在醫(yī)療技術(shù)持續(xù)進(jìn)步的當(dāng)下，便攜式醫(yī)療刺激系統(tǒng)憑借其便捷性、可移動(dòng)性以及能為患者提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與治療的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍不斷拓展。從常見(jiàn)的便攜式神經(jīng)刺激儀輔助康復(fù)治療，到植入式心臟刺激器維持心臟正常節(jié)律，這類(lèi)系統(tǒng)正深刻改變醫(yī)療模式，提升患者生活質(zhì)量與醫(yī)療效率。

隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的提升，內(nèi)部需處理多個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)和復(fù)雜算法，片上存儲(chǔ)器內(nèi)存容量愈發(fā)捉襟見(jiàn)肘。以一款典型的便攜式醫(yī)療刺激系統(tǒng)為例，其每 100ms 需捕獲并記錄 128 位采樣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)捕獲和處理時(shí)間為 5ms，工作電流 7mA(不包含向存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)的電流消耗)，在數(shù)據(jù)捕獲和處理期間，數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)器需保持待機(jī)或低功耗模式，而當(dāng)捕獲日志寫(xiě)入存儲(chǔ)器時(shí)，系統(tǒng)和存儲(chǔ)器均進(jìn)入工作狀態(tài)。并且，該便攜式系統(tǒng)常采用 3V、1400mAh 的 LR03 電池供電，這就對(duì)存儲(chǔ)器的功耗、讀寫(xiě)速度、存儲(chǔ)容量等性能提出嚴(yán)苛要求。

FRAM 存儲(chǔ)器特性剖析

FRAM，即鐵電隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)原理基于鐵電材料的獨(dú)特特性。鐵電材料在電場(chǎng)作用下，內(nèi)部電偶極子可發(fā)生定向排列，呈現(xiàn)出兩種穩(wěn)定的極化狀態(tài)，借此對(duì)應(yīng)存儲(chǔ) “0” 和 “1” 信息。與傳統(tǒng)存儲(chǔ)器相比，F(xiàn)RAM 具有顯著優(yōu)勢(shì)。

在讀寫(xiě)速度方面，F(xiàn)RAM 可實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)甚至納秒級(jí)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于 EEPROM(電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器)和 NAND 閃存等。以某款 FRAM 芯片為例，其寫(xiě)周期小于 50ns，能快速響應(yīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀取指令，保障醫(yī)療數(shù)據(jù)及時(shí)記錄與調(diào)用。在寫(xiě)入耐久性上，F(xiàn)RAM 表現(xiàn)卓越，可達(dá) 101?次以上，而 EEPROM 通常為 100 萬(wàn)次，閃存為 1E+5 次左右，F(xiàn)RAM 的高耐久性使設(shè)備能長(zhǎng)期穩(wěn)定記錄海量數(shù)據(jù)，無(wú)需擔(dān)憂(yōu)頻繁寫(xiě)入導(dǎo)致存儲(chǔ)單元損壞，也無(wú)需執(zhí)行復(fù)雜的損耗均衡算法。

功耗層面，F(xiàn)RAM 工作電壓低至 1.5V，工作電流極小，像部分芯片在活動(dòng)狀態(tài)下電流僅 500μA，待機(jī)狀態(tài)低至 5μA，結(jié)合其即時(shí)非易失性，系統(tǒng)無(wú)需持續(xù)供電維持?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)，可快速切換至低功耗待機(jī)模式甚至完全斷電，大幅降低能耗，契合便攜式醫(yī)療設(shè)備對(duì)電池續(xù)航的嚴(yán)格要求。此外，F(xiàn)RAM 對(duì)包括 X 射線(xiàn)和伽瑪輻射在內(nèi)的各種輻射具有高度耐受性，還對(duì)磁場(chǎng)免疫，能在復(fù)雜電磁環(huán)境下可靠存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，保障醫(yī)療數(shù)據(jù)安全。

FRAM 在便攜式醫(yī)療刺激系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例與優(yōu)勢(shì)

在實(shí)際的便攜式醫(yī)療刺激系統(tǒng)中，F(xiàn)RAM 已展現(xiàn)出不可替代的作用。例如在可穿戴式神經(jīng)肌肉電刺激設(shè)備里，該設(shè)備需實(shí)時(shí)采集肌肉電信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)算法給予精準(zhǔn)電刺激反饋。FRAM 憑借高速讀寫(xiě)能力，能在極短時(shí)間內(nèi)記錄肌肉電信號(hào)數(shù)據(jù)，同時(shí)快速讀取刺激算法程序，保證刺激信號(hào)及時(shí)、準(zhǔn)確輸出，提升康復(fù)治療效果。在植入式心臟起搏器這類(lèi)對(duì)可靠性和穩(wěn)定性要求極高的設(shè)備中，F(xiàn)RAM 可存儲(chǔ)心臟跳動(dòng)數(shù)據(jù)、設(shè)備工作參數(shù)等關(guān)鍵信息。其高寫(xiě)入耐久性確保設(shè)備在數(shù)年甚至數(shù)十年的使用周期內(nèi)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)萬(wàn)無(wú)一失;強(qiáng)大的抗輻射和抗電磁干擾能力，使起搏器在人體復(fù)雜生理環(huán)境及外界電磁環(huán)境下，穩(wěn)定記錄和保存數(shù)據(jù)，為醫(yī)生準(zhǔn)確評(píng)估患者心臟狀況提供可靠依據(jù)。

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度看，F(xiàn)RAM 能有效簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需采用 SRAM 作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、ROM 存儲(chǔ)程序代碼，還需 EEPROM 或閃存存儲(chǔ)關(guān)鍵非易失性數(shù)據(jù)，多種存儲(chǔ)器搭配不僅增加電路板空間占用，還使電路設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)與調(diào)試更為復(fù)雜。而 FRAM 可將基于 RAM 和 ROM 的數(shù)據(jù)與功能整合在單個(gè)存儲(chǔ)器中，顯著減少組件數(shù)量，優(yōu)化系統(tǒng)性能，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度與成本。并且，由于 FRAM 無(wú)需額外的頁(yè)面編程 / 頁(yè)面寫(xiě)入周期，在有精確時(shí)序要求的醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)景中，極大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)可靠性，避免因電源故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，F(xiàn)RAM 存儲(chǔ)器以其高速讀寫(xiě)、高寫(xiě)入耐久性、低功耗、強(qiáng)抗干擾等特性，完美契合便攜式醫(yī)療刺激系統(tǒng)的嚴(yán)苛需求，在提升系統(tǒng)性能、延長(zhǎng)電池續(xù)航、保障數(shù)據(jù)安全可靠等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為便攜式醫(yī)療設(shè)備的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力，未來(lái)有望在更多醫(yī)療場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用與拓展。