用于中國(guó)消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備的先進(jìn)半導(dǎo)體方案

近年來(lái)，醫(yī)療半導(dǎo)體市場(chǎng)已經(jīng)成為增長(zhǎng)最迅速的半導(dǎo)體市場(chǎng)領(lǐng)域之一。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Databeans 2010年關(guān)于醫(yī)療半導(dǎo)體的預(yù)計(jì)，2010年至2015年間的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)9.4%。這其中，由于家庭保健趨勢(shì)及人們對(duì)健康、保健設(shè)備興趣增加，消費(fèi)者健康醫(yī)療分類市場(chǎng)開始以較快的速度增長(zhǎng)。作為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供貨商，安森美半導(dǎo)體提供寬廣陣容的醫(yī)療應(yīng)用產(chǎn)品，幫助創(chuàng)新型醫(yī)療電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更高的集成度、小型化、高能效、易用性、便攜性和耐久性，配合中國(guó)醫(yī)療設(shè)備趨勢(shì)的發(fā)展。

中國(guó)醫(yī)療設(shè)備及醫(yī)療半導(dǎo)體趨勢(shì)

多種因素將綜合推動(dòng)中國(guó)醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)增長(zhǎng)：首先是人口老齡化，到2030年，中國(guó)60歲以上人口所占百分比將從2010年的12.3%增加至24.4%，到2050年更估計(jì)增加到33.9%;而且人們的預(yù)期壽命將更長(zhǎng)，心臟病、糖尿病、哮喘的發(fā)病率增高;還有中產(chǎn)階級(jí)群體擴(kuò)大，以及醫(yī)療支出增多、健康保險(xiǎn)改革等等。

而從醫(yī)療設(shè)備來(lái)看，中國(guó)本土的醫(yī)療設(shè)備研發(fā)增多，且本土制造商極力提供成本低于外國(guó)競(jìng)爭(zhēng)者的產(chǎn)品。面向中國(guó)市場(chǎng)的醫(yī)療設(shè)備也在不斷追求提高可靠性、準(zhǔn)確度和精密度、易用性及便攜性。相應(yīng)地，用于醫(yī)療設(shè)備的醫(yī)療半導(dǎo)體正走向更高集成度、小型化、高能效，也使消費(fèi)類健康設(shè)備轉(zhuǎn)向采用標(biāo)準(zhǔn)元器件。

安森美半導(dǎo)體用于消費(fèi)者健康醫(yī)療設(shè)備的半導(dǎo)體方案

半導(dǎo)體技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)新領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。安森美半導(dǎo)體擁有深刻理解醫(yī)療市場(chǎng)質(zhì)量、可靠性及長(zhǎng)久性要求的資深工程團(tuán)隊(duì)，并具有全球制造及物流能力，以高性能的硅方案幫助醫(yī)療設(shè)備開發(fā)人員解決他們獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

安森美半導(dǎo)體的醫(yī)療半導(dǎo)體產(chǎn)品涵蓋植體及臨床保健、消費(fèi)者健康和聽力健康等關(guān)鍵醫(yī)療分類市場(chǎng)。本文重點(diǎn)圍繞消費(fèi)者健康應(yīng)用，探討安森美半導(dǎo)體的高精度、高可靠性及低能耗方案。

1) 用于血糖儀等便攜式醫(yī)療設(shè)備的Q32M210 32位混合信號(hào)MCU方案

關(guān)于中國(guó)糖尿病現(xiàn)狀的案例研究表明，由于生活方式及飲食結(jié)構(gòu)變化、西式飲食模式影響、缺少運(yùn)動(dòng)，以及農(nóng)業(yè)國(guó)家轉(zhuǎn)向工業(yè)化國(guó)家的進(jìn)程、更多寫字樓工作崗位等，也使中國(guó)的糖尿病呈上升趨勢(shì)。更多人需要用血糖儀自己進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便作變化趨勢(shì)分析及與醫(yī)生溝通，推動(dòng)了血糖儀(BGM)的使用和銷售。

安森美半導(dǎo)體提供應(yīng)用于血糖儀等便攜檢測(cè)設(shè)備的精密混合信號(hào)微控制器(MCU) Q32M210。這個(gè)器件是專為高精度設(shè)計(jì)的模擬前端，其關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是采用16位低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)ARM? Cortex?-M3處理器;低泄漏電流及低動(dòng)態(tài)功率可實(shí)現(xiàn)超低能耗工作(待機(jī)電流 26 μA，休眠電流 ~750 nA)，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間;關(guān)鍵板載功能包括存儲(chǔ)器、集成帶錯(cuò)誤校正控制(ECC)功能的閃存以確保閃存的高可靠性、和片上USB支持，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高集成度可降低物料單(BOM)開銷;可配置前端，OEM可將其用于多種產(chǎn)品，包括血糖儀、心率監(jiān)測(cè)儀和健康監(jiān)測(cè)設(shè)備等。

