各大廠商齊發(fā)力 讓醫(yī)療電子更加小型、智能化

近年來(lái)，中國(guó)人口老齡化問(wèn)題加劇，人們的預(yù)期壽命更長(zhǎng)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)等機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，中國(guó)60歲以上人口所占比例已由1990年的8.9%提升至2012年的12.3%，到2030年將達(dá)24.4%。同時(shí)，心臟病、糖尿病、哮喘乃至聽(tīng)力障礙等發(fā)病率增高。這使人們更加注重醫(yī)療保健問(wèn)題，為消費(fèi)類醫(yī)療市場(chǎng)帶來(lái)更大發(fā)展動(dòng)力。同時(shí)，中國(guó)政府計(jì)劃到2020年實(shí)現(xiàn)全民醫(yī)保，有利于推動(dòng)醫(yī)療設(shè)備行業(yè)持續(xù)發(fā)展。

在這種背景下，消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備趨向增加“智能”及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，便攜性也更強(qiáng)，同時(shí)無(wú)線/連接型醫(yī)療設(shè)備也有利于實(shí)現(xiàn)方便的長(zhǎng)期病人監(jiān)測(cè)，更不用提最新的人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)也在不斷興起。這使得應(yīng)用于醫(yī)療市場(chǎng)的半導(dǎo)體產(chǎn)品趨向更高集成度、小型化、高能效、采用標(biāo)準(zhǔn)元器件及嵌入無(wú)線功能。

目前，中國(guó)醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)正持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，但市場(chǎng)分散，由少數(shù)大型醫(yī)療設(shè)備公司主導(dǎo)，同時(shí)也有為數(shù)眾多的較小型公司開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的醫(yī)療方案。在CMET 2013上，21ic記者也看到幾大典型廠商在醫(yī)療領(lǐng)域的最新成果。

安森美半導(dǎo)體消費(fèi)類醫(yī)療應(yīng)用案例研究

安森美半導(dǎo)體為中國(guó)消費(fèi)類醫(yī)療市場(chǎng)提供多種價(jià)值，使醫(yī)療技術(shù)開(kāi)發(fā)人員能夠以高性能硅方案克服他們獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。安森美半導(dǎo)體針提供的產(chǎn)品涵蓋植體醫(yī)療設(shè)備(如神經(jīng)刺激器、除顫器及心臟起搏器)、聽(tīng)力健康(助聽(tīng)器、耳蝸植體)、臨床及指定設(shè)備(血糖監(jiān)測(cè)、透皮給藥、便攜式及定點(diǎn)護(hù)理(PoC)病人監(jiān)控)等。

安森美半導(dǎo)體消費(fèi)者健康產(chǎn)品線高級(jí)經(jīng)理Jakob Nielsen先生圍繞助聽(tīng)器及醫(yī)療ASIC應(yīng)用向記者介紹了幾個(gè)案例。

1) 助聽(tīng)器案例研究

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)有超過(guò)1,000萬(wàn)成年人患有聽(tīng)力障礙，亟需使用助聽(tīng)器來(lái)改善聽(tīng)力體驗(yàn)。助聽(tīng)器主要包含耳背式(Behind-The-Ear, BTE)和耳內(nèi)式(In-The-Ear, ITE)。BTE助聽(tīng)器又包含傳統(tǒng)BTE、微型BTE等不同類型，其中微型BTE又演進(jìn)出了耳道內(nèi)置受話器(RIC)類型。

傳統(tǒng)BTE助聽(tīng)器尺寸較大，外殼中內(nèi)置所有元件，采用定制及合身的耳模來(lái)確保提供可接受的聲音，但要求采用大電池來(lái)提供大功率，故會(huì)造成佩戴負(fù)擔(dān)。ITE助聽(tīng)器的外殼比傳統(tǒng)BTE助聽(tīng)器小，其中置有所有元件，但其電池尺寸較小，限制了輸出功率，且長(zhǎng)時(shí)間佩戴會(huì)不舒服。相對(duì)而言，微型BTE外殼小巧雅致，能隱藏在耳后，而接收器恰好置于耳道中。這種助聽(tīng)器電池尺寸小，同時(shí)還能支持長(zhǎng)使用時(shí)間;而且由于接近耳道，提供極佳聲音效果。

