各大厂商齐发力 让医疗电子更加小型、智能化

近年来，中国人口老龄化问题加剧，人们的预期寿命更长。根据联合国等机构的数据，中国60岁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年将达24.4%。同时，心脏病、糖尿病、哮喘乃至听力障碍等发病率增高。这使人们更加注重医疗保健问题，为消费类医疗市场带来更大发展动力。同时，中国政府计划到2020年实现全民医保，有利于推动医疗设备行业持续发展。

在这种背景下，消费类医疗设备趋向增加“智能”及数据存储能力，便携性也更强，同时无线/连接型医疗设备也有利于实现方便的长期病人监测，更不用提最新的人体区域网络也在不断兴起。这使得应用于医疗市场的半导体产品趋向更高集成度、小型化、高能效、采用标准元器件及嵌入无线功能。

目前，中国医疗设备市场正持续稳步发展，但市场分散，由少数大型医疗设备公司主导，同时也有为数众多的较小型公司开发创新的医疗方案。在CMET 2013上，21ic记者也看到几大典型厂商在医疗领域的最新成果。

安森美半导体消费类医疗应用案例研究

安森美半导体为中国消费类医疗市场提供多种价值，使医疗技术开发人员能够以高性能硅方案克服他们独特的设计挑战。安森美半导体针提供的产品涵盖植体医疗设备(如神经刺激器、除颤器及心脏起搏器)、听力健康(助听器、耳蜗植体)、临床及指定设备(血糖监测、透皮给药、便携式及定点护理(PoC)病人监控)等。

安森美半导体消费者健康产品线高级经理Jakob Nielsen先生围绕助听器及医疗ASIC应用向记者介绍了几个案例。

1) 助听器案例研究

据统计，中国有超过1,000万成年人患有听力障碍，亟需使用助听器来改善听力体验。助听器主要包含耳背式(Behind-The-Ear, BTE)和耳内式(In-The-Ear, ITE)。BTE助听器又包含传统BTE、微型BTE等不同类型，其中微型BTE又演进出了耳道内置受话器(RIC)类型。

传统BTE助听器尺寸较大，外壳中内置所有元件，采用定制及合身的耳模来确保提供可接受的声音，但要求采用大电池来提供大功率，故会造成佩戴负担。ITE助听器的外壳比传统BTE助听器小，其中置有所有元件，但其电池尺寸较小，限制了输出功率，且长时间佩戴会不舒服。相对而言，微型BTE外壳小巧雅致，能隐藏在耳后，而接收器恰好置于耳道中。这种助听器电池尺寸小，同时还能支持长使用时间;而且由于接近耳道，提供极佳声音效果。

图：助听器发展趋势及安森美半导体用于微型BTE助听器的Rhythm R3710 DSP系统

安森美半导体提供用于微型BTE助听器的完整数字信号处理混合系统方案Rhythm R3710。这器件采用符合RoHS指令的系统级封装(SiP)，尺寸为4.57 x 3.12 x 1.52 mm，较传统混合模块小25%。 其混合系统封装内包括处理语音算法的数字信号处理器(DSP)、EEPROM、模拟前端、射频芯片及无源元件，还可根据要求集成其它IC(见图)。集成的24位DSP提供高于50 MIPS的运算能力，1.2 V工作时电流消耗低于700 μA。这SiP适合包括微型BTE助听器在内的所有类型助听器，能帮助克服助听器组装方面的主要电声挑战。

Rhythm R3710除了提供小尺寸、高集成度和先进的语音处理，它还集成iSenseDetect环境分类算法(根据环境自动调节助听器，不需要存储器选择开关)、低能耗(1枚10号电池正常情况下使用10天)、自适应降噪(提升嘈杂环境下的语音清晰度)、16频带音调均衡、8通道压缩器、自适应反馈消除(提升适配速度)等。

