安森美針對中國消費類(lèi)醫療的方案應用案例研究

近年來(lái)，中國人口老齡化問(wèn)題加劇，人們的預期壽命更長(cháng)。根據聯(lián)合國等機構的數據，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(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療保健問(wèn)題，為消費類(lèi)醫療市場(chǎng)帶來(lái)更大發(fā)展動(dòng)力。同時(shí)，中國政府計劃到2020年實(shí)現全民醫保，有利于推動(dòng)醫療設備行業(yè)持續發(fā)展。

在這種背景下，消費類(lèi)醫療設備趨向增加“智能”及數據存儲能力，便攜性也更強，同時(shí)無(wú)線(xiàn)/連接型醫療設備也有利于實(shí)現方便的長(cháng)期病人監測，更不用提最新的人體區域網(wǎng)絡(luò )也在不斷興起。這使得應用于醫療市場(chǎng)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(wú)線(xiàn)功能。

目前，中國醫療設備市場(chǎng)正持續穩步發(fā)展，但市場(chǎng)分散，由少數大型醫療設備公司主導，同時(shí)也有為數眾多的較小型公司開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的醫療方案。

安森美半導體為中國消費類(lèi)醫療市場(chǎng)提供的價(jià)值及方案
安森美半導體為中國消費類(lèi)醫療市場(chǎng)提供多種價(jià)值，使醫療技術(shù)開(kāi)發(fā)人員能夠以高性能硅方案克服他們獨特的設計挑戰。首先，安森美半導體針對中國消費類(lèi)醫療市場(chǎng)提供豐富的產(chǎn)品陣容，涵蓋助聽(tīng)器數字信號處理器(DSP)系統、定制混合信號專(zhuān)用集成電路(ASIC)、分立元件，以及有助于實(shí)現系統微型化的先進(jìn)混合工藝封裝。

其次，安森美半導體擁有豐富的醫療專(zhuān)知、技術(shù)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(wù)助聽(tīng)器行業(yè)、豐富的知識產(chǎn)權(IP)陣容、完全認證及強固的開(kāi)發(fā)流程及技術(shù)精湛的系統架構師。

第三，安森美半導體提供醫療市場(chǎng)要求的品質(zhì)、可靠性和承諾。安森美半導體提供長(cháng)遠的工藝及產(chǎn)品，配合延長(cháng)產(chǎn)品生命周期，還提供可追蹤能力及長(cháng)期數據保留、批量驗收測試(LAT)、可靠性及失效分析實(shí)驗室、ISO 13485醫療系統品質(zhì)認證。

圖1：安森美半導體的重點(diǎn)醫療應用及相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)。

安森美半導體的醫療應用方案主要涵蓋植體醫療設備(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)、臨床及指定設備(血糖監測、透皮給藥、便攜式及定點(diǎn)護理(PoC)病人監控)等，參見(jiàn)圖1。

安森美半導體消費類(lèi)醫療應用案例研究
安森美半導體為消費類(lèi)醫療應用提供豐富的產(chǎn)品陣容。下文將重點(diǎn)圍繞助聽(tīng)器及醫療ASIC應用進(jìn)行案例研究。

1) 助聽(tīng)器案例研究
據統計，中國有超過(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。助聽(tīng)器主要包含耳背式(Behind-The-Ear, BTE)和耳內式(In-The-Ear, ITE)。BTE助聽(tīng)器又包含傳統BTE、微型BTE等不同類(lèi)型，其中微型BTE又演進(jìn)出了耳道內置受話(huà)器(RIC)類(lèi)型。

傳統BTE助聽(tīng)器尺寸較大，外殼中內置所有元件，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 )造成佩戴負擔。ITE助聽(tīng)器的外殼比傳統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(cháng)時(shí)間佩戴會(huì )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(tīng)器電池尺寸小，同時(shí)還能支持長(cháng)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)展趨勢及安森美半導體用于微型BTE助聽(tīng)器的Rhythm R3710 DSP系統

安森美半導體提供用于微型BTE助聽(tīng)器的完整數字信號處理混合系統方案Rhythm R3710。這器件采用符合RoHS指令的業(yè)界最小系統級封裝(SiP)，尺寸僅為4.57 x 3.12 x 1.52 mm，較傳統混合模塊小25%。 這混合系統封裝內包括處理語(yǔ)音算法的數字信號處理器(DSP)、EEPROM、模擬前端、射頻芯片及無(wú)源元件，還可根據要求集成其它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)器在內的所有類(lèi)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。

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)勢包括：集成iSenseDetect環(huán)境分類(lèi)算法(根據環(huán)境自動(dòng)調節助聽(tīng)器，不需要存儲器選擇開(kāi)關(guān))、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(yǔ)音清晰度)、16頻帶音調均衡(靈活調節頻率響應，優(yōu)化聲音品質(zhì))、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軟件易于集成到現有驗配軟件中。

