透過安森美醫療產品 剖析醫療應用解決方案

透過安森美醫療產品 剖析醫療應用解決方案

秩名 發表於 2012-10-10 10:12:42

　　電子發燒友網核心提示：近年來，醫療半導體市場已經成為增長最迅速的半導體市場領域之一。根據市場研究機構Databeans 2010年關於醫療半導體的預計，2010年至2015年間的年複合增長率（CAGR）將達9.4%。這其中，由於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市場開始以較快的速度增長。作為應用於高能效電子產品的首要高性能矽方案供貨商，安森美半導體提供寬廣陣容的醫療應用產品，幫助創新型醫療電子產品實現更高的集成度、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展。

　　中國醫療設備及醫療半導體趨勢

　　多種因素將綜合推動中國醫療設備市場增長：首先是人口老齡化，到2030年，中國60歲以上人口所佔百分比將從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，心臟病、糖尿病、哮喘的發病率增高；還有中產階級群體擴大，以及醫療支出增多、健康保險改革等等。

　　而從醫療設備來看，中國本土的醫療設備研發增多，且本土製造商極力提供成本低於外國競爭者的產品。面向中國市場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，用於醫療設備的醫療半導體正走向更高集成度、小型化、高能效，也使消費類健康設備轉向採用標準元器件。

　　安森美用於消費者健康醫療設備的方案

　　半導體技術在醫療設備創新領域發揮重要作用。安森美半導體擁有深刻理解醫療市場質量、可靠性及長久性要求的資深工程團隊，並具有全球製造及物流能力，以高性能的矽方案幫助醫療設備開發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品涵蓋植體及臨床保健、消費者健康和聽力健康等關鍵醫療分類市場。本文重點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） 用於血糖儀等可攜式醫療設備的Q32M210 32位混合信號MCU方案

　　關於中國糖尿病現狀的案例研究表明，由於生活方式及飲食結構變化、西式飲食模式影響、缺少運動，以及農業國家轉向工業化國家的進程、更多寫字樓工作崗位等，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行監測，以便作變化趨勢分析及與醫生溝通，推動了血糖儀（BGM）的使用和銷售。

　　安森美半導體提供應用於血糖儀等便攜檢測設備的精密混合信號微控制器（MCU） Q32M210。這個器件是專為高精度設計的模擬前端，其關鍵優勢是採用16位低噪聲模數轉換器（ADC）、業界標準ARM？ Cortex？-M3處理器；低洩漏電流及低動態功率可實現超低能耗工作（待機電流《 26 μA，休眠電流 ~750 nA），延長電池使用時間；關鍵板載功能包括存儲器、集成帶錯誤校正控制（ECC）功能的快閃記憶體以確保快閃記憶體的高可靠性、和片上USB支持，經過優化的高集成度可降低物料單（BOM）開銷；可配置前端，OEM可將其用於多種產品，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採用更精密的血糖等級計算，除了延長電池使用時間，在需要換電池之前進行更多的血糖測試，還可降低系統複雜度，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。

　　在產品開發方面，Q32M210具有很好的靈活性，可通過軟體配置的模擬前端及數模轉換器（DAC）實現可編程增益放大器、可配置採樣率，還有三個10位DAC及集成低導通阻抗開關。該器件可以定製，不需要新的外部電路來匹配新的試紙類型，兼容寬範圍傳感器類型。現有Cortex-M3應用可以輕易移植到Q32M210，簡化了軟體開發。易於集成、標準化及連接也充分體現了設計靈活性；開發支持包括評估及開發套件（EDK）、固件庫、代碼範例。

　　從Q32M210應用示例可以看出，傳統架構血糖儀雖精確、簡單，但不靈活，總體半導體BOM成本約為5.75美元（以批量500萬片計，下同）；而優化架構的血糖儀具有極精確和強固特性，還可重新配置（支持先進的指示器開發），總體半導體BOM成本約為4.50美元。

　　

