, ωBE:

: NC = מספר הספירות של המקודד לסיבוב NE = מספר הספירות של המקודד שנקראות לתוך הקינמטיקה ההפוכה איור 4. יחס התזוזה הקווית של האודומטריה

: איור 5. מיפוי לייזר

: איור 6. חישת מיקום באמצעות GPS.

את שגיאת ההטיה אפשר לחלק לשתי קטגוריות: נוכחית ותלויה בתנאים. מערכת Seekur אומדת את שגיאת ההטיה הנוכחית כשהיא לא בתנועה. זה מחייב את מחשב הניווט לזהות מתי לא מבוצעות פקודות לשינוי מיקום ולבצע אומדן הטיה מאיסוף נתונים ועדכון מקדמי תיקון. הדיוק של התהליך הזה תלוי ברעש של החיישנים ופרק הזמן שזמין לאיסוף נתונים ויצירת אומדן שגיאות. עקומת השונות של אלן מספקת קשר נוח בין הדיוק של ההטיה ומיצוע הזמן, כפי שמראה איור 7, שלוכד את היחס ב-ADIS16265 – התקן MEMS של iSensor® הדומה לג’ירוסקוף שבשימוש כעת במערכת Seekur. במקרה זה, Seekur יכול להפחית את טעות ההטיה לפחות מ-0.01° לשנייה, במיצוע של 20 שניות, ויכול למטב את האומדן על ידי מיצוע של בערך 100 שניות.
יחס השונות של אלן מציע גם תובנות על זמן האינטגרציה המיטבי (τ = t2 – t1). נקודת המינימום על העקומה הזאת מזוהה בדרך כלל כיציבות ההטיה בזמן הפעולה. אומדני כיוון התנועה ממוטבים על ידי הצבת זמן אינטגרציה, τ, השווה לזמן האינטגרציה המשויך לנקודת המינימום על עקומת שונות האלן של הגירוסקופ שבו משתמשים.
בגלל שהן משפיעות על הביצועים, שגיאות שתלויות בתנאים, כגון מקדם טמפרטורת הטיה, יכולות לקבוע את התכיפות שבה הרובוט חייב לעצור כדי לעדכן את תיקון ההטיה שלו. שימוש בחיישנים מכוילים מראש יכול לעזור לתת מענה למקורות של השגיאות הנפוצות ביותר, כגון שינויים בטמפרטורה ובספק הכוח. לדוגמה, שינוי מ-ADIS16060 ל-ADIS16265 המכויל מראש עשוי להגדיל את הגודל, המחיר וההספק, אבל מציע יציבות טובה פי 18 לגבי הטמפרטורה. עבור שינוי של 2°C בטמפרטורה, ההטיה המכסימלית של 0.22° לשנייה עם ADIS16060 מופחתת ל-0.012° בשנייה עם ADIS16265.

המקור של שגיאת הרגישות פרופורציונלי לשינוי האמיתי בכיוון התנועה, כפי שמראה היחס הבא:

חיישני MEMS מסחריים לעיתים תכופות מספקים מפרטי שגיאות רגישות שנעים בין ±5% ו ±20%, כך שהם יצטרכו כיול כדי למזער את השגיאות האלה. גירוסקופי MEMS מכוילים מראש, כגון ADIS16265 ו-ADIS16135, מספקים מפרטים של פחות מ-±1% – עם ביצועים טובים אפילו יותר בסביבות מבוקרות.

: איור 7. עקומת שונות אלן של ADIS16265.

דוגמאות של יישומים:
שינוע מלאי במחסן
באוטומציה של מחסנים משתמשים כיום במלגזות ומערכות מסועים כדי לשנע חומרים לשם ארגון מלאי ומילוי דרישות. המלגזות מצריכות בקרה אנושית ישירה, ומערכת המסועים מצריכה טיפול תחזוקה סדיר. כדי למקסם את ערך המחסן, מחסנים רבים עוברים שינוי תצורה, תהליך שמאפשר הכנסת פלטפורמות רובוטיות אוטונומיות. במקום בנייה מחדש משמעותית כדי לשנות מלגזות ומערכות מסועים, צי של רובוטים מצריך רק שינויי תוכנה ואימון מחדש של מערכת הניווט של הרובוט למשימתה החדשה.
דרישת המפתח בביצועים של מערכת שינוע במחסן היא היכולת של הרובוט לשמור על דגם תנועה עקבי ולתמרן באופן בטוח בסביבה דינמית, שבה המכשולים נעים ואין להתפשר על הבטיחות של בני האדם. כדי להדגים את הערך של משוב באמצעות גירוסקופי MEMS ב-Seekur ביישום מסוג זה, Adept MobileRobots ערכה ניסוי כדי למצוא באיזה מידה Seekur ישמור על נתיב חוזר, עם (איור ובלי (איור 9) משוב באמצעות גירוסקופי MEMS. חשוב לציין שהניסוי הזה בוצע ללא GPS או תיקון באמצעות סריקת לייזר – כדי לחקור את ההשפעה של משוב באמצעות גירוסקופי MEMS.
קל לראות את ההבדל בשמירה על הדיוק של המסלול כשמשווים את עקבות המסלול באיור 8 ובאיור 9. חשוב לציין שהניסויים האלה בוצעו בטכנולוגיית MEMS מדור מוקדם שתמכה ביציבות של ~0.02° לשנייה. הגירוסקופים של היום מאפשרים שיפור של פי 2 עד פי 4 בביצועים באותן רמות מחיר, גודל והספק. היות שהמגמה הזאת נמשכת, היכולת לשמור על ניווט מדויק בנתיבים חוזרים תמשיך להשתפר, תפתח עוד שווקים ותאפשר יישומים נוספים, כגון שינוע דגימות ואספקה בבתי חולים.

: איור 8. הדיוק של המסלול של Seekur, בלי משוב באמצעות גירוסקופי MEMS.

: איור 9. הדיוק של המסלול של Seekur, עם משוב באמצעות גירוסקופי MEMS.

שיירות אספקה
היוזמות הנוכחיות של DARPA ממשיכות להצריך עוד טכנולוגיות רובוטיות לסיוע בהגדלת סד”כ הכוחות. שיירות אספקה הן דוגמא ליישום מסוג זה, שבו שיירות צבאיות חשופות לאיומים של האויב כשהן צריכות לנוע במסלולים איטיים וצפויים. ניווט מדויק מאפשר לרובוטים, כמו Seekur, ליטול יותר אחריות בשיירות אספקה ולהפחית את החשיפה של בני אדם לאיומים לאורך הנתיב. אחד ממדדי הביצועים החשובים, שבו משוב באמצעות גירוסקופי MEMS מועיל במיוחד, הוא בהתמודדות עם מצבים של אי זמינות GPS. במאמצי הניווט של Seekur לאחרונה, המכוונים לסביבה הזאת, משתמשים ביחידות מדידה אינרציאליות בטכנולוגיית MEMS בגלל הדיוק הטוב יותר שלהן ויכולתן להכליל יתרונות אינטגרציה עתידיים – לניהול פני הקרקע ותחומים פונקציונליים אחרים.
כדי לבדוק באיזה מידה המערכת מאתרת מיקום – עם ובלי IMU – שגיאת הנתיב בחוץ נרשמה ונותחה. איור 10 מראה השוואה של השגיאות – ביחס לנתיב האמיתי – עם האודומטריה בלבד, ועם האודומטריה ו-IMU משולבים במסנן קלמן. הדיוק של המיקום היה טוב יותר בקרוב לפי 15 במקרה האחרון.

: איור 9. שגיאת המיקום של Seekur עם שימוש באודומטריה/ IMU (ירוק) לעומת שימוש באודומטריה בלבד (כחול).

סיכום
מפתחי פלטפורמות רובוטיות מוצאים שהטכנולוגיות של גירוסקופי MEMS מספקות שיטות משתלמות לשיפור אומדן הכיוון והדיוק הכולל במערכות הניווט שלהם. הזמינות של התקנים מכוילים מראש ומוכנים למערכת מאפשרת אינטגרציה פונקציונלית פשוטה, שמובילה להצלחה מוקדמת בתהליך הפיתוח ומאפשרת למהנדסים להתרכז במיטוב המערכת. כשטכנולוגיות MEMS ימשיכו לשפר את מפרטי הרעש, היציבות והדיוק של גירוסקופים, הן ימשיכו לאפשר רמות גבוהות יותר של דיוק ושליטה, שימשיכו כנראה לפתוח שווקים חדשים לפלטפורמות רובוטיות אוטונומיות. פיתוח הדור הבא של מערכות כמו Seekur יוכל לעבור מגירוסקופים לחיישני IMU MEMS משולבים עם 6 דרגות חופש (6DoF). הגישה המתמקדת בסבסוב היא אמנם שימושית, אבל העולם אינו שטוח. יישומים רבים אחרים, קיימים ועתידיים, יכולים להכליל IMU MEMS לניהול פני הקרקע ולעידון נוסף של הדיוק, עם שלושה גירוסקופים המאפשרים משוב ותיקון מלאים של השיוור.

תודות
Analog Devices רוצה להודות לסת אלן, ג'ורג' פול וכל הצוות בחברת Adept MobileRobots על תרומתם למאמר זה.
פורסם במקור ב-”Analog Dialog” כרך 44.
הכתבה תורגמה ונמסרה לפרסום מחדש באישור חברת “Analog Devices” ובאדיבות חברת פיניקס טכנולוגיות בע”מ.

