安森美半導體配合中國消費類醫(yī)療市場趨勢的半導體方案應用案例研究

近年來，中國人口老齡化問題加劇，人們的預期壽命更長。根據(jù)聯(lián)合國等機構的數(shù)據(jù)，中國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24.4%。同時，心臟病、糖尿病、哮喘乃至聽力障礙等發(fā)病率增高。這使人們更加注重醫(yī)療保健問題，為消費類醫(yī)療市場帶來更大發(fā)展動力。同時，中國政府計劃到2020年實現(xiàn)全民醫(yī)保，有利于推動醫(yī)療設備行業(yè)持續(xù)發(fā)展。

在這種背景下，消費類醫(yī)療設備趨向增加“智能”及數(shù)據(jù)存儲能力，便攜性也更強，同時無線/連接型醫(yī)療設備也有利于實現(xiàn)方便的長期病人監(jiān)測，更不用提最新的人體區(qū)域網(wǎng)絡也在不斷興起。這使得應用于醫(yī)療市場的半導體產(chǎn)品趨向更高集成度、小型化、高能效、采用標準元器件及嵌入無線功能。

目前，中國醫(yī)療設備市場正持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，但市場分散，由少數(shù)大型醫(yī)療設備公司主導，同時也有為數(shù)眾多的較小型公司開發(fā)創(chuàng)新的醫(yī)療方案。

安森美半導體為中國消費類醫(yī)療市場提供的價值及方案

安森美半導體為中國消費類醫(yī)療市場提供多種價值，使醫(yī)療技術開發(fā)人員能夠以高性能硅方案克服他們獨特的設計挑戰(zhàn)。首先，安森美半導體針對中國消費類醫(yī)療市場提供豐富的產(chǎn)品陣容，涵蓋助聽器數(shù)字信號處理器(DSP)系統(tǒng)、定制混合信號專用集成電路(ASIC)、分立元件，以及有助于實現(xiàn)系統(tǒng)微型化的先進混合工藝封裝。

其次，安森美半導體擁有豐富的醫(yī)療專知、技術和經(jīng)驗，包括30多年的定制硅芯片經(jīng)驗(含高可靠性的植體應用)、自1970年代初已服務助聽器行業(yè)、豐富的知識產(chǎn)權(IP)陣容、完全認證及強固的開發(fā)流程及技術精湛的系統(tǒng)架構師。

第三，安森美半導體提供醫(yī)療市場要求的品質、可靠性和承諾。安森美半導體提供長遠的工藝及產(chǎn)品，配合延長產(chǎn)品生命周期，還提供可追蹤能力及長期數(shù)據(jù)保留、批量驗收測試(LAT)、可靠性及失效分析實驗室、ISO 13485醫(yī)療系統(tǒng)品質認證。

圖1：安森美半導體的重點醫(yī)療應用及相關產(chǎn)品和服務。

安森美半導體的醫(yī)療應用方案主要涵蓋植體醫(yī)療設備(如神經(jīng)刺激器、除顫器及心臟起搏器)、聽力健康(助聽器、耳蝸植體)、臨床及指定設備(血糖監(jiān)測、透皮給藥、便攜式及定點護理(PoC)病人監(jiān)控)等，參見圖1。

安森美半導體消費類醫(yī)療應用案例研究

安森美半導體為消費類醫(yī)療應用提供豐富的產(chǎn)品陣容。下文將重點圍繞助聽器及醫(yī)療ASIC應用進行案例研究。

1) 助聽器案例研究

據(jù)統(tǒng)計，中國有超過1,000萬成年人患有聽力障礙，亟需使用助聽器來改善聽力體驗。助聽器主要包含耳背式(Behind-The-Ear, BTE)和耳內(nèi)式(In-The-Ear, ITE)。BTE助聽器又包含傳統(tǒng)BTE、微型BTE等不同類型，其中微型BTE又演進出了耳道內(nèi)置受話器(RIC)類型。

傳統(tǒng)BTE助聽器尺寸較大，外殼中內(nèi)置所有元件，采用定制及合身的耳模來確保提供可接受的聲音，但要求采用大電池來提供大功率，故會造成佩戴負擔。ITE助聽器的外殼比傳統(tǒng)BTE助聽器小，其中置有所有元件，但其電池尺寸較小，限制了輸出功率，且長時間佩戴會不舒服。相對而言，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。這種助聽器電池尺寸小，同時還能支持長使用時間；而且由于接近耳道，提供極佳聲音效果。

