安森美配合中国消费类医疗市场趋势的方案应用案例研究

飞扬紫百合

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。