: מרק לוני

המחבר
מרק לוני הוא מהנדס יישומי iSensor בחברת Analog Devices בגרינסבורו, צפון קרוליינה. מאז שהחל לעבוד ב-ADI ב-1998, הוא צבר ניסיון בעיבוד אותות של חיישנים, ממירי אנלוגי לדיגיטלי מהירים, והמרת זרם חשמל ישר לזרם חילופין. יש לו תוארי (BS (1994 ו-MS בהנדסת חשמל מהאוניברסיטה של נבדה ברינו, והוא פרסם מספר מאמרים. לפני עבודתו ב-ADI הוא עזר בהקמת IMATS, חברה לאלקטרוניקה של רכב ופתרונות תחבורה, ועבד כמהנדס תכנון בחברת Interpoint Corporation.

“הצלחנו לצמצם את האלוקציות”

יום שלישי, 05 יולי 2011 14:17

מאת: חיים קורן ורוני ליפשיץ.

לדברי אלון עדה, סגן נשיא למכירות ותיפעול בחברת אבנט ישראל, לאחר הצמיחה והמאבק במחסורים שאיפיינו את 2010, התעשייה נכנסת לרגיעה, ובשוק הישראלי מורגשת השנה אפילו ירידה במכירות השבבים

חברת אבנט ישראל היא מחברות ההפצה הגלובליות המרכזיות בשוק הרכיבים הישראלי. בראיון עם סגן נשיא לתיפעול ומכירות בחברה, אלון עדה, מתבררים מאפייניו של השוק הישראל.

מה הם המאפיינים המרכזיים של השוק ב 2010-? כיצד התמודדתם עם אלוקציות?
עדה: “שנת 2010 התאפיינה בדהירה מעלה
שהיתה תיקון לצניחת השוק ב- 2009. היתה אמנם בלימה קלה לקראת סוף השנה, אבל בסיכומו של דבר 2010 תיזכר לטובה, למרות האלוקציות, שבהרבה מאמצים הצלחנו לצמצם לכדי פגיעה מינימלית בלקוחות. היו מקרי אלוקציה קשים שגרמו ל’שערות לבנות’ אצל מנהלים בקרב לקוחותינו, אבל המקרים ’הבלתי פתירים’ הצטמצמו לכדי מקרים נקודתיים בלבד. יש לנו באבנט אמצעים רבים להתמודד עם תופעות כאלה ברמה המקומית והגלובלית.
אבל חשוב לציין שעם כל המאמצים, הלקוחות שבאמת נהנו מביטחון בייצור שוטף היו אלו שדאגו מבעוד מועד למלאי ביטחון אצל המפיץ החביב עליהם”.

כיצד היותכם חברה גלובלית סייעה ללקוחות להתמודד עם המחסורים וזמני האספקה?
“לאבנט העולמית יש בכל רגע נתון מלאי רכיבים בשווי של יותר מ 2- מיליארד דולר ‘על המדף’ – כפול מצריכת הסמיקונדקטור השנתית של מדינת ישראל – ולנו בישראל יש גישה מיידית אל רובו. זה עדיין לא מהווה ביטחון מוחלט כי השונות בשוק הישראלי היא מאוד גבוהה, אבל זה כן איפשר להתמודד עם הרבה מאוד בעיות אספקה”.

מהי ההערכה שלך על היקף שוק
הסמיקונדקטור בישראל ב- 2010?
“אצלנו הגידול בהשוואה ל 2009- היה יותר
מ- 40%. קשה מאוד להעריך את היקף השוק בישראל, בין השאר כי אין גוף רשמי שאמון על מלאכה זו. בכל מקרה, השוק הישראלי דינמי מאוד. כל הזמן יש זרימה לכיוון הוצאת הייצור (והרכש) למזרח, גם ע”י חברות ישראליות וגם עקב ‘קניות שוטפות’ שמבצעות חברות הענק הגלובליות.
“התנועה הזאת פועלת בכיוון הפוך לצמיחה
התמידית המאפיינת את השוק בישראל, כך שהשינוי הכולל קשה מאוד להערכה. אנחנו
סבורים שצריכת רכיבי סמיקונדקטור (כולל מודולי ספקי כוח ומחברים אך לא מעגלים מודפסים, מארזים וכבילה) היא כמיליארד דולר. להערכתנו, כ 20%- נרכשים בחו”ל עבור השוק הישראלי (לרבות הייצור בחו”ל)”.

המשך...

כיצד שיקולים במערכות אולטרסאונד משפיעים על בחירת הרכיבים החזיתיים

יום שני, 04 יולי 2011 13:21

Brunner Eberhard, Analog Devices Ltd

מבוא
כאשר מתכננים את המעגלים החזיתיים של אולטרסאונד יש לשקול הרבה שקלולי תמורות. פרמטרי הביצועים ברכיבים של המעגלים החזיתיים משפיעים על ביצועי האבחנה – ולהפך, התצורה והמטרות של המערכת משפיעות על בחירת הרכיבים.
חשוב שהמתכננים יבינו את המיפרטים שיש להם חשיבות מיוחדת, את ההשפעה שלהם על ביצועי המערכת וכיצד הם מושפעים משקלול תמורות בתכנון של המעגלים המוכללים – מבחינת ההכללה והטכנולוגיה של תהליך המוליך למחצה – שיגבילו את אפשרויות התכנון של המשתמש. מודעות לשיקולים האלה תעזור למתכנן להשיג את החלוקה המועילה ביותר של המערכת. נתחיל בסקירה כללית של המערכת ברמה העליונה ולאחריה תיאור מפורט יותר כיצד מערכות אולטרסאונד פועלות.
מבוא למערכת
מכשירי אולטרסאונד רפואיים הם ממכשירי עיבוד האותות המתוחכמים ביותר שנמצאים בשימוש נרחב כיום. כמו בכל מכשיר מורכב, יש שקלולי תמורות רבים ביישום בגלל דרישות ביצועים, פיזיקה ועלות. נחוצה הבנה מסוימת ברמת המערכת כדי להעריך באופן מלא את הפונקציות ורמות הביצועים הרצויות של המעגל המוכלל החזיתי, במיוחד לגבי: מגבר הרעש הנמוך (LNA), מגבר קיזוז שבח זמן (TGC) והממירים אנלוגי לספרתי (ADC).
בחזית של האולטרסאונד, כמו במערכות אלקטרוניות מתוחכמות רבות אחרות, אותם הרכיבים שמעבדים אותות אנלוגיים הם רכיבי מפתח בקביעת הביצועים של כלל המערכת. המאפיינים של רכיבי החזית מגדירים את המגבלות של ביצועי המערכת. אחרי שרעש ועיוות הוכנסו, כמעט בלתי אפשרי לסלק אותם. זאת, כמובן, בעיה כללית בכל שרשרת קליטה של עיבוד אותות, אולטרסאונד או אלחוטית.
מעניין לחשוב שאולטרסאונד הוא בעצם מערכת מכ”ם או סונאר, אבל הוא פועל במהירויות ששונות מהם בסדרי גודל. מבחינת הרעיון מערכת אולטרסאונד טיפוסית כמעט זהה למערכות המכ”ם עם מערך מבוקר מופע שנמצאות במטוסים צבאיים ומסחריים, ובאוניות צבאיות. מכ”ם פועל בתחום הגיגה-הרץ (GHz), סונר בתחום הקילו-הרץ (kHz) ואולטרסאונד בתחום המגה-הרץ (MHz). מתכנני אולטרסאונד אימצו והרחיבו את העיקרון של אלומות מנחות באמצעות מערכים מבוקרי מופע, שהמציאו מתכננים של מערכות מכ”ם. כיום מערכות אלה כוללות ציוד עיבוד אותות מהמתחוכם ביותר שיש.