圖：助聽(tīng)器發(fā)展趨勢(shì)及安森美半導(dǎo)體用于微型BTE助聽(tīng)器的Rhythm R3710 DSP系統(tǒng)

安森美半導(dǎo)體提供用于微型BTE助聽(tīng)器的完整數(shù)字信號(hào)處理混合系統(tǒng)方案Rhythm R3710。這器件采用符合RoHS指令的系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)，尺寸為4.57 x 3.12 x 1.52 mm，較傳統(tǒng)混合模塊小25%。 其混合系統(tǒng)封裝內(nèi)包括處理語(yǔ)音算法的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、EEPROM、模擬前端、射頻芯片及無(wú)源元件，還可根據(jù)要求集成其它IC(見(jiàn)圖)。集成的24位DSP提供高于50 MIPS的運(yùn)算能力，1.2 V工作時(shí)電流消耗低于700 μA。這SiP適合包括微型BTE助聽(tīng)器在內(nèi)的所有類型助聽(tīng)器，能幫助克服助聽(tīng)器組裝方面的主要電聲挑戰(zhàn)。

Rhythm R3710除了提供小尺寸、高集成度和先進(jìn)的語(yǔ)音處理，它還集成iSenseDetect環(huán)境分類算法(根據(jù)環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)助聽(tīng)器，不需要存儲(chǔ)器選擇開(kāi)關(guān))、低能耗(1枚10號(hào)電池正常情況下使用10天)、自適應(yīng)降噪(提升嘈雜環(huán)境下的語(yǔ)音清晰度)、16頻帶音調(diào)均衡、8通道壓縮器、自適應(yīng)反饋消除(提升適配速度)等。

圖： 安森美半導(dǎo)體混合系統(tǒng)封裝(SiP)集成DSP裸片、EEPROM等元件。

安森美半導(dǎo)體為助聽(tīng)器應(yīng)用提供的DSP系統(tǒng)方案涵蓋兩種類型。一為預(yù)配置型，預(yù)配置了安森美半導(dǎo)體的音頻處理算法;另一種為公開(kāi)可編程型，能讓用戶使用自有的音頻處理算法。

2) 定制醫(yī)療ASIC案例研究

多種因素導(dǎo)致醫(yī)療設(shè)備需要定制ASIC而非標(biāo)準(zhǔn)分立元件方案。首先是低能耗。電池供電的醫(yī)療設(shè)備要求更長(zhǎng)的使用時(shí)間。采用標(biāo)準(zhǔn)分立元件可能消耗太大電流，無(wú)法提供令人滿意的產(chǎn)品使用時(shí)間。相比較而言，ASIC方案提供低能耗優(yōu)勢(shì)。

其次是小尺寸。醫(yī)療設(shè)備通常要求小巧，以提供離散性和舒適度。使用標(biāo)準(zhǔn)元件可能令外形因數(shù)過(guò)大，而ASIC方案以高集成度提供小尺寸優(yōu)勢(shì)。

其三為高壓。醫(yī)療應(yīng)用的傳感器可能要求高壓偏置，同時(shí)產(chǎn)生極低電平的信號(hào)。使用分立元件來(lái)處理高壓及低壓時(shí)，傳感器接口電路通常太復(fù)雜且太大;而ASIC方案能集成高壓及低壓電路。

四為低噪聲。醫(yī)療應(yīng)用的專用人體傳感器捕獲到的信號(hào)極為微弱，應(yīng)當(dāng)提供低噪聲環(huán)境。使用標(biāo)準(zhǔn)分立元件時(shí)，漏電流或其它不想要的電流將壓過(guò)傳感器產(chǎn)生的信號(hào);而ASIC方案提供高度的信號(hào)通道隔離及低噪聲。

