用于中國消費類醫(yī)療設備的先進半導體方案

近年來，醫(yī)療半導體市場已經成為增長最迅速的半導體市場領域之一。根據市場研究機構Databeans 2010年關于醫(yī)療半導體的預計，2010年至2015年間的年復合增長率(CAGR)將達9.4%。這其中，由于家庭保健趨勢及人們對健康、保健設備興趣增加，消費者健康醫(yī)療分類市場開始以較快的速度增長。作為應用于高能效電子產品的首要高性能硅方案供貨商，安森美半導體提供寬廣陣容的醫(yī)療應用產品，幫助創(chuàng)新型醫(yī)療電子產品實現(xiàn)更高的集成度、小型化、高能效、易用性、便攜性和耐久性，配合中國醫(yī)療設備趨勢的發(fā)展。

中國醫(yī)療設備及醫(yī)療半導體趨勢

多種因素將綜合推動中國醫(yī)療設備市場增長：首先是人口老齡化，到2030年，中國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年更估計增加到33.9%;而且人們的預期壽命將更長，心臟病、糖尿病、哮喘的發(fā)病率增高;還有中產階級群體擴大，以及醫(yī)療支出增多、健康保險改革等等。

而從醫(yī)療設備來看，中國本土的醫(yī)療設備研發(fā)增多，且本土制造商極力提供成本低于外國競爭者的產品。面向中國市場的醫(yī)療設備也在不斷追求提高可靠性、準確度和精密度、易用性及便攜性。相應地，用于醫(yī)療設備的醫(yī)療半導體正走向更高集成度、小型化、高能效，也使消費類健康設備轉向采用標準元器件。

安森美半導體用于消費者健康醫(yī)療設備的半導體方案

半導體技術在醫(yī)療設備創(chuàng)新領域發(fā)揮重要作用。安森美半導體擁有深刻理解醫(yī)療市場質量、可靠性及長久性要求的資深工程團隊，并具有全球制造及物流能力，以高性能的硅方案幫助醫(yī)療設備開發(fā)人員解決他們獨特的設計挑戰(zhàn)。

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

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

關于中國糖尿病現(xiàn)狀的案例研究表明，由于生活方式及飲食結構變化、西式飲食模式影響、缺少運動，以及農業(yè)國家轉向工業(yè)化國家的進程、更多寫字樓工作崗位等，也使中國的糖尿病呈上升趨勢。更多人需要用血糖儀自己進行監(jiān)測，以便作變化趨勢分析及與醫(yī)生溝通，推動了血糖儀(BGM)的使用和銷售。

安森美半導體提供應用于血糖儀等便攜檢測設備的精密混合信號微控制器(MCU) Q32M210。這個器件是專為高精度設計的模擬前端，其關鍵優(yōu)勢是采用16位低噪聲模數(shù)轉換器(ADC)、業(yè)界標準ARM? Cortex?-M3處理器;低泄漏電流及低動態(tài)功率可實現(xiàn)超低能耗工作(待機電流 26 μA，休眠電流 ~750 nA)，延長電池使用時間;關鍵板載功能包括存儲器、集成帶錯誤校正控制(ECC)功能的閃存以確保閃存的高可靠性、和片上USB支持，經過優(yōu)化的高集成度可降低物料單(BOM)開銷;可配置前端，OEM可將其用于多種產品，包括血糖儀、心率監(jiān)測儀和健康監(jiān)測設備等。

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

Q32M210采用更精密的血糖等級計算，除了延長電池使用時間，在需要換電池之前進行更多的血糖測試，還可降低系統(tǒng)復雜度，減小外部元器件需求，支持更小外形因數(shù)的PCB設計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。

在產品開發(fā)方面，Q32M210具有很好的靈活性，可通過軟件配置的模擬前端及數(shù)模轉換器(DAC)實現(xiàn)可編程增益放大器、可配置采樣率，還有三個10位DAC及集成低導通阻抗開關。該器件可以定制，不需要新的外部電路來匹配新的試紙類型，兼容寬范圍傳感器類型?，F(xiàn)有Cortex-M3應用可以輕易移植到Q32M210，簡化了軟件開發(fā)。易于集成、標準化及連接也充分體現(xiàn)了設計靈活性;開發(fā)支持包括評估及開發(fā)套件(EDK)、固件庫、代碼范例。