: איור 1. תרשים בלוקים של מערכת אולטרסאונד

איור 1 מראה תרשים מפושט של מערכת אולטרסאונד. בכל המערכות האלה יש מתמר רב-רכיבי בקצהו של כבל ארוך יחסית (כשני מטר). הכבל, שמכיל בין 48 ל-256 כבלים מיקרו קואקסיאלים, הוא אחד החלקים היקרים ביותר במערכת. ברוב המערכות יש מספר ראשי חיישנים עם מתמרים (הנקראים גם ידיות – ידית היא יחידה שכוללת את רכיבי המתמר ומחוברת למערכת באמצעות כבל) שונים שאפשר לחבר למערכת, וזה מאפשר למפעיל לבחור את המתמר המתאים לקבלת תמונה אופטימלית. הידיות נבחרות באמצעות ממסרי מתח גבוה (HV), שמוסיפים קיבולים טפיליים גדולים לקיבולים של הכבל.
מרבב/מפלג HV משמש בחלק מהמערכים להפחתת המורכבות של חומרת השידור והקליטה, אבל על חשבון הגמישות. המערכות הגמישות ביותר הן אלו עם מערך מבוקר מופע ויוצר אלומה דיגיטלי – הן גם נוטות להיות המערכות היקרות ביותר, בגלל הצורך בבקרה אלקטרונית מלאה בכל הערוצים. אולם, המעגלים המוכללים החזיתיים החדישים שקיימים היום, כמו מגבר השבח המשתנה AD8332 והממיר אנלוגי לדיגיטלי 12 סיביות AD9238 מפחיתים בקביעות את העלות לערוץ, כך שבקרה אלקטרונית מלאה על כל הרכיבים מוכנסת עכשיו אפילו למערכות הזולות עד בינוניות.
בצד של המשדר (Tx), יוצר האלומה Tx קובע את תבנית ההשהיה ומחרוזת הפולסים שקובעים את נקודת המוקד הרצויה של השידור. לאחר מכן הפלטים של יוצר האלומה מוגברים על ידי מגברי שידור HV שמפעילים את המתמר. מגברים אלה יכולים להיות מבוקרים על ידי ממירים דיגיטלי לאנלוגי (DAC) כדי לעצב את הפולסים המשודרים להעברת אנרגיה טובה יותר אל רכיבי המתמר. בדרך כלל משתמשים באזורי מיקוד שידור מרובים – כלומר, השדה שיש לדמות מועמק על ידי מיקוד אנרגיית השידור בנקודות יותר ויותר עמוקות בגוף. הסיבה העיקרית לאזורים מרובים היא שאנרגיית השידור צריכה להיות גדולה יותר בשביל נקודות שנמצאות עמוק יותר בגוף, בגלל הניחות של האות כשהוא נע לתוך הגוף (וכשהוא חוזר).
בצד הקולט (Rx), יש מתג T/R (שידור/ קליטה), בדרך כלל גשר דיודות, שחוסם את פולסי המתח הגבוה של Tx. אחריו באים מגבר רעש נמוך (LNA) ומגבר או מגברי שבח משתנה (VGA), המיישמים קיזוז שבח זמן (TGC) ולפעמים גם פונקציות שינוי צורה (אפודיזציה) (יצירת “חלונות” מרחביים כדי להפחית אונות צד בקרן). בקרת שבח זמן – שמגדילה את השבח לאותות מנקודות עמוקות יותר בגוף (שמגיעים לכן מאוחר יותר) – היא בשליטת המפעיל ומשמשת לשמירה על אחידות התמונה.
אחרי ההגברה, מתבצעת יצירת האלומה, המיושמת בצורה אנלוגית (ABF) או דיגיטלית (DBF). במערכות מודרניות זה בדרך כלל דיגיטלי, פרט לעיבוד גל דופלר רציף, שהטווח הדינמי שלו עדיין גדול מכדי שאפשר יהיה לעבד אותו דרך אותו הערוץ של התמונה. לבסוף, אלומות ה-Rx עוברות עיבוד כדי להציג תמונה בגווני אפור, שכבת זרימת צבע על התמונה הדו-מימדית ו/או פלט דופלר.
אתגרים במערכות אולטרסאונד
כדי להבין עד הסוף את האתגרים באולטרסאונד וההשפעה שלהם על הרכיבים החזיתיים, חשוב לזכור מה מנסים להשיג במכשיר הדימות הזה. ראשית, הוא אמור לתת ייצוג מדויק של האיברים הפנימיים של גוף האדם, ושנית, באמצעות עיבוד אותות דופלר, המכשיר צריך לקבוע תנועה בתוך הגוף (לדוגמה, זרימת דם). מהמידע הזה רופא יכול להסיק מסקנות על התפקוד התקין של שסתום לב או כלי דם.

אופני רכישה
באולטרסאונד יש שלושה אופני רכישה עיקרים: אופן B (תמונה בגווני אפור, דו מימדית), אופן F (דימות דופלר או זרימת צבע) ואופן D (דופלר ספקטרלי). אופן B יוצר את התמונה הרגילה בגווני אפור. אופן F הוא שכבת צבע על התצוגה של אופן B המראה זרימת דם. אופן D הוא תצוגת דופלר שעשויה להראות מהירויות של זרימות דם והתדירות שלהן. (יש גם אופן M, שמציג ציר זמן של מצב B בודד).
תדרי הפעולה של אולטרסאונד רפואי הם בטווח 1-40, כשמכשירי דימות חיצוני משתמשים בדרך כלל בתדרים בטווח 1-15, ואילו מכשירי לב וכלי דם משתמשים בתדרים עד 40. תדרים גבוהים יותר הם בעיקרון רצויים יותר, משום שהם מאפשרים רזולוציה גבוהה יותר, אבל הניחות בגלל הרקמות מגביל את הגובה האפשרי של התדר עבור מרחק חדירה נתון. אולם, אי אפשר להגדיל את התדר של האולטרסאונד באופן שרירותי כדי לקבל רזולוציה טובה יותר, משום שהניחות של האות הוא בערך 1 dB/cm/MHz. כלומר, לאות אולטרסאונד בתדר 10 ועומק חדירה של 5 ס”מ, האות עבר במסלול הלוך וחזור ניחות של x2x10 = 100dB! כדי להתמודד עם טווח דינמי רגעי של בסביבות 60 בכל מיקום, הטווח הדינמי הנדרש יהיה 160 (טווח מתח דינמי של מאה מיליון לאחד!). טווחים דינמיים בסדר גודל כזה אי אפשר להשיג באופן ישיר. לכן צריך לשלם את המחיר של מערכת מאוד מתוחכמת ולהחליף בתמורה משהו בחזית – עומק חדירה (שמוגבל על ידי תקנות הבטיחות בגלל הספק השידור המירבי המותר) או הרזולוציה של התמונה (שימוש בתדר אולטרסאונד נמוך יותר).
הטווח הדינמי הגדול של האותות הנקלטים מציג את האתגר הקשה ביותר. המעגלים החזיתיים צריכים להיות בו-זמנית עם רעש נמוך ועם יכולת לטפל באותות גדולים – דרישות שמוכרות לכל מי שמנוסה בדרישות של תקשורת. חוסר התאמה של כבלים והפסד מוסיפים ישירות לסיפרת הרעש (NF) של המערכת. לדוגמה, אם ההפסד של הכבל בתדר מסוים הוא 2, סיפרת הרעש מוגרעת ב-2. זה אומר שלמגבר הראשון אחרי הכבל צריכה להיות סיפרת רעש שנמוכה ב-2 ממה שצריך עם כבל ללא אובדן. דרך פוטנציאלית לעקוף את הבעיה הזאת היא

