可穿戴醫(yī)療半導體應用方案

　　中國人口老齡化進程正持續(xù)加快中：據(jù)聯(lián)合國2010年的世界人口展望，2010年中國60歲以上人口所占百分比為12.3%，預計到2030年將增至24.4%，到2050年甚至將達33.9%。同時，隨著人們生活水準的提高，預期壽命越來越長，將會更加注重醫(yī)療及保健，門診/家中保健將越來越普遍。而且，人口老齡化或許將催生更高的心臟病、糖尿病、氣喘的發(fā)病率，再加上中國政府計畫實現(xiàn)全民醫(yī)保等等，中國的醫(yī)療設備行業(yè)將會持續(xù)發(fā)展。

　　目前中國醫(yī)療設備市場分散，且僅由少數(shù)大型醫(yī)療設備公司如邁瑞、金科威、歐姆龍等主導，市場潛力極大，眾多小型公司也瞄準此一市場，爭相開發(fā)創(chuàng)新的醫(yī)療方案。故醫(yī)療設備的發(fā)展趨勢包括增加“智慧”及數(shù)據(jù)儲存功能、可攜性、無線/連接型方案、人體區(qū)域網(wǎng)路等等。而醫(yī)療半導體無疑在醫(yī)療設備/方案的創(chuàng)新中發(fā)揮著主導作用，朝向更高整合度、小型化、高效能發(fā)展，同時使消費類醫(yī)療設備轉向采用標準元件并嵌入無線功能。

　　將矽引入生活

　　安森美半導體以高性能矽方案幫助醫(yī)療技術開發(fā)者解決他們獨特的設計挑戰(zhàn)。作為健康聯(lián)盟的積極成員，安森美半導體高技能的系統(tǒng)架構師、設計、封裝和測試工程師，具備豐富的知識產權(IP)陣容，擁有世界級工廠，憑藉超過30年的訂制矽經驗，提供全面的產品陣容和服務，包括：訂制的混合訊號專用積體電路(ASIC)、專用標準產品(ASSP)、醫(yī)療級分立元件、助聽器數(shù)字訊號處理(DSP)系統(tǒng)、訂制的和半訂制的超低功耗記憶體、為系統(tǒng)小型化的先進封裝、附加代工服務等等，其開發(fā)套件、軟體包、產品庫等保證完全合格和穩(wěn)定的開發(fā)流程，產品使用壽命支援延長的產品生命周期，數(shù)據(jù)可追蹤和保存，品質獲ISO 13485醫(yī)療系統(tǒng)認證，且設立故障分析實驗室，可批量驗收測試。

　　安森美半導體的重點醫(yī)療細分市場涵蓋植體、聽力健康和臨床及指定設備。

　　植體

　　植體應用主要包括除顫器及心臟起搏器、神經刺激器、可注射監(jiān)測器和可吸入電子設備。安森美半導體為此類應用提供ASIC、記憶體、分立元件、模組及晶圓代工服務。

　　以植入式神經刺激平臺為例，安森美半導體提供整合控制器、記憶體、數(shù)位、類比和高壓的單晶片方案，使用多通道突波抑制器(TSS)進一步顯著減少分立元件數(shù)(通常將IC裸片數(shù)從3-4顆減少至1-2顆)，有助于減小電路板所占空間，簡化設備制造和物流，降低成本和功耗，減少對系統(tǒng)/電路板的依賴，提升品質，加快產品上市時間，降低開發(fā)風險。

　　圖1 : 安森美半導體用于植入式神經刺激平臺的單晶片方案

　　安森美半導體提供二極體、MOSFET、IGBT、電源穩(wěn)壓器等標準分立元件用于醫(yī)療應用，并配合醫(yī)療市場需要提供可訂制的選擇 (表1)。

　　表1 : 安森美半導體提供的可訂制選擇

　　安森美半導體可根據(jù)醫(yī)療應用的獨特需求提供訂制的ASSP，如多通道瞬時突波抑制器可根據(jù)獨特的物理需求和電子參數(shù)而訂制，具備極快導通、最大沖擊電流大于12 A等關鍵功能;并提供引腳少、超低漏電流、儲存容量達8 Mb、實現(xiàn)超低功耗的SRAM、EEPROM和SRAM-Flash。

