用于中國消費類(lèi)醫療設備的先進(jìn)半導體方案

近年來(lái)，醫療半導體市場(chǎng)已經(jīng)成為增長(cháng)最迅速的半導體市場(chǎng)領(lǐng)域之一。根據市場(chǎng)研究機構Databeans 2010年關(guān)于醫療半導體的預計，2010年至2015年間的年復合增長(cháng)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，消費者健康醫療分類(lèi)市場(chǎng)開(kāi)始以較快的速度增長(cháng)。作為應用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供貨商，安森美半導體提供寬廣陣容的醫療應用產(chǎn)品，幫助創(chuàng )新型醫療電子產(chǎn)品實(shí)現更高的集成度、小型化、高能效、易用性、便攜性和耐久性，配合中國醫療設備趨勢的發(fā)展。

中國醫療設備及醫療半導體趨勢

多種因素將綜合推動(dòng)中國醫療設備市場(chǎng)增長(cháng)：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(cháng)，心臟病、糖尿病、哮喘的發(fā)病率增高;還有中產(chǎn)階級群體擴大，以及醫療支出增多、健康保險改革等等。

而從醫療設備來(lái)看，中國本土的醫療設備研發(fā)增多，且本土制造商極力提供成本低于外國競爭者的產(chǎn)品。面向中國市場(chǎng)的醫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，用于醫療設備的醫療半導體正走向更高集成度、小型化、高能效，也使消費類(lèi)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療設備的半導體方案

半導體技術(shù)在醫療設備創(chuàng )新領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。安森美半導體擁有深刻理解醫療市場(chǎng)質(zhì)量、可靠性及長(cháng)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療設備開(kāi)發(fā)人員解決他們獨特的設計挑戰。

安森美半導體的醫療半導體產(chǎn)品涵蓋植體及臨床保健、消費者健康和聽(tīng)力健康等關(guān)鍵醫療分類(lèi)市場(chǎng)。本文重點(diǎn)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療設備的Q32M210 32位混合信號MCU方案

關(guān)于中國糖尿病現狀的案例研究表明，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(dòng)，以及農業(yè)國家轉向工業(yè)化國家的進(jìn)程、更多寫(xiě)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(jìn)行監測，以便作變化趨勢分析及與醫生溝通，推動(dòng)了血糖儀(BGM)的使用和銷(xiāo)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(gè)器件是專(zhuān)為高精度設計的模擬前端，其關(guān)鍵優(yōu)勢是采用16位低噪聲模數轉換器(ADC)、業(yè)界標準ARM? Cortex?-M3處理器;低泄漏電流及低動(dòng)態(tài)功率可實(shí)現超低能耗工作(待機電流 26 μA，休眠電流 ~750 nA)，延長(cháng)電池使用時(shí)間;關(guān)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(jīng)過(guò)優(yōu)化的高集成度可降低物料單(BOM)開(kāi)銷(xiāo);可配置前端，OEM可將其用于多種產(chǎn)品，包括血糖儀、心率監測儀和健康監測設備等。

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(cháng)電池使用時(shí)間，在需要換電池之前進(jìn)行更多的血糖測試，還可降低系統復雜度，減小外部元器件需求，支持更小外形因數的PCB設計及尺寸更小的血糖儀，而減少外部元器件數量也降低了系統成本。

在產(chǎn)品開(kāi)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模轉換器(DAC)實(shí)現可編程增益放大器、可配置采樣率，還有三個(gè)10位DAC及集成低導通阻抗開(kāi)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(lèi)型，兼容寬范圍傳感器類(lèi)型?，F有Cortex-M3應用可以輕易移植到Q32M210，簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)。易于集成、標準化及連接也充分體現了設計靈活性;開(kāi)發(fā)支持包括評估及開(kāi)發(fā)套件(EDK)、固件庫、代碼范例。

從Q32M210應用示例可以看出，傳統架構血糖儀雖精確、簡(jiǎn)單，但不靈活，總體半導體BOM成本約為5.75美元(以批量500萬(wàn)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(jìn)的指示器開(kāi)發(fā))，總體半導體BOM成本約為4.50美元。