הרפואה הדיגיטאלית על פי חברת Analog Devices

יום ראשון, 06 פברואר 2011 10:05

מאת: אריק ויינשטיין

תחום המכשור הרפואי הוא אחד מהתחומים המתפתחים והמבטיחים ביותר בתעשיית ההי-טק העולמית בכלל והישראלית בפרט. על פי סקר שנערך לאחרונה ע”י IVC ו-KPMG לסיכום גיוס ההון של תעשיית ההיטק הישראלית בשנת – 2010, סקטור מדעי החיים (שכולל את המכשור הרפואי) הוביל את הגיוסים עם 350 מיליון דולר שהם 28% מסך הגיוסים–מקדים את סקטורי התקשורת (19%) והאינטרנט (18%).
כמו בתחומי טכנלוגיים אחרים – גם בתחום המיכשור הרפואי אחת המגמות המובילות היא מזעור ולא רק מסיבות “ירוקות”, בעידן בו אנשים חיים יותר גם ההוצאות הרפואיות הולכות ועולות בעיקר בגיל המבוגר יותר. מיזעור וניוד מערכות רפואיות יאפשר טיפול ומעקב רפואי לא רק במרכזים רפואיים גדולים כי אם גם במקומות מרוחקים יותר כמו מרפאות קטנות ועד לבתים של החולים עצמם. אם נקח למשל חולה שעבר ניתוח לב ונדרש לבצע בדיקה יומית של א.ק.ג בתקופת השיקום – הוא יוכל לבצע זאת בביתו והתוצאות יועברו דרך האינטרנט לרופא המטפל. מגמה זו של מיזעור מקבלת רוח גבית מיצרני הרכיבים שמאפשרים שילוב טכנולוגיות מתקדמות כמו MEMS ( Micro Electro Mechanical Systems ) עם מיזעור ברמה גבוהה.
ג’אן-היין ברודרס (Jan-Hein Broeders), מנהל הפיתוח העיסקי בתחום הרפואי של חברת אנלוג באירופה, סקר בפני ניו-טק את הטכנולוגיות החדשות מבית אנלוג בתחום הרפואי.
“השוק הרפואי מסתמן כאחד השווקים הגדלים במהירות וברור לנו שכספק מוביל בתחום אנו צריכים להיות אסטרטגיים ולפתח פתרונות מוכללים יותר תוך כדי זיהוי מוקדם של המגמות בשוק המיכשור הרפואי ושיתוף פעולה עם לקוחות המובילים”
באנלוג מחלקים את התחום הרפואי לכמה קטגוריות :
-מוצרי הדמייה (MRI, XRAY, CT ואולטרהסאונד) שהוא גם הריווחי ביותר ובו אנלוג נחשבת כמובילה עולמית.
-מוצרי ניטור ( לחץ דם, א.ק.ג. ועוד)
-מיכשור מעבדתי
-מוצרים לשימוש הביתי
-מוצרים להשתלה ( כמו למשל קוצב לב)
“אם בשנים קודמות לקוח בתחום ההדמיה לדוגמא, היה צריך לבחור באיזה ממיר A/D להשתמש ובאיזה מגבר, הרי שהיום אנו מספקים לו את שניהם בתוספת רכיב DSP על שבב יחיד ובכך מקצרים לו את זמני הפיתוח החומרה והוא יכול להתמקד בפיתוח הטכנולוגיה הייחודית לו כמו תוכנת עיבוד האות או ממשק משתמש. עברו הזמנים שבהם יכלת לספק רכיב דיסקרטי עם data sheet, אתה חייב להיות מודע לאתגרים העומדים לפני הלקוחות שלך ולספק פתרונות יותר יעודיים שמשלבים את הטכנולוגיות הנדרשות”
דוגמא לאינטגרציה של כמה טכנולוגיות ברכיב אחד היא משפחת רכיבי AD927x שמשמשים כמקלט לאות המוחזר במערכות אולטרה-סאונד רפואי. מסלול עיבוד ההד המוחזר במקלט כולל 4 יחידות עיבוד: קדם מגבר עם ספרת רחש נמוכה, מגבר משתנה תלוי מתח כדי להתגבר על ההנחתה שמשתנה בזמן, מסנן ובסוף ממיר A/D ברזולוציה גבוהה. עד לפני שנים בודדות – יחידות אלו היו בדידות והלקוח היה צריך להתמודד עם אינטגרציה לא פשוטה בתחום האנלוגי של יחידות אלה. היום הלקוח מקבל מקלט אנלוגי מלא ל- 8 ערוצים בשבב אחד!.
“כחברה טכנולוגית ברור לנו שטכנולגיות שפיתחנו לישומים לאו דווקא רפואיים ניתנות להסבה ושימוש בתחום הרפואי. דוגמא לכך הם טכנולוגיית ה MEMS שבמקור פותחה ליישומי תעשיית הרכב- בחיישנים להפעלת כריות אויר. היום הסבנו אותה גם לתחום הרפואי כך שבעזרת חיישני תנועה מבוססי MEMS שמוצמדים לאדם ניתן לזהות אם הוא שוכב, עומד או במקרה הגרוע נופל.
טכנולוגיה נוספת שהסבנו היא המצמדים הספרתיים (רכיבי ה- iCoupler®)שמבוססים על שנאים זעירים עם יכולת בידוד חשמלי של 5KVA ובמקור פותחו ליישומים תעשיתיים. היישום הרפואי שלהם הוא במערכות שנדרשת הפרדה חשמלית בין חיישנים שמחוברים לגוף המטופל מצד אחד ובין המערכת עצמה מצד שני שמחוברת גם למתח הרשת. ייתרונם הגדול של מצמדי ה- iCoupler® ביחס למצמדים אופטיים (optocouplers)המקובלים הוא מחירם הזול ובצריכת זרם נמוכה יותר במיוחד בתדרים גבוהים – דבר משמעותי במיכשור רפואי נייד.”
ג’אן-היין ברודרס מייחס חשיבות רבה לשוק הישראלי משתי סיבות עיקריות : “ מרכזי פיתוח של יצרנים בינלאומיים גדולים בתחום הרפואי נמצאים בישראל וחשוב לנו להיות מעורבים בפיתוח המוצרים כבר בשלבים המוקדמים. סיבה שניה היא שישראל מהווה חממה לרעיונות יצירתיים בתחום הרפואי, חברות קטנות היום יכולות להוביל את השוק מחר. אחד המאפינים לחברות ישראליות שהם קודם מפתחות את הטכנולוגיה ואחר מוצאות את היישום או הצורך לטכנולוגייה בעוד שבשאר העולם קודם מזהים את הצורך ואז מפתחים את הטכנולוגיה “
צחי פטל – מנכ”ל אנלוג ישראל: “כחלק מהחשיבות שרואה אנלוג לשוק המיכשור הרפואי בישראל והדיאלוג המתמשך עם לקוחותינו בישראל אנו עורכים כנס טכנולוגי בסוף מרץ ובו נציג את הטכנולוגיות העדכניות ביותר בתחום ההדמיה ובתחומים נוספים.“

המלצות לביקורת על פליטות קורנות בעזרת התקני הספק isoPower – חלק א

יום שלישי, 28 דצמבר 2010 13:46

Mark Cantrell, Analog Devices

מבודדים דיגיטליים iCoupler® בעלי הספק משולב מבודד (isoPower®) משתמשים בממירי dc-to-dc מבודדים הממתגים זרמים של 700~ מילי-אמפר בתדרים של עד 300 מגה-הרץ. פעולה בתדרים גבוהים אלה מחייבת שיקולים אודות פליטות קורנות (radiated emissions) ורעש מודרך(conducted noise) . תכנון ובניה של מעגלים מודפסים מהווים כלי חשוב לבקרה על פליטות קורנות ורעש מיישומים המכילים רכיבי isoPower. מאמר זה מזהה את מנגנוני הקרינה ומציע הכוונה ספציפית על אופן הטיפול בהם.
קיימים מספר תקנים עבור פליטות קורנות. בארה”ב, ה-Federal Communications Commission מפקחת על התקנים ושיטות הבדיקה. באירופה, ה-International Electrotechnical Commission מפיקה תקנים, ושיטות הבדיקה של CISPR משמשות להערכת הפליטות. השיטות וגבולות העובר/נכשל הם שונים במקצת על-פי שני התקנים. אם כי מאמר זה מתייחס לתקן FCC, כל התוצאות ישימות לשני התקנים.
עם בחירות תכנון נכונות, התקני isoPower יכולים לענות בנקל על תקני הפליטות FCC Part 15, Subpart B, Class A (FCC Class A). בצורה זהירה, מוצרים אלה יכולים לענות גם לתקני FCC Part 15, Subpart B, Class B (FCC Class B) בסביבה ללא סיכוך. מאמר זה בוחן טכניקות אפחות (mitigation) ה-EMI המתייחסות למעגלים מודפסים, כולל תכנון כרטיסים וסוגיות stack-up. ביקורת על קרינות מכבלי אותות וטכניקות סיכוך אושיות הן מחוץ למטרות מאמר זה.

סקירה כללית isoPower
משפחת המוצרים ADuM5xxx מהווה צעד משמעותי קדימה בטכנולוגיית הבידוד. Analog Devices, Inc. ניצלה את ניסיונה בתכנון מיקרו-שנאים כדי ליצור ממירי הספק dc-dc בגודל שבב. ממירי הספק אלה כלולים בתוך מוצרי בידוד האותות של Analog Devices. רמות הספק של עד חצי ואט זמינות, במתחי מוצא הנעים מ-3.3 וולט עד 15 וולט. isoPower משמש להזנת הצד המשני של ערוצי הנתונים iCoupler כמו גם להספקת הספק לעומסים מחוץ-לשבב.
Analog Devices משתמשת במספר ארכיטקטורות הספק כדי להשיג את מטרות התכנון הרצויות, כגון יעילות, ממדים קטנים או מתח מוצא גבוה (ראה איור 1). לארכיטקטורות אלה שלושה מרכיבים משותפים: שנאי לחיבור ההספק לצד המשני של ה-iCoupler, מעגל מאגר (tank) מתנד הממתג את הזרם בתוך השנאי בתדר מיטבי לשם העברת הספק יעילה, ומיישר היוצר מחדש רמת dc בצד המשני. כמה שיטות רגולציה משמשות במוצרים אלה.
הפיזיקה של השנאי דורשת שמעגל המתנד ימתג זרם אל השנאי בקצב הנע בין 180 מגה-הרץ עד 300 מגה-הרץ. מעגל היישור בצד המשני מכפיל למעשה את התדר במהלך תהליך היישור. פונקציות אלו הן מקובלות בספקי כוח ממותגים; אולם תדר ההפעלה הוא בשלושה סדרי גודל יותר גבוה מאשר בממיר dc-dc רגיל.
הרעש הנוצר על-ידי פעולת הממיר בתחום מ-30 מגה-הרץ עד 1 גיגה-הרץ מדאיג מבחינת הפליטות הקורנות.

מקורות של פליטות קורנות
קיימים שני מקורות של פליטות במעגלים מודפסים בהם משתמשים ב-isoPower: פליטות קצה ופליטות דיפול מבוא-למוצא.

פליטות קצה
פליטות קצה קורות כאשר זרמים לא מתוכננים פוגשים את הקצוות של משטחי ההארקה וההספק. זרמים בלתי מתוכננים אלה יכולים לנבוע מ:-
•רעש הארקה והספק (ground and power noise), המופק על-ידי מעקף לא מתאים של מעגלים לייצוב זרם בהספק גבוה.
•שדות מגנטיים בעלי פליטה גלילית הנובעים מחדירות השראתיות המוקרנות החוצה בין שכבות הכרטיס והפוגעות לעתים בקצות הכרטיס.
•זרמי מטען הדמיה בקו רצועה המתפשטים מקווי אותות בתדר גבוה העוברים קרוב מידי לקצות הכרטיס.
פליטות קצה מופקות (ראה איור 2) כאשר רעש הפרשי ממקורות רבים פוגע בקצה הכרטיס ויוצר דיפול. פליטות הקצה מופיעות לרוב במישור הכרטיס.