　　為實現(xiàn)更低成本及更高效能等需求，安森美半導體還提供替代EEPROM、FRAM和標準SRAM的串行SRAM記憶體。并行SRAM通常需要3路控制輸入、15路地址輸入和8路數(shù)據(jù)I/O共26條線路，僅用于低功耗應用。而串行SRAM僅需共4條線路，且占位面積更小，引腳更少，功耗更低，可保存?zhèn)浞萜骄?0年的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)成本更低，非常適合用于心臟監(jiān)測設備等小尺寸應用。

　　特別的是，為配合特定要求的FDA III，安森美半導體提供醫(yī)療級標準元件用于植體或生命攸關的應用，并提供符合MIL-PRF-1950標準、認證的MIL-STD-750 測試法、支援JAN/JANHC 品質水準、于國防后勤局(DLA)批準的生產線制造等軍工標準協(xié)議模式的高可靠性工藝流程。

　　助聽器

　　根據(jù)佩戴位置的不同，助聽器主要分為耳背式(Behind-The-Ear;BTE)和耳內式(In-The-Ear;ITE)。前者包括傳統(tǒng)BTE、微型BTE和耳道內置受話器(Receiver-In-Canal;RIC)，后者包括全、3/4、半耳腔式ITE、耳道內置(ITC)、深耳道(Completely-In-Canal;CIC)及耳道內不可見(Invisible-In-Canal;IIC)。

　　圖2 : 助聽器主要類型概覽

　　微型及“不可見”是助聽器的一大趨勢，更小巧的RIC及新的IIC類型更受歡迎，其要求半導體制造商轉移至65 nm或更小節(jié)點的工藝及微型化封裝技術;助聽器的第二大趨勢是將添加無線通訊及連接功能，當前采用2.4 GHz、900 MHz及附藍牙繼電器元件的近場磁感應(NFMI)的技術，需要互操作性及先進的封裝技術;第三，助聽器將發(fā)展至更“智慧”且完全自動化;如音量控制及訊號處理自動適配聲音環(huán)境，令用戶更舒適，這要求為其帶來更復雜的功率處理及演算法。助聽器的發(fā)展趨勢產生功耗、尺寸、混合訊號處理等方面的設計挑戰(zhàn)，如要求在1 V工作電壓時電流消耗小于1 mA，多晶片及晶片面積小于10 mm2，數(shù)位及類比功能等等。

　　圖3 : 展示一個典型的助聽器的組成及安森美半導體可提供的元件。

　　安森美半導體提供完整系列的DSP系統(tǒng)，包括預適配RHYTHM系列、預配置RHYTHM和AYRE系列、以及Ezairo系列。這些系列除了都含DSP、ADC、DAC、NVM等全面的助聽器系統(tǒng)，還針對不同目標設計人員提供不同的配置以滿足他們不同的需求：Ezairo系列的可編程IDE，適合有差異化演算法的技術專家;預配置系列針對老客戶和具備中等聽力學知識的人提供預載演算法、配套的基礎架構工具(SoundDesigner;ARK)和參考設計;而預適配系列提供預載演算法、配套手冊，并即將推出參考設計，有助于為新的助聽器制造商和類比助聽器制造商解決其設計挑戰(zhàn)。

　　在為助聽器廠商解決空間受限的要求方面，安森美半導體擁有超過40年的經驗，主要采用先進的2.5D和3D超小型系統(tǒng)級封裝(SiP)，即在同一封裝將不同的矽晶片和分立元件連接在一起，通過縮減訊號距離大大節(jié)省空間并提升電氣性能。SiP是訂制的封裝開發(fā)和制造服務，為注重尺寸、性能和系統(tǒng)整合度的醫(yī)療應用而設計。

　　安森美半導體將推出新的采用SiP的整合2.4 GHz無線模組的方案，尺寸僅為7.39 × 3.94 × 1.4 mm，其關鍵功能包括：整合完全可編程的多核音頻處理器、適配器可通過線性介面連接至任何音頻源(TV, HiFi)從而提供遠程麥克風適配器的身歷聲流、使用手機的標準配置檔如“Find Me”、“電話警報配置檔”等進行控制、音量和程式可通過手機控制改變等等。

