הפתרון של מייצב מתח STEP DOWN קומפקטי בעל ארבע יציאות מעודד את השימוש באנדוסקופיה ספרתית

מאז ומתמיד, רופאים חיפשו דרכים טובות יותר לאבחן מחלות ופציעות פנימיות אצל מטופלים ולטפל בהם. היכולת לבדוק את המטופלים מבפנים ולטפל בהם בדרך שתהיה פולשנית פחות ככל שאפשר ובמידה הפחותה ביותר של חוסר נוחות, הייתה חלק חשוב של הפרקטיקה הרפואית, מתחילת המאה התשע עשרה. מגמות האנדוסקופיה העכשוויות דוחפות לכיוון של אימוץ טכניקות דימות ספרתיות שמובילות אל התקדמויות עצומות ברזולוציית הדימות, בזיהוי רקמות ובהסבר הניתן למטופל ולבני משפחתו באשר לטיפול. ואולם, לתכונות אלו יש צורך במעבדים ספרתיים רבים לצורך עיבוד נתוני התמונה ולהפצתם. וכאן התעורר האתגר התכנוני – איך אפשר להתקין את כל רכיבי האלקטרוניקה ומייצבי המתח להספק הקשורים בהם, באותו מארז פיסי כמו זה שבו הותקנו בעבר יחידות הבקרה של מצלמת האנדוסקופיה (CCU), על מנת למזער את העלויות הכרוכות בהתקנה ובעידוד שימוש.
ההיסטוריה של האנדוסקופיה
רוב ההיסטוריונים מחשיבים את ההתקן מוביל האור של בוציני [Bozzini’s Lichtleiter] למכשיר הראשון הדומה לאנדוסקופ המוכר לנו היום. המכשיר הומצא בשנים הראשונות של המאה התשע עשרה, הוא היה קשיח עם מראות בעלות זווית, שבאו להגן על עיני הרופא, אך לא היה די בנר האחד בלבד שאותו ניצלו, כדי לקבל איכות טובה של התמונה המוארת. לאחר מכן, בתחילת המאה העשרים בערך, טכניקות ההארה השתפרו, עד אשר כמה ממציאים יצרו דרך שבה ניתן לצלם במצלמה תמונות אנדוסקופיה קבועות. בשנות החמישים של המאה שעברה, חלוצים יפניים, מורי ויאמדורי [Mori and Yamadori] הקליטו את התמונה הנעה הראשונה בעולם, דרך אנדוסקופ שתיאר לידה בזמן אמת. החסרון בצילום ובתנועות הנעות באותו זמן היה שלא ניתן היה לחלוק את התמונות עם אחרים או לשלוט בהן, בזמן אמת. טכנולוגיית הדימות הספרתית המודרנית של היום, תומכת בפונקציות אלו ברזולוציה טובה יותר מאשר אי פעם בעבר, ככל שאנו ממשיכים להתקדם בנתיב ששטחו לפנינו אותם חלוצים.

המעבר לכיוון אנדוסקופיה ספרתית
במאה העשרים ואחת, חיישני תמונה CMOS הגיעו לרזולוצית תמונה ולפיזור הספק נמוך שאותם חיפשו אנשי המקצוע ברפואה. חיישני תמונה אלו מספקים תמונות באיכות גבוהה ברזולוציות שמגיעות עד לרזולוציית HD מלאה ועוד יותר מכך. יש חברות מתקדמות עוד יותר, מעבר לתמונות HD בשני ממדים, על ידי כך שהן מציגות אנדוסקופיה סטריאוסקופית בתלת ממד. פיזור הספק (והטמפרטורה שנובעת מכך) מהווה גם הוא גורם חשוב, מפני שחיישן ה-CMOS נמצא לעתים קרובות בראש המצלמה בקצה האנדוסקופ במארז פיסי שמתוכנן לשליטה ידנית נוחה של אנשי צוות הכירורגיה, במטרה למקם את העדשות כך שיציגו את המראה הרצוי. רזולוצית התמונה ופיזור ההספק הנמוך של חיישני ה-CMOS המודרניים, הם הבסיס לעניין הרב שמתעורר סביב אנדוסקופיה ספרתית.
