安森美半導(dǎo)體配合中國(guó)消費(fèi)類醫(yī)療市場(chǎng)趨勢(shì)的半導(dǎo)體方案應(yīng)用案例研究

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。

安森美半導(dǎo)體為中國(guó)消費(fèi)類醫(yī)療市場(chǎng)提供的價(jià)值及方案

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)。首先，安森美半導(dǎo)體針對(duì)中國(guó)消費(fèi)類醫(yī)療市場(chǎng)提供豐富的產(chǎn)品陣容，涵蓋助聽(tīng)器數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)系統(tǒng)、定制混合信號(hào)專用集成電路(ASIC)、分立元件，以及有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化的先進(jìn)混合工藝封裝。

其次，安森美半導(dǎo)體擁有豐富的醫(yī)療專知、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，包括30多年的定制硅芯片經(jīng)驗(yàn)(含高可靠性的植體應(yīng)用)、自1970年代初已服務(wù)助聽(tīng)器行業(yè)、豐富的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)陣容、完全認(rèn)證及強(qiáng)固的開(kāi)發(fā)流程及技術(shù)精湛的系統(tǒng)架構(gòu)師。

第三，安森美半導(dǎo)體提供醫(yī)療市場(chǎng)要求的品質(zhì)、可靠性和承諾。安森美半導(dǎo)體提供長(zhǎng)遠(yuǎn)的工藝及產(chǎn)品，配合延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期，還提供可追蹤能力及長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保留、批量驗(yàn)收測(cè)試(LAT)、可靠性及失效分析實(shí)驗(yàn)室、ISO 13485醫(yī)療系統(tǒng)品質(zhì)認(rèn)證。

圖1：安森美半導(dǎo)體的重點(diǎn)醫(yī)療應(yīng)用及相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)。

安森美半導(dǎo)體的醫(yī)療應(yīng)用方案主要涵蓋植體醫(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，參見(jiàn)圖1。

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)體為消費(fèi)類醫(yī)療應(yīng)用提供豐富的產(chǎn)品陣容。下文將重點(diǎn)圍繞助聽(tīng)器及醫(yī)療ASIC應(yīng)用進(jìn)行案例研究。

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2：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指令的業(yè)界最小系統(tǒng)級(jí)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(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3)。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除了提供超小尺寸、高集成度和先進(jìn)的語(yǔ)音處理，其它關(guān)鍵特性或優(yōu)勢(shì)包括：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))、超低能耗(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(靈活調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)，優(yōu)化聲音品質(zhì))、8通道壓縮器、自適應(yīng)反饋消除(提升適配速度)等。安森美半導(dǎo)體還提供全套軟件支援，ARK軟件易于集成到現(xiàn)有驗(yàn)配軟件中。

圖3： 安森美半導(dǎo)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(dǎo)體為助聽(tīng)器應(yīng)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(yīng)用需求。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，相關(guān)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(kāi)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(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。

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，這ASIC的專有模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換方案能夠捕獲pA級(jí)電流，同時(shí)工作能耗極低。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。它的能耗也極低，平均電流消耗低于3 μA。

圖4：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)。

這醫(yī)療定制ASIC僅是安森美半導(dǎo)體豐富醫(yī)療定制ASIC陣容的其中一例。安森美半導(dǎo)體當(dāng)前除了提供CGM應(yīng)用的ASIC，還提供用于血?dú)夥治鰞x、心電圖(ECG)病人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)測(cè)、心率監(jiān)測(cè)儀、脈搏血氧儀及自動(dòng)體外除顫儀(AED)等應(yīng)用的定制ASIC。這類醫(yī)療應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)元件來(lái)滿足。安森美半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)ARM內(nèi)核，且提供模塊化服務(wù)及完整方案。

圖5：安森美半導(dǎo)體具有豐富的高性能、低能耗ASIC IP陣容。

安森美半導(dǎo)體擁有三十多年的醫(yī)療應(yīng)用復(fù)雜ASIC設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn)、專知和技術(shù)，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(kāi)發(fā)、產(chǎn)品合格驗(yàn)證及產(chǎn)品發(fā)布等主要ASIC開(kāi)發(fā)流程。在中國(guó)，安森美半導(dǎo)體也已積累了成功的醫(yī)療ASIC案例，其中包括為邁瑞開(kāi)發(fā)定制ASIC，用于多種病人監(jiān)測(cè)設(shè)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(jié)：
中國(guó)消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)正持續(xù)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。安森美半導(dǎo)體為中國(guó)消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)提供多種價(jià)值，包括涵蓋助聽(tīng)器數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)系統(tǒng)、定制混合信號(hào)專用集成電路(ASIC)、分立元件以及有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化之先進(jìn)封裝的豐富產(chǎn)品陣容，豐富的醫(yī)療專知、技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，以及滿足醫(yī)療市場(chǎng)嚴(yán)格要求的品質(zhì)、可靠性和承諾。本文還以助聽(tīng)器DSP及定制醫(yī)療ASIC為例，分析這些產(chǎn)品的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)及其能為客戶提供的獨(dú)特價(jià)值，幫助客戶開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的醫(yī)療產(chǎn)品。

供稿：安森美半導(dǎo)體

參考資料：
1.安森美半導(dǎo)體聽(tīng)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(dǎo)體醫(yī)療方案小冊(cè)子
www.onsemi.cn/pub/Collateral/BRD8081-D.PDF