圖1：提供超低能耗、精密混合信號(hào)處理及高可靠性的Q32M210 32位MCU框圖

Q32M210采用更精密的血糖等級(jí)計(jì)算，除了延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，在需要換電池之前進(jìn)行更多的血糖測(cè)試，還可降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減小外部元器件需求，支持更小外形因數(shù)的PCB設(shè)計(jì)及尺寸更小的血糖儀，而減少外部元器件數(shù)量也降低了系統(tǒng)成本。

在產(chǎn)品開發(fā)方面，Q32M210具有很好的靈活性，可通過(guò)軟件配置的模擬前端及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)實(shí)現(xiàn)可編程增益放大器、可配置采樣率，還有三個(gè)10位DAC及集成低導(dǎo)通阻抗開關(guān)。該器件可以定制，不需要新的外部電路來(lái)匹配新的試紙類型，兼容寬范圍傳感器類型?，F(xiàn)有Cortex-M3應(yīng)用可以輕易移植到Q32M210，簡(jiǎn)化了軟件開發(fā)。易于集成、標(biāo)準(zhǔn)化及連接也充分體現(xiàn)了設(shè)計(jì)靈活性;開發(fā)支持包括評(píng)估及開發(fā)套件(EDK)、固件庫(kù)、代碼范例。

從Q32M210應(yīng)用示例可以看出，傳統(tǒng)架構(gòu)血糖儀雖精確、簡(jiǎn)單，但不靈活，總體半導(dǎo)體BOM成本約為5.75美元(以批量500萬(wàn)片計(jì)，下同);而優(yōu)化架構(gòu)的血糖儀具有極精確和強(qiáng)固特性，還可重新配置(支持先進(jìn)的指示器開發(fā))，總體半導(dǎo)體BOM成本約為4.50美元。

圖2：傳統(tǒng)架構(gòu)(左)與優(yōu)化架構(gòu)(右)的血糖儀對(duì)比，綠色部分可采用安森美半導(dǎo)體的器件

2) 用于助聽器的DSP系統(tǒng)方案

2012年全球預(yù)計(jì)銷售近1200萬(wàn)部助聽器，推動(dòng)力來(lái)自于人口老齡化、更長(zhǎng)預(yù)期壽命、更低出生率;新興市場(chǎng)(中國(guó)、印度、巴西及東歐)收入上升;過(guò)渡噪聲、糖尿病、耳毒性(某些處方藥副作用)等疾病所致的聽力減退病例蔓延。

關(guān)于中國(guó)聽力健康現(xiàn)狀的案例研究顯示，中國(guó)有超過(guò)1,000萬(wàn)成人患有聽力減退，聽力減退者中估計(jì)僅1%使用助聽器(歐洲為16%，美國(guó)為25%)。美國(guó)的研究顯示，由于受到過(guò)度噪音的影響，6至19歲兒童及青少年中有12.5%存在永久性聽力上損害，中國(guó)城市地區(qū)的研究顯示出類似結(jié)果。

助聽器主要分耳背式(Behind The Ear, BTE)和耳內(nèi)式(In the Ear, ITE)，適合不同年齡和不同需要的患者配戴。前者有傳統(tǒng)BTE，微型BTE和耳道內(nèi)置受話器(Receiver In Canal, RIC);而后者有全、3/4、半耳腔式ITE，耳道內(nèi)置，深耳道(Completely In the Canal, CIC)及耳道內(nèi)不可見(Invisible In Canal, IIC)等類型。其趨勢(shì)有三：其一是分立及“不可見”，更小巧的耳道內(nèi)置受話器(RIE)及新的耳道內(nèi)不可見(IIC)類型在美國(guó)“嬰兒潮”一代開始采用助聽器時(shí)更受歡迎;其二是無(wú)線通信及連接：當(dāng)前技術(shù)為2.4 GHz、900 MHz及帶藍(lán)牙繼電器的近場(chǎng)磁感應(yīng)(NFMI);其三是完全自動(dòng)化及“智能”，音量控制及信號(hào)處理自動(dòng)適配聲音環(huán)境，因而更有效，令用戶更方便。滿足這些趨勢(shì)分別需要轉(zhuǎn)移至65 nm或更小節(jié)點(diǎn)工藝及微型化封裝技術(shù);需要互操作性及先進(jìn)的封裝技術(shù);增加處理功率及算法復(fù)雜度。隨之而來(lái)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是功耗約1 V工作電壓時(shí)的電流消耗、多芯片及芯片面積要小于10mm2、采用混合信號(hào)技術(shù)。