פליטות דיפול מבוא-למוצא
קרינת דיפול מבוא-למוצא נוצרת על-ידי העברת מקור זרם דרך חריץ בין מישורי ההארקה. זהו המנגנון השולט עבור יישומי isoPower. ספקי כוח מבודדים מעבירים, מטבעם, זרם דרך חריצים במישורי ההארקה. חוסר היכולת של מטעני הדמיה בתדר גבוה הכרוכים באות ההספק לחצות את הגבול יוצר אותות הפרשיים בחריץ המזין את הדיפול. במקרים רבים, זהו דיפול גדול מאוד כמוצג באיור 3. מנגנון דומה גורם לקווי אותות בתדר גבוה להקרין כאשר הם חוצים פיצולים במישור ההארקה וההספק. סוג זה של קרינה הוא לרוב ניצב למישורי ההארקה.
ההתקן ADuM540x משמש כדוגמה טובה לסוגיות הכרוכות בהפקה וריסון הפליטות. מעגל המתנד ב-ADuM540x רץ בכ-180 מגה-הרץ. הוא יכול לווסת את המוצא שלו ל-5 וולט או 3.5 וולט על-פי בקרה של פין בצד המשני. מתח המבוא יכול להיות בתחום 3 עד 5 וולט. מוד הפעולה בהספק הגבוה ביותר הוא 5 וולט מבוא ו-5 וולט מוצא. תצורה זו נבחנת במאמר זה.
כאשר הפעולה היא במלוא 100 מילי-אמפר עומס מוצא, זרם המבוא הממוצע הוא כ-290 מילי-אמפר. זה אומר שזרם השיא במעגל התהודה הוא יותר מכיפליים ערך זה בקצב מיתוג של 180 מגה-הרץ.
קבל המעקף של הרכיבים אמור לספק זרם בתדר גבוה זה בצורה מקומית. זהו זרם גדול מאוד בטיפול של קבל מעקף. הקבל צריך לספק מאגרי מטען גדולים. באותו הזמן, לקבל צריכה להיות התנגדות מאוד נמוכה ב-180 מגה-הרץ. אף עם קבלי ESR נמוך מרובים ליד הפינים, המעקף המוגבל השראתית יוצר מתחי מעבר והרעש מוזרק לתוך מישורי ההארקה וההספק.
ההספק מועבר לצד המוצא, שם הוא מיושר ל-dc. תהליך היישור מכפיל את תדר התהודה ל-360 מגה-הרץ. הפליטות מבוא למוצא נמצאות לרוב בתדר היישור עם תרומות מסוימות מתדר התהודה וההרמוניקות הגבוהות. איור 4 מציג נתוני המקרה הגרוע ביותר הנאספים בכרטיס הערכה דו-שכבתי, ונאספים בעזרת פרוב שדה קרוב.
כרטיס בעל פליטות של שדה קרוב , כמתואר באיור 4, וללא סיכוך אושיה, ייכשל בתקני פליטותFCC Class B בכ-40 dB בשיא של 360 מגה-הרץ.

מקורות של רעש מודרך
הזרמים והתדרים הגבוהים מפיקים גם רעש מודרך (conducted) במישורי ההארקה וההספק. בעיה זו מטופלת בעזרת הסוגיה של פליטות קורנות מאחר שהסיבות והתרופות עבור שני סוגי ה-EMI יכולות להשתפר בעזרת המבנים של מעגלים מודפסים של הארקה והספק.
אי-היכולת של קבלי המעקף ומישורי ההארקה/הספק לספק זרם מתאים עבור הממיר dc-dc isoPower יוצרת רעש VDD. הממיר dc-dc ממתג הספק בפרצים של 2.5 ננו-שניות באמפליטודה של -700 מילי-אמפר. קבל מעקף אידיאלי של כמה מיקרו-פרדים יוכל לספק זרם זה. הבעיה היא שקבלי המעקף אינם אידיאליים והם מתחברים לפחות לאחד ממישורי ההספק על-ידי השראה. בנוסף, מרחק גדול בין מישורי ההארקה וההספק יוצר השראות גדולה ביניהם ומצמצם את יכולתם לספק זרם במהירות. גורמים אלה תורמים לרעש בתדר גבוה במישור VDD בחלק גדול של וולט.

טכניקות אפחות של EMI
טכניקות אפחות רבות זמינות למתכנן. בפרק זה מזוהות טכניקות אחדות המתאימות ישירות להתקני isoPower. הבחירה של מידת הנמרצות בה יש לתקוף את ה-EMI עבור תכנון המיועד לעבור את רמות הפליטות של ה-FCC תלויה בדרישות התכנון כמו גם בפשרות העלות והביצועים. טכניקת האפחות של EMI קורן הקלה ביותר למימוש היא להעמיד את בכרטיס על אושיה מוארקת בעלת מרכיבי סינון המגבילים את הרעש הנפלט מסיכוכי הכבלים. אם כי מאמר זה איננו דן באופציה זו, יש לרשום שכאשר טכניקות הקשורות למעגל המודפס אינן אפשריות או מעשיות, שיטה זו נשארת תקפה.
נוהלי האפחות ב-EMI מסתמכים על מישורי הארקה והספק רציפים יחסית, והיכולת לקבוע את המצבים והמרחקים היחסיים ב-stack-up. דבר זה מכתיב שהמספר המזערי הכולל של מישורים הוא שלושה: מישור ההארקה, ההספק והאותות.
בשל שיקולים מעשיים בייצור הכרטיסים, כרטיס בעל 4 שכבות הוא ה-stack-up המזערי. יותר שכבות אפשריות כאשר הן אינן מפריעות למישורי ההארקה וההספק הבסיסיים.
הטכניקות הבאות הן יעילות להקטנת קרינת ה-EMI והרעש על הכרטיס:
•תפירת (stitching) מישור ההארקה מבוא-למוצא
•שמירת הקצוות
•עקיפת קיבול שקוע (buried)
•בקרת הספק
כרטיסי מעגלים בעלי מבנה בדיקתי הוכנו כדי להעריך כל אחת מטכניקות אפחות ה-EMI תוך שימוש ב-ADuM540x. התכנון של כל כרטיס שונה במידה מזערית כדי לאפשר השוואה נכונה של התוצאות. הבדיקות נערכו במתקן לבדיקת EMI תחת תנאים תקניים של הרישוי FCC Class B. כמצופה, במהלך בדיקת ה-EMI, נקבע שהפליטות בתדר המאגר (180 מגה-הרץ) היו בעיקר במישור הכרטיס, דבר הרומז שהמנגנון הראשוני של קרינה טמון בקצות הכרטיס. פליטות היישור (360 מגה-הרץ) הן בעיקר ניצבות לכרטיס כך שמניחים קרינת דיפול מבוא-למוצא.

תפירת מבוא למוצא
כאשר זרם עובר לאורך עקבות הכרטיס, מטען הדמיה מופיע לאורך מישור ההארקה מתחת לעקבות. אם העקבה חוצה חיץ במישור ההארקה, מטען ההדמיה אינו יכול לעקוב אחריו. דבר זה יוצר זרמים ומתחים הפרשיים במעגל המודפס, וגורם לפליטות קורנות ומולכות. הפיתרון הוא לספק נתיב עבור מטען ההדמיה כדי שיעקוב אחר האות. נוהל מקובל הוא להציב קבל תפירה קרוב לאותות לאורך החיץ במישור ההארקה (ראה פרק הסימוכין). אותה הטכניקה פועלת למזעור הקרינה בין מישורי ההארקה בשל הפעולה של ה-isoPower.
קבל תפירה ניתן לבנות עם תבניות נחושת על הכרטיס. איור 5 מציג תבנית מתכת הבנויה על מישור הספק שקוע. מישורי ההארקה, המוצגים באיור 5 כקווים מקווקווים, חורגים ממבני המתכת הצפים ויוצרים גשר קיבולי בעל השראות נמוכה ביותר בין ה-GNDi וה-GNDISO. ביישומים מעשיים, למישורי ההארקה צריך להיות היקף חיצוני זהה לזה של מישורי ההספק; אולם הם מוצגים כגדולים יותר כדי להבליט את צורתם. יש לבנות מבנים אלה על מישורי הכרטיס הפנימיים כדי לשמור על שלמות המרחק החופשי על מישור הכרטיס. מטעני הדמיה בתדר גבוה יכולים עתה להתחבר לצד המשני תוך הקטנה דרסטית של קרינת הדיפול.
כאשר מוסיפים גדלים שונים של קיבול בין מישורי המבוא והמוצא, קרינת הדיפול ב-360 מגה-הרץ ומעל זה מוקטנת דרסטית. תוצאות בדיקה עבור כמויות שונות של קיבול מבוא-למוצא מוצגים באיור 6. שים לב שההקטנה העיקרית בקרינות מושגת בעזרת קיבול תפירה של כ-100 pF. זאת כנראה בגלל שלקיבול הקרוב יותר ל-ADuM540x יש ההשפעה הגדולה ביותר בהקטנת הקרינות. להרחבת המבנים הקיבוליים הרחק מה-ADuM540xיש פחות השפעה. ההשפעה של מבנה תפירה של 100 pF היא הפחתה ב-25 dB בפליטות הקורנות. ניתן להעריך את הקיבול בנקל בעזרת הקשר הבא. כדי למקסם את הצימוד, משוואה זו מניחה שאזור החפיפה בין המבנה הצף ומישור ההארקה הוא זהה בכל צד של חריץ השחרור של המעגל המודפס.