圖2：傳統架構(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(tīng)器的DSP系統方案

2012年全球預計銷(xiāo)售近1200萬(wàn)部助聽(tīng)器，推動(dòng)力來(lái)自于人口老齡化、更長(cháng)預期壽命、更低出生率;新興市場(chǎng)(中國、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(tīng)力減退病例蔓延。

關(guān)于中國聽(tīng)力健康現狀的案例研究顯示，中國有超過(guò)1,000萬(wàn)成人患有聽(tīng)力減退，聽(tīng)力減退者中估計僅1%使用助聽(tīng)器(歐洲為16%，美國為25%)。美國的研究顯示，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(tīng)力上損害，中國城市地區的研究顯示出類(lèi)似結果。

助聽(tīng)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BTE，微型BTE和耳道內置受話(huà)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(jiàn)(Invisible In Canal, IIC)等類(lèi)型。其趨勢有三：其一是分立及“不可見(jiàn)”，更小巧的耳道內置受話(huà)器(RIE)及新的耳道內不可見(jiàn)(IIC)類(lèi)型在美國“嬰兒潮”一代開(kāi)始采用助聽(tīng)器時(shí)更受歡迎;其二是無(wú)線(xiàn)通信及連接：當前技術(shù)為2.4 GHz、900 MHz及帶藍牙繼電器的近場(chǎng)磁感應(NFMI);其三是完全自動(dòng)化及“智能”，音量控制及信號處理自動(dòng)適配聲音環(huán)境，因而更有效，令用戶(hù)更方便。滿(mǎn)足這些趨勢分別需要轉移至65 nm或更小節點(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雜度。隨之而來(lái)的設計挑戰是功耗約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、采用混合信號技術(shù)。

從圖3中可以看到，綠色部分是安森美半導體提供的器件。其系統級封裝(SiP)簡(jiǎn)化了微型助聽(tīng)器的組裝過(guò)程，適合所有助聽(tīng)器類(lèi)型助聽(tīng)器。

圖3：助聽(tīng)器框圖

安森美半導體為無(wú)線(xiàn)助聽(tīng)器應用提供預配置的DSP系統，包括Ayre SA3291混合模塊及AYRE中轉器參考設計等。這些預配置DSP系統提供多種混合選擇及功能包，支持所有助聽(tīng)器產(chǎn)品類(lèi)型，非常適合于要求極少編程配置、要求即可應用的助聽(tīng)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(tīng)器算法套件、預配置聽(tīng)覺(jué)處理器和NFMI高帶寬集成雙工無(wú)線(xiàn)電，天線(xiàn)是唯一需要的外部元器件，并可同步左耳及右耳參數。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(tīng)器數字信號處理軟件具有幾個(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，可針對個(gè)體的聽(tīng)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(tīng)器輸出信號，并通過(guò)相位消除來(lái)自適應地消除;自適應方向可自動(dòng)適配極性模式，根據噪聲位置調節;利用環(huán)境分類(lèi)持續分析聲音環(huán)境，自動(dòng)調節助聽(tīng)器將舒適度和可聽(tīng)性提升至最高。

圖4：無(wú)線(xiàn)助聽(tīng)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(kāi)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(tīng)器;對電聲特性建模、測試算法、微調等。如果客戶(hù)開(kāi)發(fā)驗配軟件，可提供接口通信庫文件;如果客戶(hù)沒(méi)有驗配軟件，可提供驗配軟件的定制化。硬件開(kāi)發(fā)工具包括DSP編程器和開(kāi)發(fā)板。

除了預配置DSP方案，安森美半導體還為助聽(tīng)器應用提供Ezairo? 5900系列開(kāi)放可編程的DSP系統。此DSP系統提供可高度定制的混合功能配置選擇，非常適合于開(kāi)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(tīng)器制造商。

結論

為滿(mǎn)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(chǎng)為醫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(tīng)器的預配置DSP及公開(kāi)可編程DSP系統，幫助中國醫療電子產(chǎn)品制造商開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的高精度、高可靠性及低能耗醫療設備。同時(shí)，安森美半導體還提供配套軟、硬件開(kāi)發(fā)工具，協(xié)助客戶(hù)實(shí)現芯片產(chǎn)品以外2次性開(kāi)發(fā)，還有應用工程師團隊為客戶(hù)體供現場(chǎng)支持，幫助他們縮短設計周期，加快產(chǎn)品上市。