其五，長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期。醫(yī)療設(shè)備的產(chǎn)品生命周期可能超過(guò)10年，許多標(biāo)準(zhǔn)元件在醫(yī)療設(shè)備生產(chǎn)行結(jié)束前已被淘汰，而像安森美半導(dǎo)體這樣的聲譽(yù)好的ASIC供應(yīng)商能夠配合長(zhǎng)醫(yī)療產(chǎn)品生命周期。其六，低物料單(BOM)成本。采用分立元件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如果元件數(shù)量太多，則成本會(huì)高;ASIC提供集成方案，降低系統(tǒng)成本。

而ASIC相比較于FPGA也有更多優(yōu)勢(shì)。首先，F(xiàn)PGA只提供數(shù)字解決方案，而ASIC能數(shù)字和模擬解決方案兼?zhèn)?其次，F(xiàn)PGA功耗較ASIC高出很多;此外，ASIC小型化、低功耗、低成本。

以連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)(CGM)應(yīng)用為例，許多糖尿病患者使用CGM來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)血糖水平。在這種應(yīng)用中，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)為pA級(jí)。由于漏電流的緣故，使用分立方案可能無(wú)法采集到傳感器產(chǎn)生的信號(hào)。這種應(yīng)用要求大于2 kV的ESD保護(hù)，且無(wú)漏電流影響，而使用標(biāo)準(zhǔn)ESD保護(hù)機(jī)制無(wú)法實(shí)現(xiàn)。此外，傳感器尺寸必須極小，而分立方案可能尺寸太大。不僅如此，這類應(yīng)用要求電池最少能用6個(gè)月，而分立方案的電流消耗可能太大，縮短產(chǎn)品生命周期。

因此，這類應(yīng)用需要定制ASIC。安森美半導(dǎo)體提供的CGM傳感器接口ASIC提供多重優(yōu)勢(shì)，滿足應(yīng)用要求。例如，ASIC的專有模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換方案能夠捕獲pA級(jí)電流。它還應(yīng)用專有的低漏電流半導(dǎo)體工藝(C3)，使用低漏電流的ESD保護(hù)焊盤，ASIC尺寸小于5 mm2，不影響總體產(chǎn)品尺寸。它的平均電流消耗低于3 μA。

圖：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用專有半導(dǎo)體工藝及創(chuàng)新IP設(shè)計(jì)克服血糖傳感器接口挑戰(zhàn)。

村田適用于心臟檢測(cè)器的創(chuàng)新方案

在展會(huì)上，記者還了解到一款村田的解決方案，它是一款適用于心臟檢測(cè)器的MEMS加速度傳感器與無(wú)線通信結(jié)合的模塊，這個(gè)模塊適用于間接接觸的心臟沖擊掃描;檢測(cè)加速度、傾角;在集成MCU里搭載可處理加速度傳感器信號(hào)的FE、十進(jìn)制計(jì)算方式;并且還兼容SPI、UART等各種接口。

而這種模塊通過(guò)嵌在病床、輪椅或者體重計(jì)中，再在電腦中安裝相關(guān)軟件，就能遠(yuǎn)程進(jìn)行患者關(guān)聯(lián)心跳檢測(cè)的各種監(jiān)測(cè)。同時(shí)，它還能進(jìn)行醫(yī)用床、看護(hù)床、手術(shù)臺(tái)的傾斜檢測(cè)。

當(dāng)然，還有很多廠商的創(chuàng)新方案展示在我們面前。正因?yàn)橛羞@些不斷進(jìn)步的醫(yī)療解決方案，中國(guó)醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)持續(xù)著穩(wěn)步發(fā)展，醫(yī)療設(shè)備制造商需要高性能、高能效、低能耗、小尺寸及長(zhǎng)生命周期的半導(dǎo)體方案來(lái)幫助他們開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的產(chǎn)品，滿足用戶日漸增長(zhǎng)的需求。