שמירת הקצוות
רעש במישורי ההספק וההארקה המגיע לקצוות של מעגל מודפס עלול להקרין כמתואר באיור 2. אם הקצה מטופל במבנה מסוכך, הרעש מוחזר חזרה לתוך המרחב בין המישורים (ראה פרק הסימוכין). דבר זה עשוי להגדיל את רעש המתח במישורים, אך להקטין את קרינת הקצוות. ניתן לבצע טיפול הולכה מוצק על כרטיס, אך זהו תהליך יקר. פיתרון פחות יקר הפועל היטב הוא לטפל בקצות הכרטיס עם מבנה של טבעת שמירה המחובר יחד בעזרת מוליכים (vias). בכרטיסי הניסוי של ה-ADuM540x, המרחק בין המוליכים היה 2 ממ’. מבנה זה מוצג באיור 7 ואיור 8.
הטיפול בקצוות היה אמור להשפיע במידה המודגשת ביותר על פליטות הקצה ממעגל המאגר ב-180 מגה-הרץ.
. גרף זה מציג את הקטנת פליטות המאגר עם הוספת קיבול תפירה. העקומה היא שטוחה יחסית; דבר שה מאשר שתדר המאגר איננו הקורן הבולט מדיפול המבוא למוצא. אולם, כאשר מוסיפים גדר מוליכים של 2 ממ’ לאותו סוג של כרטיס, הפליטות פוחתות בבמעט 10 dB. דבר זה מאשר שטיפולי קצה מפחיתים משמעותית את פליטת הקצה.

מעקף של הקיבול השקוע
מעקף הקיבול השקוע הוא טכניקה המיועדת להקטין הן את הפליטות המולכות והן את הקורנות של הכרטיס על-ידי שיפור סכימת המעקף בתדרים גבוהים. לכך יש שתי השפעות חיוביות. ראשית, הוא מקטין את המרחק בו רעש בתדר גבוה יכול להתפשט בזוג המישורים של הארקה והספק. שנית, הוא מקטין את הרעש ההתחלתי הנשלח לתוך מישורי ההארקה וההספק על-ידי יצירת קיבול עקיפה יעיל בין 900 מגה-הרץ ו-1 גיגה-הרץ (ראה פרק הסימוכין).
הקטנת רעש ההספק וההארקה מספקת סביבת עבודה טובה יותר עבור הרכיבים הרגישים לרעש בקרבת התקן ה-isoPower. שתי הפליטות, המולכת והמוקרנת מוקטנות יחסית להקטנת רעש ההספק וההארקה. ההקטנה בפליטות המוקרנות איננה כה משמעותית כמו זו המושגת בטכניקות של תפירה או שמירת קצוות, אולם היא משפרת משמעותית את סביבת ההספק של הכרטיס.

מאפייני העצמה התעשייתית משפיעים על העיבוד המשובץ

יום ראשון, 28 נובמבר 2010 13:34

David Katz & Rick Gentile, Analog Devices

מעבדי אותות לשימוש כללי רבים קבילים לצורכי יישומים תעשייתיים המבוססים על ביצועי המחשוב ומאפייני הקישוריות בשורת הבסיס שלהם. אולם, קיימים שיפורים היקפיים חשובים העשויים לשדרג משמעותית את יכולות המעבד עבור מערכות תעשייתיות יותר תובעניות. מאמר זה יבחן שתי דוגמאות של שיפורים אלה, בתחומי הרישות ובקרת המנועים.

ממשק ה-Ethernet
עבור יישומי תעשייה מסורתיים, בקר Ethernet מספק את קישוריות הרשת הבסיסית. הבקר (MAC) ממוקם לרוב על אותו השבב כמו המעבד. הוא מחובר לרוב עם שבב PHY חיצוני כדי להשלים את הממשק.
קיימים גם שבבי MAC/PHY חיצוניים, אותם ניתן לחבר לעתים קרובות ישירות לממשק זיכרון אסינכרוני על המעבד. בעוד שבבי שילוב MAC/PHY הוסיפו לרדת במחיר עד הנקודה בה הם כמעט בשיוויון-עלויות עם שבבי PHY עצמאיים, הם ככלל אינם יכולים להתחרות עם קצב ההעברה של פיתרון MAC/PHY חיצוני. זאת בשל העובדה ש-MAC פנימי מחובר לרוב אל ערוץ DMA במערכת, הניתן לכיוון לנתוני שידור וקליטה עם מעורבות עיבוד ליבה מזערית. בקר ה-MAC הפנימי יכול להגיע לרוב קרוב למהירות הקו, בתלות בפרוטוקול.
היבט חשוב אחר של ביצועים הוא עומס המעבד הדרוש כדי להשיג תפוקה נתונה. זהו החלק של הביצועים הכלליים אשר יבחין ביותר בין פתרונות MAC פנימי וחיצוני.
ברשת מסוג תעשייתי, Ethernet יכולה לספק זמן מערכת בסיסי תוך שימוש ב-Network Time Protocol (NTP). הסנכרון של רשת מבוקרת של מערכת מבוססת-NTP נמדד בקנה-מידה של זמני “ממשק אנושי”. בעוד פרוטוקול זה מתאים עבור מידע תזמון מערכת כללי,הוא איננו מדויק דיו במערכות בקרה תעשייתיות רבות בהם דרוש סנכרון מדויק יותר.
כדי לשפר את הדיוק, פותח תקן IEEE 1588 Precision Time Protocol (PTP) כדי לשמש בשילוב עם הבקר ומחסנית הרשת של ה-Ethernet לשם סנכרון שעונים “מקומיים” של הרשת עם שעון ראשי. כלומר, כל צומת עיבוד או בקרה מסונכרן עם ייחוס זמן ראשי השולט על המערכת.
על-ידי הנהגת קשר מדידת זמן מדויקת ברשת תעשייתית, ניתן לסנכרן אירועים מתוזמנים לרמות מתחת למילי-שניות. אירועים מתוזמנים אלה יכולים לכלול מתי מדגימים ממיר אנלוגי לדיגיטלי, מתי מופעלים ממירים דיגיטליים/אנלוגיים, או מתי מפעילים קווי I/O עבור בקרת המערכת.
ה-IEEE 1588 PTP דורש חילופין של מנות ספציפיות כדי לספק מידע-זמן משני צמתים. מנות אלה משמשות לחישוב ההפרש בזמן ובתדר בין שעונים בכל צומת. בנוסף, הפרוטוקול מציע דרך לכיוון רצוף של השעונים כך שהם יישארו מסונכרנים.
פרוטוקול ה-IEEE 1588 PTP ניתן למימוש בתוכנה בלבד או דרך שילוב של חומרה ותוכנה. הפיתרון המבוסס על חומרה יספק את הדיוק הגבוה ביותר ולכן את הסנכרון הטוב ביותר בין הצמתים. בפיתרון החומרה, אפשר להחתים זמנים על המנה קרוב ככל האפשר לנקודת הפעולה ההדדית עם ה-PHY. התוצאה היא ריצוד נמוך יותר בין הצמתים.

יחידות PWM
ציוד היקפי תקני במיקרו-מעבדים ו-DSPs הוא קוצב-הזמן לשימוש כללי. יחידה זו מספקת תפקוד של קוצב-זמן תקני המבוסס על ייחוסי שעון אחד או יותר שיכולים להיות פנימיים או חיצוניים לשבב. בממשק הפין, היא יכולה גם לספק יכולת של לכידת-רוחב או מניית-פולסים כמו גם צורות-גל מוצא מאופנני-רוחב-פולס (PWM) מוארקים. מוצאי PWM אלה מצוידים לרוב ברוחב-פולס ומחזור מיתכנתים, וניתן להשתמש בהם ביישומי בקרה תעשייתית רבים, כולל הפקת רמת DC והעברת אותות אנלוגיים נוגדי-רעש (בעזרת סינון מעביר-נמוכים מתאים).
אולם, כדי להיות שימושי באמת עבור בקרת מנועי ז”י, יש להוסיף מספר שדרוגים לתפקודי PWM הבסיסיים. איור 1 מציג דיאגרמת מלבנית מפושטת של בקרת מנוע, בה מוצאי ה-PWM מהמעבד מפעילים דיפרנציאלית התקני הספק מהצד הגבוה והנמוך כדי להסדיר את מומנט הסיבוב ומהירות המנוע. ADCs משמשים להספקת משוב של מדידת זרם למעבד כך שמחזורי ה-PWM ניתנים לשליטה במערכת סגורה בעלת רצף הדוק כדי לפקח על המנוע.
בהשוואה לגושי ה-PWM במעבדים לשימוש כללי, ליחידות ה-PWM לבקרת מנועים מספר שיפורים. כפו שהוצג לעיל, PWMs לבקרת מנועים מסופקים בזוגות משלימים, כדי לכוון לחילופין את הצד הגבוה והנמוך של מתג ההספק עבור מופע מנוע נתון. במנועי ז”י תלת-פאזיים, משתמשים ב-3 זוגות של PWM.
כמתואר באיור 1, חשוב לעתים קרובות לספק בידוד בין בקרת ה-PWM של המעבד והתקני הפעלת השער עבור טרנזיסטורי הספק. בד”כ, בידוד זה מושג או דרך מבודדים אופטיים או דרך שנאי פולסים. למטרה זו, PWMs אחדים מכילים Gate Drive Unit המקלה על עירוב המוצאים עם אות קיטום (chopping) בתדר גבוה לשם חיבור לשנאי הפולסים, תוך כדי הענקה למובילי הפינים זרם מקור וקולט מספיק כדי להפעיל את רוב המבודדים האופטיים.
חשוב, PWMs לבקרת מנועים צריכים לספק “זמן מת” מובטח בין הניתוק של התקן הספק אחד לחיבור של הזוג המשלים שלו בכל פאזה. אחרת עלול להיווצר קצר ז”י דרך מתג הכוח.
יתרה מזו, צריכה תמיד להיות דרך לנתק מידית ובצורה אסינכרונית את מוצאי ה-PWM במקרה של תקלה כאשר עלולים להפעיל בו-זמנית פאזות של מוצאים מרובים. תכונת ה-”PWM Trip” זו מאפשרת לאות אסינכרוני חיצוני לנתק את כל מוצאי ה-PWM ללא תלות במצב שעון המעבד.
לבסוף, בעוד שמקובל לאפשר לקוצבי-זמן לשימוש כללי להיות מופעלים סינכרונית, סנכרון קוצב הזמן של ה-PWM חשוב ביותר עבור בקרת המנועים. אות “PWM Sync” המוזן פנימית או חיצונית יכול לשמש להפקת פסק (לעתים יותר מאשר אחד למחזור) כך שהמעבד יוכל לתאם מחזורי פעולה בהתאם לאלגוריתם הבקרה, וכדי שה-ADC יוכל לקלוט ולהעביר את מדידות הזרם הבאות.
בשלב זה, ברור שבעוד יישומי תעשייה רבים עשויים להעדיף שימוש במעבדים בעלי מערך היקפי לשימוש כללי, נבון יהיה לשקול קודם אילו “שדרוגים תעשייתיים” ייהנו מהיישום הנדון. בחרנו לבחון רק שתי דוגמאות כאן – קישוריות הרשת ויכולות ה-PWM – אולם קיימים קווים מקבילים לתת-מערכות אחרות רבות, כולל מבני זיכרון וממשקי המרת נתונים. על-ידי ניצול הערך המוסף של יחידות היקפיות מוגברות אלו, ניתן לתכנן מוצרים תעשייתיים בעלי חוסן ובקרת מערכת משופרים.