אנדוסקופיה ספרתית מועילה לרופאים ולמטופלים בכמה דרכים: 1) תמונה ספרתית (או וידיאו ספרתי) בזמן אמת מאפשרת לרופאים לשתף פעולה עם עמיתיהם בכל מקום שבו הם נמצאים בעולם, למען השגת טיפול יעיל יותר ושיקום מהיר יותר. 2) אפשר לשלוט בתמונה באופן מיידי, כך שצוות אנשי הכירורגיה יוכלו לזהות בקלות רבה יותר את מבני הרקמות השונים. 3) אפשר לתעד את הניתוח ולהעיר בו הערות למטרות לימוד והכשרה. 4) מכשירי אנדוסקופיה בשלושה ממדים מעניקים למנתחים יכולת ראיה ותפיסת עומק טובות עוד יותר כדי לכוון בצורה טובה יותר לרקמות המיועדות לטיפול. 5) התמונות מאוחסנות בקלות בתיקים הרפואיים האלקטרוניים של המטופל לסקירה על ידי המטופל ומשפחתו למען הסברים מעמיקים יותר של תהליכי אבחון, טיפול והחלמה. לחמשת יתרונות אלו מצטרפת יכולת מספיקה לטיפול בכל הנתונים, שגם היא נדרשת.
הגדלת התכולה של המעבד הספרתי מקטינה את השטח של המעגל המודפס המיועד למייצבי המתח של נקודת העומס,
אין הפתעה בכך שלתכונות הבאות, המקיפות יצירה, תצוגה, מניפולציה, הפצה ואחסון של כמות הנתונים הגדולה שנוצרה על ידי חיישני CMOS אלו יש צורך בכמות רבה של יכולת עיבוד ספרתי, אשר ברוב המקרים נמצא ביחידת בקרת המצלמה (CCU). הרכיבים העיקריים של מערכת אנדוסקופיה אופיינית כוללים מעבדי תמונה, רכיבי FPGA אחד או יותר, זיכרון, ממירים מאנלוגי לספרתי, חיבורים לתצוגת וידיאו ובקר Ethernet, שחייבים להיות משולבים באינטגרציה כדי לתמוך בתכונות אלו. כתוצאה מכך, לרוב ההתקנים יש צורך במתחי כניסה מרובים לצורך פעולה. האתגר הנובע מכך, אשר עומד בפני מהנדסי התכנון, הוא כיצד לתמוך בגידול הדרמטי של מספר קווי אספקת מתח במרחב מצומצם.
כדי לאפשר את האינטגרציה של כל הרכיבים הספרתיים האלו ואת קבלת היתרונות שלהם על ידי מטופלים ורופאים כאחד, חברת Linear Technology יצאה לשוק עם מייצב מתח מוריד, מסוג ®µModule, בעל ארבע יציאות, חסכוני במקום – LTM4644 – שפועל במתח כניסה של 14 וולט. הרכיב LTM4644 שתופס מקום של ס”מ במעגל מודפס דו צדדי (ראה איור 1), מייצב ארבעה מתחי יציאה, כל אחד מהם מספק זרם של עד 4 אמפר, על מנת לעמוד בדרישות ההספק של רכיבי FPGA ושל מעבדים ספרתיים אחרים במערכות אנדוסקופיה ספרתית (ראה איור 2). לעומתו, לצורך השוואה, לפתרון מודול מוריד של ספקים מתחרים נדרש שטח מעגל מודפס גדול פי ארבעה יותר. יתר על כן, עם יציאות הזרם המשותפות, מייצב מתח מוריד זה, מסוג µModule, מעניק למהנדסים את הגמישות להגדיר את מייצב המתח כבעל יציאה יחידה (16 אמפר), כבעל יציאה כפולה (12 אמפר ו-4 אמפר או 8 אמפר ו-8 אמפר), כבעל יציאה משולשת (8 אמפר, 4 אמפר ו-4 אמפר) או כבעל יציאה מרובעת (4 אמפר כל אחד). גמישות זו מאפשרת למהנדסים של מערכת האנדוסקופיה לרכוש ולאשר את האיכות של מייצב מתח מסוג µModule פשוט וקומפקטי אחד בלבד, עבור מבחר של מתחים ודרישות זרם עומס של רכיבי FPGA, רכיבי ASIC מעבדי מיקרו ומעגלים אחרים.