從Q32M210應用示例可以看出，傳統(tǒng)架構血糖儀雖精確、簡單，但不靈活，總體半導體BOM成本約為5.75美元(以批量500萬片計，下同);而優(yōu)化架構的血糖儀具有極精確和強固特性，還可重新配置(支持先進的指示器開發(fā))，總體半導體BOM成本約為4.50美元。

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

2) 用于助聽器的DSP系統(tǒng)方案

2012年全球預計銷售近1200萬部助聽器，推動力來自于人口老齡化、更長預期壽命、更低出生率;新興市場(中國、印度、巴西及東歐)收入上升;過渡噪聲、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。

關于中國聽力健康現(xiàn)狀的案例研究顯示，中國有超過1,000萬成人患有聽力減退，聽力減退者中估計僅1%使用助聽器(歐洲為16%，美國為25%)。美國的研究顯示，由于受到過度噪音的影響，6至19歲兒童及青少年中有12.5%存在永久性聽力上損害，中國城市地區(qū)的研究顯示出類似結果。

助聽器主要分耳背式(Behind The Ear, BTE)和耳內式(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和耳道內置受話器(Receiver In Canal, RIC);而后者有全、3/4、半耳腔式ITE，耳道內置，深耳道(Completely In the Canal, CIC)及耳道內不可見(Invisible In Canal, IIC)等類型。其趨勢有三：其一是分立及“不可見”，更小巧的耳道內置受話器(RIE)及新的耳道內不可見(IIC)類型在美國“嬰兒潮”一代開始采用助聽器時更受歡迎;其二是無線通信及連接：當前技術為2.4 GHz、900 MHz及帶藍牙繼電器的近場磁感應(NFMI);其三是完全自動化及“智能”，音量控制及信號處理自動適配聲音環(huán)境，因而更有效，令用戶更方便。滿足這些趨勢分別需要轉移至65 nm或更小節(jié)點工藝及微型化封裝技術;需要互操作性及先進的封裝技術;增加處理功率及算法復雜度。隨之而來的設計挑戰(zhàn)是功耗約1 V工作電壓時的電流消耗、多芯片及芯片面積要小于10mm2、采用混合信號技術。

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

圖3：助聽器框圖

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

其中，安森美半導體的Ayre SA3291混合模塊采用完整特性的助聽器算法套件、預配置聽覺處理器和NFMI高帶寬集成雙工無線電，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)。而安森美半導體的Ayre中轉器參考設計支持立體聲音頻流、持藍牙、音量控制和程序選擇。

安森美半導體的助聽器數(shù)字信號處理軟件具有幾個明顯的特性，如寬動態(tài)范圍壓縮，可柔和放大聲音，且不會使增大的聲音令人不適，可針對個體的聽力減退情況提供個性化定制;反饋消除器可消除由反饋產生的部分助聽器輸出信號，并通過相位消除來自適應地消除;自適應方向可自動適配極性模式，根據噪聲位置調節(jié);利用環(huán)境分類持續(xù)分析聲音環(huán)境，自動調節(jié)助聽器將舒適度和可聽性提升至最高。

圖4：無線助聽器應用示意圖

為方便工程師設計，安森美半導體還提供軟件開發(fā)工具(網上工具)，幫助選擇及配置算法，創(chuàng)建定制助聽器;對電聲特性建模、測試算法、微調等。如果客戶開發(fā)驗配軟件，可提供接口通信庫文件;如果客戶沒有驗配軟件，可提供驗配軟件的定制化。硬件開發(fā)工具包括DSP編程器和開發(fā)板。

除了預配置DSP方案，安森美半導體還為助聽器應用提供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)新算法或應用第三方供應商提供的全定制算法的助聽器制造商。

結論

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