מוליכים למחצה: לב הדור הבא של התקנים רפואיים

יום שני, 02 אוגוסט 2010 14:50

מאת: Patrick O’Doherty, Analog Devices

טכנולוגיה חדשנית, המפותחת על-ידי חברות המוליכים למחצה, מאפשרת תכנון של התקנים רפואיים המשפרים את הטיפול במיליוני אנשים מסביב לעולם. מחירי הטיפול הרפואי הממריאים, השכיחות של השמנת-יתר ומחלות כרוניות והעלייה הדרמטית באוכלוסיה הבוגרת יוצרים ביקוש גובר של התקנים רפואיים זולים ואמינים, כולל אלה עבור ניטור מטופלים, הדמיה רפואית ומכשור. כיום, יותר מאשר אי-פעם בהיסטוריה החדשה, תעשיית המוליכים למחצה סוללת את הדרך לקידום התקנים רפואיים אשר מצילים אין-ספור חיים ומקטינים מאוד את עלויות הטיפול הרפואי.
ההתקנים הרפואיים הגדולים של אתמול תוכננו מחדש כיחידות הניידות של היום, אחדות מהן בגודל של טלפון נייד או אף קטנות יותר. התקנים רפואיים אחדים, כגון מערכות אולטרא-סאונד, שהיו בעבר זמינות רק בבתי-חולים ובמרפאות עירוניות גדולות, משמשים עתה במרפאות של רופאים כפריים ובאמבולנסים. ככל שהמזעור והניידות של ציוד רפואי עולה, יצרני המוליכים למחצה נדרשים לפתח שבבים משובצים ביותר אשר יספקו את הטכנולוגיה לדור הבא של התקנים רפואיים, כולל מערכות ניידות קלות יותר וקטנות יותר.

מערכות ניטור מטופלים
ציוד לניטור מטופלים מאפשר השגחה מתמדת של חולים במחלות קריטיות, ללא תלות במיקום שלהם בתוך בית-החולים, ולעתים בעלות נמוכה יותר מאשר שימוש במערכות מסורתיות הצמודות למיטת החולה. ניטור המטופל כולל אלקטרו-קרדיוגראמה (EKG), מדי-לחץ דם, טמפרטורה, חמצון הדם, נשימה ולעתים פונקציות של דפיברילטורים (AED) המכילים לרוב ממירים אנלוגי-לדיגיטלי (ADCs), מגברים בעלי רעש נמוך, מגברי מכשור והצירוף של פונקציות אנלוגיות אשר היה קיים בשטח מזה שנים רבות. אלה הן מערכות בוגרות, בעלות-ביצועים גבוהים, בהן יצרני המוליכים למחצה השקיעו כמות גדולה של דולרים במגמה לפתח שבבים חדשניים.
בעוד מערכות אלו היו ממוקמות בעבר לרוב ליד מיטת החולה, הן הפכו עתה לקטנות דיין כדי לתלות אותן על החגורה של המטופל. בעתיד הקרוב, EKGs, מדי לחץ-דם ומנטרי פעילות ישולבו עם פונקציות של תקשורת אלחוטית אשר יאפשרו למטופלים להימצא בביתם ועדיין ליהנות מניטור בטוח ואמין של אותות-חיים בזמן-אמת. דבר זה, במהות, יפחית את העלות הכוללת של הטיפול.
הצורך בהתקני ניטור מטופלים ביתיים התרחב הודות למספר הגובר של תינוקות הדורשים טיפול ביתי אינטנסיבי. לפי ארגון הבריאות העולמי, מספר האנשים בעולם בגיל 60 או יותר היה 650 מיליון בשנת 2006. מספר זה צפוי לגדול עד 1.2 מיליארד בשנת 2025. בארה”ב, אוכלוסיית בני ה-65 ויותר מכילה עתה חלק גדול יותר מהאוכלוסייה מאשר אי-פעם בעבר, ומספר זה צפוי לגדול בהתמדה במשך המאה ה-21.
“בשל האוכלוסייה המזדקנת בהתמדה, מגזר הטיפול בבריאות עומד בפני עלויות מרקיעות שחקים עבור החולים במחלות כרוניות”, אומר Paul Errico, מנהל שיווק אסטרטגי עולמי של צוות המגזר של Analog Devices’ Healthcare. “כיום התקנים רפואיים, המתוכננים עבור שימוש ביתי, יכולים לנטר לחץ דם, רמות הגלוקוזה וקצבי הלב, ולהזעיק רופאים במקרה הצורך. דבר זה מבטל או מצמצם את הצורך בביקורים יקרים במרפאות ובבתי-חולים, ומספק יתרונות גדולים עבור חולים שאינם חיים בקרבת רופא או בית-חולים”.
כדי להפוך לגורם עיקרי בדרך בה מנוהל הטיפול בחולים, מערכות ניטור חולים צריכות להיות תואמות ביניהן ועם כל מקור אחר הדרוש של מידע על החולה. בעוד התאום בתפעול בין המערכות עדיין לא הושג במלואו, הוא מהווה קדימות עבור תעשיות הטכנולוגיה הרפואית והמידע. ה- Continuous Health Alliance, לדוגמה, היא ארגון העובד עם המובילים בתעשיית הטכנולוגיה, ההתקנים הרפואיים והטיפול הרפואי כדי לקבוע מערכת של פתרונות של פעולה הדדית.

