安森美半导体配合中国消费类医疗市场趋势的半导体方案应用案例研究

    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。

　　安森美半导体为中国消费类医疗市场提供的价值及方案

　　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。首先，安森美半导体针对中国消费类医疗市场提供丰富的产品阵容，涵盖助听器数字信号处理器（DSP）系统、定制混合信号专用集成电路（ASIC）、分立元件，以及有助于实现系统微型化的先进混合工艺封装。

　　其次，安森美半导体拥有丰富的医疗专知、技术和经验，包括30多年的定制硅芯片经验（含高可靠性的植体应用）、自1970年代初已服务助听器行业、丰富的知识产权（IP）阵容、完全认证及强固的开发流程及技术精湛的系统架构师。

　　第三，安森美半导体提供医疗市场要求的品质、可靠性和承诺。安森美半导体提供长远的工艺及产品，配合延长产品生命周期，还提供可追踪能力及长期数据保留、批量验收测试（LAT）、可靠性及失效分析实验室、ISO 13485医疗系统品质认证。

　　图1：安森美半导体的重点医疗应用及相关产品和服务。

　　安森美半导体的医疗应用方案主要涵盖植体医疗设备（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，参见图1。

　　安森美半导体消费类医疗应用案例研究

　　安森美半导体为消费类医疗应用提供丰富的产品阵容。下文将重点围绕助听器及医疗ASIC应用进行案例研究。

　　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2：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指令的业界最小系统级封装（SiP），尺寸仅为4.57 x 3.12 x 1.52 mm，较传统混合模块小25%。 这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3）。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除了提供超小尺寸、高集成度和先进的语音处理，其它关键特性或优势包括：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）、超低能耗（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（灵活调节频率响应，优化声音品质）、8通道压缩器、自适应反馈消除（提升适配速度）等。安森美半导体还提供全套软件支援，ARK软件易于集成到现有验配软件中。

　　图3： 安森美半导体业界最小混合系统封装（SiP）集成了DSP裸片、EEPROM等众多元件。

　　安森美半导体为助听器应用提供宽广阵容的DSP系统方案，涵盖两种类型，以配合客户的不同应用需求。一为预配置型，预配置了安森美半导体的音频处理算法，相关产品除了Rhythm R3710，还包括Ayre SA3291、Rhythm R3910、Rhythm SB3229、Rhythm SB3231、CONSOLIDAT GA3227及FOUNDATION GA3216等；一为公开可编程型，能让用户使用自有的音频处理算法，产品包括EZAIRO 5900系列。

　　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。

　　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，这ASIC的专有模拟/数字转换方案能够捕获pA级电流，同时工作能耗极低。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。它的能耗也极低，平均电流消耗低于3 μA。

　　图4：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。

　　这医疗定制ASIC仅是安森美半导体丰富医疗定制ASIC阵容的其中一例。安森美半导体当前除了提供CGM应用的ASIC，还提供用于血气分析仪、心电图（ECG）病人监测系统、关键指标监测、心率监测仪、脉搏血氧仪及自动体外除颤仪（AED）等应用的定制ASIC。这类医疗应用的客户面临多种挑战，如需要更低功率及更小尺寸，要求用于专有传感器的接口，但专有传感器的接口需求通常不能以标准元件来满足。安森美半导体则提供尺寸、功率及成本均令客户满意的定制ASIC方案，还提供标准ARM内核，且提供模块化服务及完整方案。

　　图5：安森美半导体具有丰富的高性能、低能耗ASIC IP阵容。

　　安森美半导体拥有三十多年的医疗应用复杂ASIC设计及制造经验、专知和技术，跟客户的ASIC合作模式主要包括概念定义、产品规划、产品开发、产品合格验证及产品发布等主要ASIC开发流程。在中国，安森美半导体也已积累了成功的医疗ASIC案例，其中包括为迈瑞开发定制ASIC，用于多种病人监测设备，如多通道心电图仪、心率及呼吸监视仪、血氧饱和度（SpO2）仪等。迈瑞后续还将发布更多采用这ASIC的产品。

　　总结：

　　中国消费类医疗设备市场正持续稳步发展，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。安森美半导体为中国消费类医疗设备市场提供多种价值，包括涵盖助听器数字信号处理器（DSP）系统、定制混合信号专用集成电路（ASIC）、分立元件以及有助于实现系统微型化之先进封装的丰富产品阵容，丰富的医疗专知、技术和经验，以及满足医疗市场严格要求的品质、可靠性和承诺。本文还以助听器DSP及定制医疗ASIC为例，分析这些产品的独特优势及其能为客户提供的独特价值，帮助客户开发创新的医疗产品。