圖2：助聽器發(fā)展趨勢及安森美半導體用于微型BTE助聽器的Rhythm R3710 DSP系統(tǒng)

安森美半導體提供用于微型BTE助聽器的完整數(shù)字信號處理混合系統(tǒng)方案Rhythm R3710。這器件采用符合RoHS指令的業(yè)界最小系統(tǒng)級封裝(SiP)，尺寸僅為4.57 x 3.12 x 1.52 mm，較傳統(tǒng)混合模塊小25%。 這混合系統(tǒng)封裝內(nèi)包括處理語音算法的數(shù)字信號處理器(DSP)、EEPROM、模擬前端、射頻芯片及無源元件，還可根據(jù)要求集成其它IC(見圖3)。集成的24位DSP提供高于50 MIPS的運算能力，1.2 V工作時電流消耗低于700 μA。這SiP適合包括微型BTE助聽器在內(nèi)的所有類型助聽器，能幫助克服助聽器組裝方面的主要電聲挑戰(zhàn)。

Rhythm R3710除了提供超小尺寸、高集成度和先進的語音處理，其它關鍵特性或優(yōu)勢包括：集成iSenseDetect環(huán)境分類算法(根據(jù)環(huán)境自動調節(jié)助聽器，不需要存儲器選擇開關)、超低能耗(1枚10號電池正常情況下使用10天)、自適應降噪(提升嘈雜環(huán)境下的語音清晰度)、16頻帶音調均衡(靈活調節(jié)頻率響應，優(yōu)化聲音品質)、8通道壓縮器、自適應反饋消除(提升適配速度)等。安森美半導體還提供全套軟件支援，ARK軟件易于集成到現(xiàn)有驗配軟件中。

圖3： 安森美半導體業(yè)界最小混合系統(tǒng)封裝(SiP)集成了DSP裸片、EEPROM等眾多元件。

安森美半導體為助聽器應用提供寬廣陣容的DSP系統(tǒng)方案，涵蓋兩種類型，以配合客戶的不同應用需求。一為預配置型，預配置了安森美半導體的音頻處理算法，相關產(chǎn)品除了Rhythm R3710，還包括Ayre SA3291、Rhythm R3910、Rhythm SB3229、Rhythm SB3231、CONSOLIDAT GA3227及FOUNDATION GA3216等；一為公開可編程型，能讓用戶使用自有的音頻處理算法，產(chǎn)品包括EZAIRO 5900系列。

2) 定制醫(yī)療ASIC案例研究

多種因素導致醫(yī)療設備需要定制ASIC而非標準分立元件方案。首先是低能耗。電池供電的醫(yī)療設備要求更長的使用時間。采用標準分立元件可能消耗太大電流，無法提供令人滿意的產(chǎn)品使用時間。相比較而言，ASIC方案提供低能耗優(yōu)勢。其次是小尺寸。醫(yī)療設備通常要求小巧，以提供離散性和舒適度。使用標準元件可能令外形因數(shù)過大，而ASIC方案以高集成度提供小尺寸優(yōu)勢。

其三為高壓。醫(yī)療應用的傳感器可能要求高壓偏置，同時產(chǎn)生極低電平的信號。使用分立元件來處理高壓及低壓時，傳感器接口電路通常太復雜且太大；而ASIC方案能集成高壓及低壓電路。四為低噪聲。醫(yī)療應用的專用人體傳感器捕獲到的信號極為微弱，應當提供低噪聲環(huán)境。使用標準分立元件時，漏電流或其它不想要的電流將壓過傳感器產(chǎn)生的信號；而ASIC方案提供高度的信號通道隔離及低噪聲。其五，長產(chǎn)品生命周期。醫(yī)療設備的產(chǎn)品生命周期可能超過10年，許多標準元件在醫(yī)療設備生產(chǎn)行結束前已被淘汰，而像安森美半導體這樣的聲譽好的ASIC供應商能夠配合長醫(yī)療產(chǎn)品生命周期。其六，低物料單(BOM)成本。采用分立元件設計的系統(tǒng)如果元件數(shù)量太多，則成本會高；ASIC提供集成方案，降低系統(tǒng)成本。