לפתרון הכולל של LTM4644 נדרשים 3.5 סמ”ר במעגל מודפס דו צדדי (קבל אחד וארבעה נגדים בצד האחורי).
מייצב המתח LTM4644 מסוג µModule תומך בעד ארבעה קווי אספקת מתח יציאה ייחודיים ממתח כניסה של 4 עד 14 וולט (או כניסה של 2.375 עד 14 וולט עם מתח מקדם חיצוני), מספק עד 4 אמפר לכל יציאה כדי לתמוך בדרישות ההספק של רכיבי FPGA, מעבדים ספרתיים אחרים, מעגל זיכרון ותמיכה במעגלים אנלוגיים. לפתרון המלא יש צורך רק בשישה קבלים קרמיים חיצוניים (גודל מארז 1206) ובארבעה נגדים (גודל מארז 0603 או קטן יותר).
כדי לחסוך במקום ובזמן תכנון, מייצב המתח LTM4644 בעל ארבע היציאות כולל את בקרי המרת מתח ישר למתח ישר, מתגי הספק, משרנים ומעגל פיצוי במארז BGA של מ”מ. אספקה של 4 וולט עד 14 וולט בכניסה (או של 2.375 וולט עד 14 וולט כאשר משתמשים במתח מקדם חיצוני) מפעילה כל ערוץ של מייצב המתח, שמספק מתח מוצא מיוצב של בין 0.6 ל- 5.5 וולט עם דיוק קו, עומס וטמפרטורה של ±1.5%. פיני אספקת מתח נפרדים בכניסה מאפשרים למהנדסים להפעיל ארבעה ערוצים מקווי אספקת מתח נפרדים אם נדרשת קביעה של תקציב הספקים, בלי קשר לעובדה אם זרם היציאות משותף או לא. אם ננקוט צעד נוסף להקטנת השטח שתופס הפתרון ולהפחתת העלויות הכרוכות בו, ארבעת המתגים שבתוך מייצב המתח LTM4644 פועלים במופע של 90 מעלות אחד ביחס לשני, בתדירות משותפת, כשהם מקטינים עד לידי מחצית את קיבול הכניסה הנדרש לקבלת ביצועים שווי ערך של אדוות מתח (ripple) בכניסה. כתוצאה, רק שישה קבלים קרמיים חיצוניים (גודל מארז 1206), ארבעה נגדי משוב (גודל מארז 0603 או קטן יותר) נדרשים עבור קונפיגורציה של ארבע יציאות, כשהם פועלים מאותו מקור מתח כניסה (איור 2). המארז BGA הקטן של מייצב המתח LTM4644 המשולב עם דרישה נמוכה ביותר לרכיבים חיצוניים, מציע את הפתרון הקטן ביותר שקיים היום עבור מייצב מוריד של מתח ישר למתח ישר עם 4 יציאות של 4 אמפר.

SEQUENCE מבוקר היטב בהפעלת המתח
למייצב LTM4644 יש תכונות שנדרשות להפעלת התקני עומס שצריכים רצפים מסוימים שלהפעלה וכיבוי. לכל יציאה יש פין לוגי משלה לצורך הפעלה (enable) (RUN), פין עקיבה (TRACK/SS) ואות לוגי (flag) המציין שאספקת המתח תקינה (PGOOD). פין העקיבה מאפשר למהנדסים לבקר את קצב העלייה והירידה של מתח היציאה במהלך ההפעלה והכיבוי, על ידי שימוש בכניסה האנלוגית. הפין PGOOD מסמן כאשר מתח היציאה נמצא בטווח של ±10% מנקודת היעד של הייצוב שלו. מאחר שכמה קווי אספקת מתח מופעלים לפני קווים אחרים וגורמים לאפשרות של העברת מתח הפוך או שיש מצבים אשר בהם נשאר מתח לפני ההפעלה, אפשר לספק מתח קדם לחלק מקווי אספקת המתח לעומס ברגע שפעולת מייצב המתח מאופשרת. יציאות שמקבלות מתח קדם עלולות להציב בעיה בפני חלק ממייצבי המתח הממותגים הסינכרוניים, כאשר חוגי הבקרה שלהם יפרקו באופן מיידי את העומס להארקה במהלך ההפעלה, גם אם לפעולה התקינה של התקני FPGA יש צורך במקור מתח עם עלייה קבועה. בנוסף לפיני בקרה וחיווי נדרשים שיש למייצב LTM4644, הוא מספק מתח עם עלייה קבועה גם במצב של עומס שמקבל מתח קדם (ראה איור 3).