從圖3中可以看到，綠色部分是安森美半導(dǎo)體提供的器件。其系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)簡(jiǎn)化了微型助聽器的組裝過(guò)程，適合所有助聽器類型助聽器。

圖3：助聽器框圖

安森美半導(dǎo)體為無(wú)線助聽器應(yīng)用提供預(yù)配置的DSP系統(tǒng)，包括Ayre SA3291混合模塊及AYRE中轉(zhuǎn)器參考設(shè)計(jì)等。這些預(yù)配置DSP系統(tǒng)提供多種混合選擇及功能包，支持所有助聽器產(chǎn)品類型，非常適合于要求極少編程配置、要求即可應(yīng)用的助聽器制造商。

其中，安森美半導(dǎo)體的Ayre SA3291混合模塊采用完整特性的助聽器算法套件、預(yù)配置聽覺(jué)處理器和NFMI高帶寬集成雙工無(wú)線電，天線是唯一需要的外部元器件，并可同步左耳及右耳參數(shù)。而安森美半導(dǎo)體的Ayre中轉(zhuǎn)器參考設(shè)計(jì)支持立體聲音頻流、持藍(lán)牙、音量控制和程序選擇。

安森美半導(dǎo)體的助聽器數(shù)字信號(hào)處理軟件具有幾個(gè)明顯的特性，如寬動(dòng)態(tài)范圍壓縮，可柔和放大聲音，且不會(huì)使增大的聲音令人不適，可針對(duì)個(gè)體的聽力減退情況提供個(gè)性化定制;反饋消除器可消除由反饋產(chǎn)生的部分助聽器輸出信號(hào)，并通過(guò)相位消除來(lái)自適應(yīng)地消除;自適應(yīng)方向可自動(dòng)適配極性模式，根據(jù)噪聲位置調(diào)節(jié);利用環(huán)境分類持續(xù)分析聲音環(huán)境，自動(dòng)調(diào)節(jié)助聽器將舒適度和可聽性提升至最高。

圖4：無(wú)線助聽器應(yīng)用示意圖

為方便工程師設(shè)計(jì)，安森美半導(dǎo)體還提供軟件開發(fā)工具(網(wǎng)上工具)，幫助選擇及配置算法，創(chuàng)建定制助聽器;對(duì)電聲特性建模、測(cè)試算法、微調(diào)等。如果客戶開發(fā)驗(yàn)配軟件，可提供接口通信庫(kù)文件;如果客戶沒(méi)有驗(yàn)配軟件，可提供驗(yàn)配軟件的定制化。硬件開發(fā)工具包括DSP編程器和開發(fā)板。

除了預(yù)配置DSP方案，安森美半導(dǎo)體還為助聽器應(yīng)用提供Ezairo? 5900系列開放可編程的DSP系統(tǒng)。此DSP系統(tǒng)提供可高度定制的混合功能配置選擇，非常適合于開發(fā)自有創(chuàng)新算法或應(yīng)用第三方供應(yīng)商提供的全定制算法的助聽器制造商。

結(jié)論

為滿足家庭保健及人們對(duì)健康、保健設(shè)備興趣增高的需求，安森美半導(dǎo)體針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)為醫(yī)療應(yīng)用提供了多種半導(dǎo)體解決方案，包括用于血糖儀等便攜感測(cè)設(shè)備的高性能、高精度、高可靠性的Q32M210 32位混合信號(hào)微控制器,用于助聽器的預(yù)配置DSP及公開可編程DSP系統(tǒng)，幫助中國(guó)醫(yī)療電子產(chǎn)品制造商開發(fā)創(chuàng)新的高精度、高可靠性及低能耗醫(yī)療設(shè)備。同時(shí)，安森美半導(dǎo)體還提供配套軟、硬件開發(fā)工具，協(xié)助客戶實(shí)現(xiàn)芯片產(chǎn)品以外2次性開發(fā)，還有應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)為客戶體供現(xiàn)場(chǎng)支持，幫助他們縮短設(shè)計(jì)周期，加快產(chǎn)品上市。