以連續(xù)血糖監(jiān)測(CGM)應用為例，許多糖尿病患者使用CGM來連續(xù)監(jiān)測血糖水平。在這種應用中，傳感器產(chǎn)生的信號為pA級。由于漏電流的緣故，使用分立方案可能無法采集到傳感器產(chǎn)生的信號。這種應用要求大于2 kV的ESD保護，且無漏電流影響，而使用標準ESD保護機制無法實現(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，這類應用要求電池最少能用6個月，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，這類應用需要定制ASIC。安森美半導體提供的CGM傳感器接口ASIC提供多重優(yōu)勢，滿足應用要求。例如，這ASIC的專有模擬/數(shù)字轉換方案能夠捕獲pA級電流，同時工作能耗極低。它還應用專有的低漏電流半導體工藝(C3)，使用低漏電流的ESD保護焊盤，ASIC尺寸小于5 mm2，不影響總體產(chǎn)品尺寸。它的能耗也極低，平均電流消耗低于3 μA。

圖4：安森美半導體應用專有半導體工藝及創(chuàng)新IP設計克服血糖傳感器接口挑戰(zhàn)。

這醫(yī)療定制ASIC僅是安森美半導體豐富醫(yī)療定制ASIC陣容的其中一例。安森美半導體當前除了提供CGM應用的ASIC，還提供用于血氣分析儀、心電圖(ECG)病人監(jiān)測系統(tǒng)、關鍵指標監(jiān)測、心率監(jiān)測儀、脈搏血氧儀及自動體外除顫儀(AED)等應用的定制ASIC。這類醫(yī)療應用的客戶面臨多種挑戰(zhàn)，如需要更低功率及更小尺寸，要求用于專有傳感器的接口，但專有傳感器的接口需求通常不能以標準元件來滿足。安森美半導體則提供尺寸、功率及成本均令客戶滿意的定制ASIC方案，還提供標準ARM內(nèi)核，且提供模塊化服務及完整方案。

圖5：安森美半導體具有豐富的高性能、低能耗ASIC IP陣容。

安森美半導體擁有三十多年的醫(yī)療應用復雜ASIC設計及制造經(jīng)驗、專知和技術，跟客戶的ASIC合作模式主要包括概念定義、產(chǎn)品規(guī)劃、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品合格驗證及產(chǎn)品發(fā)布等主要ASIC開發(fā)流程。在中國，安森美半導體也已積累了成功的醫(yī)療ASIC案例，其中包括為邁瑞開發(fā)定制ASIC，用于多種病人監(jiān)測設備，如多通道心電圖儀、心率及呼吸監(jiān)視儀、血氧飽和度(SpO2)儀等。邁瑞后續(xù)還將發(fā)布更多采用這ASIC的產(chǎn)品。

總結：
中國消費類醫(yī)療設備市場正持續(xù)穩(wěn)步發(fā)展，醫(yī)療設備制造商需要高性能、高能效、低能耗、小尺寸及長生命周期的半導體方案來幫助他們開發(fā)創(chuàng)新的產(chǎn)品，滿足用戶日漸增長的需求。安森美半導體為中國消費類醫(yī)療設備市場提供多種價值，包括涵蓋助聽器數(shù)字信號處理器(DSP)系統(tǒng)、定制混合信號專用集成電路(ASIC)、分立元件以及有助于實現(xiàn)系統(tǒng)微型化之先進封裝的豐富產(chǎn)品陣容，豐富的醫(yī)療專知、技術和經(jīng)驗，以及滿足醫(yī)療市場嚴格要求的品質、可靠性和承諾。本文還以助聽器DSP及定制醫(yī)療ASIC為例，分析這些產(chǎn)品的獨特優(yōu)勢及其能為客戶提供的獨特價值，幫助客戶開發(fā)創(chuàng)新的醫(yī)療產(chǎn)品。

供稿：安森美半導體

參考資料：
1.安森美半導體聽力DSP系統(tǒng)系列www.onsemi.cn/PowerSolutions/parametrics.do?id=101769
2.Rhythm R3710 DSP混合系統(tǒng)數(shù)據(jù)表
www.onsemi.cn/pub/Collateral/R3710-D.PDF
3.安森美半導體醫(yī)療方案小冊子
www.onsemi.cn/pub/Collateral/BRD8081-D.PDF