המייצב LTM4644 מספק מתח מוצא שעולה באופן חלק וקבוע עד מתח נומינלי של 5 וולט גם כאשר העומס שלו מקבל מתח קדם (2.5 וולט) להשגה פעולה תקינה של התקני FPGA.

פתרון נוסף לכל קווי אספקת המתח שחסרים
על מנת לעזור למהנדסים להתמודד עם שינויי תכנון של הרגע האחרון, קיים המייצב LTM4624 שהוא גרסה בעלת יציאה יחידה של המייצב LTM4644 שנתונה במארז BGA זעיר בגודל מ”מ, שבו הגובה זהה לזה של המייצב LTM4644. הפתרון המלא של המייצב LTM4624 שלו נדרשים רק שני קבלים חיצוניים ונגד משוב יחיד, מתאים לשטח של 1 סמ”ר על מעגל מודפס חד צדדי (ראה איור 4). המייצב LTM4624 תומך באותן תכונות של מתחי הפעלה בכניסה, מתחי יציאה ורצף הפעלה שמתוארים בחלק “רצף הפעלה מבוקר היטב”.
רק שני קבלים קרמיים (גודל מארז 1206) ונגד יחיד (גודל מארז 0603 או קטן יותר) נדרשים בעת שימוש עם המייצב LTM4624 ליצירת פתרון של מייצב מוריד עם יציאה אחת של 4 אמפר, המתאים לשטח של 1 סמ”ר במעגל מודפס חד צדדי או לשטח של 0.5 סמ”ר במעגל דו צדדי. יתרון הגודל הופך את LTM4624 לבחירה מצוינת, אם מבקשים לענות על שינויי תכנון של הרגע האחרון או על דרישות קווי אספקת מתח שחסרים.
מסקנות
המעבר המתפתח לכיוון של אנדוסקופיה ספרתית מבטיח יתרונות עצומים למטופלים ולרופאים שלהם. חיישני תמונה ב-CMOS יוצרים תמונות ספרתיות וקטעי וידיאו ספרתי בתוך גוף האדם, עם רזולוציית תמונה טובה ובטמפרטורות הפעלה נמוכות דיין, כדי שאנשי הצוות הכירורגי יוכלו לטפל בהם בנוחות ולקבל את שדה הראייה הרצוי. את התמונות וקטעי הווידיאו אפשר לאחסן, לשפר, ולשתף אותם בקלות, למען קבלת טיפול יעיל יותר, מהיר יותר ובעלות נמוכה יותר, להשגת יתרונות עבור המטופל, משפחתו והצוות הרפואי המטפל בו. להשגת שלושת היעדים האלו יש צורך באסופה של מעבדים ספרתיים, התקני זיכרון, ממירים מאנלוגי לספרתי, חיבורי תצוגת וידאו ובקר Ethernet שתופסת חלק שגדל והולך משטח המעגל המודפס. כתוצאה, המייצבים המספקים מתח לעומס חייבים לתמוך במספר גדל של קווי אספקת מתח בשטח קטן יותר, כדי לשמור על הממדים הפיזיים של המערכת האנדוסקופית. מייצבי µModule המורידים – LTM4644 ו- LTM4624 – מציגים פתרון פשוט וקומפקטי המיועד לעמוד באתגר הזה.

ווילי צ’אן מהנדס בכיר לשיווק מוצרים. מוצרי הספק µModule Linear Technology

הכתבה נמסרה באדיבות חברת אבנט טכנולוגיות.