　　訂制醫(yī)療ASIC

　　醫(yī)療設備設計人員一般面臨以下設計挑戰(zhàn)：

　　*低能耗：電池供電的醫(yī)療設備對電池使用時間要求較高，而標準分立元件可能消耗太大電流，無法提供令人滿意的產品使用時間;

　　*小尺寸：通常要求小巧以提供離散性和舒適度，而使用標準分立元件會令外形因數(shù)太大;

　　*高壓：感測器可能要求高壓偏置，同時產生極低電平的訊號，當使用分立元件來處理高壓及低壓時，感測器介面電路通常太過復雜;

　　*低雜訊：專用人體感測器捕獲到的訊號極微弱，漏電流或其他不想要的電流將壓過感測器產生的訊號;

　　*長產品生命周期：可能超過10年，而許多標準元件在醫(yī)療設備生產結束前已被淘汰;

　　*低BOM成本：采用分立元件設計的系統(tǒng)元件數(shù)量多，成本降不下來。

　　采用訂制的ASIC方案可提供能耗優(yōu)勢、以高整合度提供尺寸優(yōu)勢、能整合高壓及低壓電路、提供高度的訊號通道隔離及低雜訊、配合產品長生命周期、提供整合方案從而降低系統(tǒng)成本，幫助設計人員解決他們的獨特設計挑戰(zhàn)。

　　安森美半導體具備豐富的高性能、低能耗ASIC IP陣容，并可提供系統(tǒng)級方案，如為免提操作的低功耗聲音觸發(fā)功能。在中國，安森美半導體已積累成功的醫(yī)療ASIC案例. 如自2007以來，安森美半導體已為邁瑞開發(fā)訂制病人監(jiān)測ASIC，用于多通道心電圖、心率及呼吸監(jiān)視儀、血氧飽和度等多種病人監(jiān)測設備，實現(xiàn)比分立標準產品方案更低的能耗并降低總體BOM成本。邁瑞后續(xù)還將發(fā)布更多使用這ASIC的產品。

　　圖4 : 安森美半導體高性能、低能耗ASIC IP陣容

　　Struix是安森美半導體推出的半訂制組合方案，由訂制的和標準的ASSP元件組成，即根據(jù)客戶的專有規(guī)格而訂制的一個類比感測器介面或一個驅動器，和一個采用ARM Cortex-M3內核 (ULPMC10)的超低功耗唯數(shù)位微控制器晶片。“Struix”是“stacked”(疊在一起)的拉丁語形式，它將訂制的晶片和標準晶片疊在一個封裝中以提供微型的、高效能的半導體方案，提供比標準元件更多的訂制，比完整的系統(tǒng)級晶片(SoC)方案縮短設計時間并降低開發(fā)風險及相關成本，適用于血糖監(jiān)測、經由過皮膚給給藥、可攜式及定點護理(PoC)病人監(jiān)控等微型醫(yī)療設備。

　　圖5是基于Struix的產品示例，此堆疊微型封裝充分利用矽整合及模組化，整合度高，易于設計，還進一步增強了設計靈活性，因為ULPMC10微控制器可采用安森美半導體未來的微控制器輕易升級，無須替換類比前端。

　　圖5 : 安森美半導體Struix產品示例

　　結語

　　受市場動力、人口趨勢、政府政策、醫(yī)療行業(yè)結構及增長等綜合因素的推動，中國醫(yī)療設備行業(yè)頗具發(fā)展前景。醫(yī)療設備制造商要想走在市場前端需采用高效能的半導體方案進行創(chuàng)新開發(fā)。在可穿戴醫(yī)療逐漸興起的趨勢下，醫(yī)療半導體向更高整合度、小型化、更高效能方向邁進。安森美半導體因應市場趨勢，提供完整的醫(yī)療半導體產品和服務、豐富的專長和經驗，滿足醫(yī)療市場嚴格要求的高品質和高可靠性，協(xié)助醫(yī)療技術開發(fā)者解決他們獨特的設計挑戰(zhàn)。