图： 安森美半导体混合系统封装(SiP)集成DSP裸片、EEPROM等元件。

安森美半导体为助听器应用提供的DSP系统方案涵盖两种类型。一为预配置型，预配置了安森美半导体的音频处理算法;另一种为公开可编程型，能让用户使用自有的音频处理算法。

2) 定制医疗ASIC案例研究

多种因素导致医疗设备需要定制ASIC而非标准分立元件方案。首先是低能耗。电池供电的医疗设备要求更长的使用时间。采用标准分立元件可能消耗太大电流，无法提供令人满意的产品使用时间。相比较而言，ASIC方案提供低能耗优势。

其次是小尺寸。医疗设备通常要求小巧，以提供离散性和舒适度。使用标准元件可能令外形因数过大，而ASIC方案以高集成度提供小尺寸优势。

其三为高压。医疗应用的传感器可能要求高压偏置，同时产生极低电平的信号。使用分立元件来处理高压及低压时，传感器接口电路通常太复杂且太大;而ASIC方案能集成高压及低压电路。

四为低噪声。医疗应用的专用人体传感器捕获到的信号极为微弱，应当提供低噪声环境。使用标准分立元件时，漏电流或其它不想要的电流将压过传感器产生的信号;而ASIC方案提供高度的信号通道隔离及低噪声。

其五，长产品生命周期。医疗设备的产品生命周期可能超过10年，许多标准元件在医疗设备生产行结束前已被淘汰，而像安森美半导体这样的声誉好的ASIC供应商能够配合长医疗产品生命周期。其六，低物料单(BOM)成本。采用分立元件设计的系统如果元件数量太多，则成本会高;ASIC提供集成方案，降低系统成本。

而ASIC相比较于FPGA也有更多优势。首先，FPGA只提供数字解决方案，而ASIC能数字和模拟解决方案兼备;其次，FPGA功耗较ASIC高出很多;此外，ASIC小型化、低功耗、低成本。

以连续血糖监测(CGM)应用为例，许多糖尿病患者使用CGM来连续监测血糖水平。在这种应用中，传感器产生的信号为pA级。由于漏电流的缘故，使用分立方案可能无法采集到传感器产生的信号。这种应用要求大于2 kV的ESD保护，且无漏电流影响，而使用标准ESD保护机制无法实现。此外，传感器尺寸必须极小，而分立方案可能尺寸太大。不仅如此，这类应用要求电池最少能用6个月，而分立方案的电流消耗可能太大，缩短产品生命周期。

因此，这类应用需要定制ASIC。安森美半导体提供的CGM传感器接口ASIC提供多重优势，满足应用要求。例如，ASIC的专有模拟/数字转换方案能够捕获pA级电流。它还应用专有的低漏电流半导体工艺(C3)，使用低漏电流的ESD保护焊盘，ASIC尺寸小于5 mm2，不影响总体产品尺寸。它的平均电流消耗低于3 μA。

图：安森美半导体应用专有半导体工艺及创新IP设计克服血糖传感器接口挑战。

村田适用于心脏检测器的创新方案

在展会上，记者还了解到一款村田的解决方案，它是一款适用于心脏检测器的MEMS加速度传感器与无线通信结合的模块，这个模块适用于间接接触的心脏冲击扫描;检测加速度、倾角;在集成MCU里搭载可处理加速度传感器信号的FE、十进制计算方式;并且还兼容SPI、UART等各种接口。

而这种模块通过嵌在病床、轮椅或者体重计中，再在电脑中安装相关软件，就能远程进行患者关联心跳检测的各种监测。同时，它还能进行医用床、看护床、手术台的倾斜检测。

当然，还有很多厂商的创新方案展示在我们面前。正因为有这些不断进步的医疗解决方案，中国医疗设备市场持续着稳步发展，医疗设备制造商需要高性能、高能效、低能耗、小尺寸及长生命周期的半导体方案来帮助他们开发创新的产品，满足用户日渐增长的需求。