הדמיה רפואית
השימוש בציוד הדמיה רפואית, כולל CT (טומוגרפיה ממוחשבת), סורקים ומערכות אולטרא-סאונד, מוסיף לגדול בשעה שהשיפורים בטכנולוגיה יוצרים תמונות יותר ברורות, יותר מפורטות, של גוף האדם לשם ניתוח ואבחון של הרופא. זירת ההדמיה הרפואית ראתה עלייה דרמטית במספר המניות –לערוץ וגם התמקדות הולמת של חברות המוליכים למחצה על שילוב, הספק נמוך ועלות-לערוץ מופחתת. אולטרא-סאונד, CT, הדמיית תהודה מגנטית (magnetic resonance imaging – MRI) וטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (positron emission tomography – PET), הן כולן מערכות רבות-ביצועים המקדמות רכיבים תקניים במונחים של הספק, מהירות, דיוק ותחום דינמי.
לפני מספר שנים, מערכות אולטרא-סאונד ניידות דמו למחשב מחברת. כיום, מערכות אולטרא-סאונד משתמשות בגורמי צורה של PDA או טלפונים ניידים והן קטנות דיין כדי שרופאים ישאו אותן בכיסיהם והשתמשו בהן כרצונם. דבר זה משנה מאוד את השימוש בטכנולוגיית האולטרא-סאונד במונחים של טיפול בחולה. אין צורך לומר, דרישות ההספק והממדים של מערכות אולטרא-סאונד ניידות השתנו בצורה דרמטית במערכות של היום.
“מתכנני ציוד רפואי נדרשים לספק איכות תמונה גבוהה וביצועים אמינים מבלי לסכן את יעילות ההספק בהתקנים שהם לעתים בקושי יותר גדולים מאשר יד-אדם”, אומר Scott Pavlik, מנהל שיווק אסטרטגי עולמי של צוות הטיפול הרפואי של Analog Devices. “כדי להשיג זאת, מתכננים מסתמכים על שיפורים משמעותיים בטכנולוגיות-יסוד, במיוחד בשילוב של רכיבי מוליכים למחצה. החידושים של המעגלים המשולבים של אולטרא-סאונד לא רק מקלים על משימות המתכנן, אלא גם מאפשרים התקדמות משמעותית בביצועים, ממדים והספק של ציוד אולטרא-סאונד – וגורמים ליכולות מוצרים גדולות יותר והזדמנויות שיווק מורחבות”.
מערכות אולטרא-סאונד מורכבות מארבעה רכיבים עיקריים: מגבר בעל רעש-נמוך (low-noise amplifier – LNA), מגבר בעל שבח משתנה (variable gain amplifier – VGA), מסנן מבטל מדרוג עקומות (anti-aliasing filter – AAF), וממיר אנלוגי-לדיגיטלי מהיר (ADC). ב-2007 , Analog Devices הכריזה על שבב האולטרא-סאונד האנלוגי המשולב הראשון. ה-AD9271 החליף פתרונות דיסקרטיים קודמים במעגל משולב יחיד אשר שילב שמונה ערוצים, כאשר כל אחד כולל LNA, VGA, AAF ו-ADC של 12 ביט. רמת שילוב ללא תקדים זו מאפשרת למתכנני ציוד רפואי להקטין את גודל נתיב האות של מערכות אולטרא-סאונד ניידות ב-50% ולהפחית את דרישות ההספק ב-25%, כל זה תוך השגת רמות רעש ומדדי ביצועים אחרים כנדרש בהתקני טיפול קריטיים.
שילוב איננו אלמנט המפתח העיקרי היחיד שיש להשיג בתכנון של מערכות האולטרא-סאונד הניידות של היום. המערכת צריכה גם להיות גמישה ולהתאים לצרכים של סוגים שונים של חיישן אולטרא-סאונד, כמו גם לאפשר קלות-בשימוש במונחים של שבח מתוכנת, קטעון המסננים וסיומת המערכת. לא די שיצרני המוליכים למחצה יגדירו חלקים מאוד מתוחכמים אלה ויגישו אותם ללקוחות בצירוף דגימות, כרטיסי הערכה ודפי נתונים. דרושים גם כלי תוכנה המאפשרים לחלקים אלה להיות מוערכים בנקל. כל אלה הם עדות שיצרני המוליכים למחצה מתקרבים יותר לעולם מתכנן המערכת.
קיימת הערכה שיותר מ-62 מיליון סריקות CT מבוצעות כל שנה בארה”ב. הדמיית CT משלבת ציוד קרני X מיוחד עם מחשבים מתוחכמים כדי ליצור תמונות D-2 ו-D-3 של גוף האדם, במגמה לאבחן בעיות הכוללות סרטן, מחלות עורקי-לב והפרעות שרירים ושלד. במערכת CT, מספר גדול של ערוצי איסוף נתונים מסודרים בפרוסות. מספר גבוה יותר של פרוסות מאפשר לסורקי ה-CT לספק מהר יותר תמונות מפורטות, תוך חשיפת המטופלים למנת קרני X נמוכה יותר.
סורקי CT עכשוויים ועתידיים דורשים עליה משמעותית בספירות הערוץ, אך ממדי המערכת ועלותה אינם יכולים לעלות באותה המידה כמו מספר הספירות בערוץ. החזית האנלוגית, החלק המורכב ביותר של המערכת, הוא קריטי באשר לביצועי המערכת. לכן, כדי לאפשר מניית ערוצים מרובה, מתכנני המוליכים למחצה צריכים לבחון את הדרכים לשלב פונקציונליות גבוהה יותר תוך הורדת צריכת ההספק והעלות.
השיתוף בין מתכנני המוליכים למחצה ומתכנני המערכות הוא קריטי ביותר בתחום ה-CT. במהלך השנים האחרונות, נרשמה כמות עצומה של התקדמות וקידמה בפיתוח ה-CT ובמשך השנים הקרובות מצפים להרבה יותר מזה. Analog Devices, לדוגמה, חשפה לאחרונה שבב הדמיה רפואית חדש המאפשר למערכות CT בעלות מניית פיסות גבוהה ללכוד תמונות נעות בזמן-אמת – כגון לב פועם- בדרגה גבוהה של דיוק ופירוט. ה-ADAS1128 מציע 128 ערוצי המרת נתונים ומאפשר למתכנני מערכות האבחון לפתח סורקי CT המפיקים תמונות ברורות יותר של איברים פנימיים ועצמות תוך הקטנת חשיפת הקרינה בהשוואה למכונות ישנות יותר. דבר זה הוא בעל ערך עליון בתחומים של טיפול קריטי, כגון קרדיולוגיה, נוירולוגיה ואנגיוגראפיה.

מכשור רפואי
פלח שוק ההתקנים הרפואיים כולל בדיקות דם, מדי לחץ-דם, משאבות אינפוזיה ומכונות דיאליזה, כמו גם מגוון רחב של בדיקות מבחנה אחרות.
דוגמה אחת של שימוש בטכנולוגיית מוליכים למחצה חדשנית במערכת מדידה שהיא בעצם בוגרת למדי, היא השימוש בטכנולוגיית מד-תאוצה תלת-צירי במדי לחץ דם. הדרך המקובלת ביותר כדי לקבל קריאה לא נכונה של לחץ הדם היא להחזיק את הזרוע בגובה לא נכון ביחס ללב. השימוש במד-תאוצה תלת-צירי (הזהה לזה המשמש במשחקי מחשב הנוכחיים) למדידת הנטייה של הזרוע מסייע לוודא שקריאת לחץ הדם היא מדויקת.
דרך אופיינית לנתח את הדם לשם אבחון של מצבים רפואיים היא לבחון את מאפייני ה-DNA שלו. כאשר וירוס קיים, מאפייני ה-DNA של הדם משתנים לרוב וכך גם עכבת הדגימה בצורה מרוכבת. על-ידי מיפוי קשרי הוירוס לפרופילי העכבה הללו, אנשי מקצוע בתחום הרפואה יכולים לזהות ולגלות וירוסים בדם. מתכנני מערכת נדרשים לתכנן נתחי ספקטרום בצורת מכשירי מדידה ידניים, אך הם אינם יכולים לבצע את תפקידם בעזרת ההתקנים הדיסקרטיים הקיימים. לכן, עליהם לעבוד עם תעשיית המוליכים למחצה כדי לבחון באם פונקציה זו ניתנת לשילוב בשבב יחיד כפי שנעשה עתה בחזיתות של מדי-עכבה אנלוגיים חדשים.
מוליכים למחצה יכולים ככלל לעשות את מה שדרוש כדי לאפשר מערכות בעלות ביצועים גבוהים. המפתח האמיתי הוא להשיג את הביצועים הנדרשים תוך שמירה על תקציב הספק מערכת מחמיר, דרישות ממדים והיכולת לספק פונקציות ערכיות נוספות שניתן לשלב בתוך פיסת סיליקון אחת כדי להקנות את היתרון הגדול ביותר למערכת. זהו ידע היישומים שחברות המוליכים למחצה מתאמצות לפתח. מבחינה זו, הלקוחות הם המורים שלנו והתוצאה הסופית היא שחברות המוליכים למחצה, יצרני המערכות והחשוב ביותר, המטופלים, ייהנו מהתקשורת היעילה בין מובילי הטכנולוגיה העיקריים.
מהנדסי תכנון רפואי היוצרים את מערכות הטיפול הרפואי האחרונות המיועדות לניהול המחלה, בריאות וחוסן רפואי וחלוקת תרופות, משתמשים במוליכים למחצה כיסוד להמצאת מוצרים מהדור הבא אשר ישנו את פני החיים. התקשורת בין המערכת הרפואית ומתכניי המוליכים למחצה היא חיונית משום שככל שחברות המוליכים למחצה ילמדו אודות הצרכים של מתכנני הציוד הרפואי, כל אלה הזקוקים לטיפול רפואי ייהנו מכך.

חברת Analog Devices מכוונות גם לשווקים סקטוריאלים

יום רביעי, 07 יולי 2010 14:33

אריק ויינשטיין

דייב רוברטסון (David Robertson) , סגן נשיא לטכנולוגיות בחברת Analog Devices הגיע לישראל במסגרת סדרה של סמינרים שערכה החברה בארץ ללקוחותיה. בראיון זה סוקר דייב את השינוי הארגוני שווקי שהכריזה אנלוג לאחרונה וזאת במטרה להוסיף קווי מוצרים המיועדים לפלחי שוק ממוקדים תוך כדי שילוב טכנולוגיות מתקדמות. כמו כן מתאר דייב את ההתפתחויות האחרונות בתחום הממירים המהירים (High Speed Data Converters).
השם אנלוג מוכר היטב בתעשיית ההיי טק כיצרן המוביל בעולם בתחום הממירים (Data Converters), חיישנים ורכיבים לעיבוד אותות. החברה שנוסדה ב 1965 ידועה בייצור רכיבים בעלי ביצועים גבוהים אם במהירות, דיוק ובצריכת הספק נמוך.
דייב רוברטסון הצטרף לאנלוג לפניי כ-25 שנה כמהנדס פיתוח בתחום הממירים המהירים והיה מעורב בפרויקטים ייחודים כמו פיתוח טכנולוגיות ADSL ו- Mobile TV וגם אחראי ל-16 פטנטים.

המשך...

« Older Entries