　　圖2：傳統架構（左）與優化架構（右）的血糖儀對比，綠色部分可採用安森美半導體的器件

　　2） 用於助聽器的DSP系統方案

　　2012年全球預計銷售近1200萬部助聽器，推動力來自於人口老齡化、更長預期壽命、更低出生率；新興市場（中國、印度、巴西及東歐）收入上升；過渡噪聲、糖尿病、耳毒性（某些處方藥副作用）等疾病所致的聽力減退病例蔓延。

　　關於中國聽力健康現狀的案例研究顯示，中國有超過1，000萬成人患有聽力減退，聽力減退者中估計僅1%使用助聽器（歐洲為16%，美國為25%）。美國的研究顯示，由於受到過度噪音的影響，6至19歲兒童及青少年中有12.5%存在永久性聽力上損害，中國城市地區的研究顯示出類似結果。

　　助聽器主要分耳背式（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和耳道內置受話器（Receiver In Canal， RIC）；而後者有全、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（Invisible In Canal， IIC）等類型。其趨勢有三：其一是分立及「不可見」，更小巧的耳道內置受話器（RIE）及新的耳道內不可見（IIC）類型在美國「嬰兒潮」一代開始採用助聽器時更受歡迎；其二是無線通信及連接：當前技術為2.4 GHz、900 MHz及帶藍牙繼電器的近場磁感應（NFMI）；其三是完全自動化及「智能」，音量控制及信號處理自動適配聲音環境，因而更有效，令用戶更方便。滿足這些趨勢分別需要轉移至65 nm或更小節點工藝及微型化封裝技術；需要互操作性及先進的封裝技術；增加處理功率及算法複雜度。隨之而來的設計挑戰是功耗約1 V工作電壓時的電流消耗、多晶片及晶片面積要小於10mm2、採用混合信號技術。

　　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）簡化了微型助聽器的組裝過程，適合所有助聽器類型助聽器。

　　圖3：助聽器框圖

　　安森美半導體為無線助聽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，支持所有助聽器產品類型，非常適合於要求極少編程配置、要求即可應用的助聽器製造商。

　　其中，安森美半導體的Ayre SA3291混合模塊採用完整特性的助聽器算法套件、預配置聽覺處理器和NFMI高帶寬集成雙工無線電，天線是唯一需要的外部元器件，並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器數位訊號處理軟體具有幾個明顯的特性，如寬動態範圍壓縮，可柔和放大聲音，且不會使增大的聲音令人不適，可針對個體的聽力減退情況提供個性化定製；反饋消除器可消除由反饋產生的部分助聽器輸出信號，並通過相位消除來自適應地消除；自適應方向可自動適配極性模式，根據噪聲位置調節；利用環境分類持續分析聲音環境，自動調節助聽器將舒適度和可聽性提升至最高。

　　

　　圖4：無線助聽器應用示意圖

　　為方便工程師設計，安森美半導體還提供軟體開發工具（網上工具），幫助選擇及配置算法，創建定製助聽器；對電聲特性建模、測試算法、微調等。如果客戶開發驗配軟體，可提供接口通信庫文件；如果客戶沒有驗配軟體，可提供驗配軟體的定製化。硬體開發工具包括DSP編程器和開發板。

　　除了預配置DSP方案，安森美半導體還為助聽器應用提供Ezairo？ 5900系列開放可編程的DSP系統。此DSP系統提供可高度定製的混合功能配置選擇，非常適合於開發自有創新算法或應用第三方供應商提供的全定製算法的助聽器製造商。

　　結論

　　為滿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為醫療應用提供了多種半導體解決方案，包括用於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，用於助聽器的預配置DSP及公開可編程DSP系統，幫助中國醫療電子產品製造商開發創新的高精度、可可靠性及低能耗醫療設備。同時，安森美半導體還提供配套軟、硬體開發工具，協助客戶實現晶片產品以外2次性開發，還有應用工程師團隊為客戶體供現場支持，幫助他們縮短設計周期，加快產品上市。

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