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

安森美半導體為助聽(tīng)器應用提供寬廣陣容的DSP系統方案，涵蓋兩種類(lèi)型，以配合客戶(hù)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(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(hù)使用自有的音頻處理算法，產(chǎn)品包括EZAIRO 5900系列。

2) 定制醫療ASIC案例研究
多種因素導致醫療設備需要定制ASIC而非標準分立元件方案。首先是低能耗。電池供電的醫療設備要求更長(cháng)的使用時(shí)間。采用標準分立元件可能消耗太大電流，無(wú)法提供令人滿(mǎn)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。其次是小尺寸。醫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過(guò)大，而ASIC方案以高集成度提供小尺寸優(yōu)勢。

其三為高壓。醫療應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。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雜且太大；而ASIC方案能集成高壓及低壓電路。四為低噪聲。醫療應用的專(zhuān)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(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；而ASIC方案提供高度的信號通道隔離及低噪聲。其五，長(cháng)產(chǎn)品生命周期。醫療設備的產(chǎn)品生命周期可能超過(guò)10年，許多標準元件在醫療設備生產(chǎn)行結束前已被淘汰，而像安森美半導體這樣的聲譽(yù)好的ASIC供應商能夠配合長(cháng)醫療產(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如果元件數量太多，則成本會(huì )高；ASIC提供集成方案，降低系統成本。
以連續血糖監測(CGM)應用為例，許多糖尿病患者使用CGM來(lái)連續監測血糖水平。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(wú)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(wú)漏電流影響，而使用標準ESD保護機制無(wú)法實(shí)現。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(lèi)應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(lèi)應用需要定制ASIC。安森美半導體提供的CGM傳感器接口A(yíng)SIC提供多重優(yōu)勢，滿(mǎn)足應用要求。例如，這ASIC的專(zhuān)有模擬/數字轉換方案能夠捕獲pA級電流，同時(shí)工作能耗極低。它還應用專(zhuān)有的低漏電流半導體工藝(C3)，使用低漏電流的ESD保護焊盤(pán)，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3μA。

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

這醫療定制ASIC僅是安森美半導體豐富醫療定制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)病人監測系統、關(guān)鍵指標監測、心率監測儀、脈搏血氧儀及自動(dòng)體外除顫儀(AED)等應用的定制ASIC。這類(lèi)醫療應用的客戶(hù)面臨多種挑戰，如需要更低功率及更小尺寸，要求用于專(zhuān)有傳感器的接口，但專(zhuān)有傳感器的接口需求通常不能以標準元件來(lái)滿(mǎn)足。安森美半導體則提供尺寸、功率及成本均令客戶(hù)滿(mǎn)意的定制ASIC方案，還提供標準ARM內核，且提供模塊化服務(wù)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療應用復雜ASIC設計及制造經(jīng)驗、專(zhuān)知和技術(shù)，跟客戶(hù)的ASIC合作模式主要包括概念定義、產(chǎn)品規劃、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品合格驗證及產(chǎn)品發(fā)布等主要ASIC開(kāi)發(fā)流程。在中國，安森美半導體也已積累了成功的醫療ASIC案例，其中包括為邁瑞開(kāi)發(fā)定制ASIC，用于多種病人監測設備，如多通道心電圖儀、心率及呼吸監視儀、血氧飽和度(SpO2)儀等。邁瑞后續還將發(fā)布更多采用這ASIC的產(chǎn)品。

總結：
中國消費類(lèi)醫療設備市場(chǎng)正持續穩步發(fā)展，醫療設備制造商需要高性能、高能效、低能耗、小尺寸及長(cháng)生命周期的半導體方案來(lái)幫助他們開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的產(chǎn)品，滿(mǎn)足用戶(hù)日漸增長(cháng)的需求。安森美半導體為中國消費類(lèi)醫療設備市場(chǎng)提供多種價(jià)值，包括涵蓋助聽(tīng)器數字信號處理器(DSP)系統、定制混合信號專(zhuān)用集成電路(ASIC)、分立元件以及有助于實(shí)現系統微型化之先進(jìn)封裝的豐富產(chǎn)品陣容，豐富的醫療專(zhuān)知、技術(shù)和經(jīng)驗，以及滿(mǎn)足醫療市場(chǎng)嚴格要求的品質(zhì)、可靠性和承諾。本文還以助聽(tīng)器DSP及定制醫療ASIC為例，分析這些產(chǎn)品的獨特優(yōu)勢及其能為客戶(hù)提供的獨特價(jià)值，幫助客戶(hù)開(kāi)發(fā)創(chuàng )新的醫療產(chǎn)品。