醫(yī)療器械芯片設(shè)計(jì)的三大挑戰(zhàn)

據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，到2050年，全球超過(guò)65歲的人口比例將達(dá)1/6。老年人口增多，對(duì)及早診斷的需求因此不斷攀升，實(shí)時(shí)患者數(shù)據(jù)可惠及所有年齡段的人群，因此醫(yī)療器械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新成為必然趨勢(shì)。

人工智能(AI)技術(shù)已在醫(yī)院、可穿戴設(shè)備和常規(guī)尋醫(yī)就診方面取得成功。專(zhuān)業(yè)醫(yī)務(wù)人員可使用利用AI和VR技術(shù)的器械進(jìn)行診斷工作、支持機(jī)器人手術(shù)、培訓(xùn)外科醫(yī)生，甚至治療抑郁癥。到2028年，全球AI醫(yī)療保健市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到1,200億美元。

現(xiàn)在的醫(yī)療器械能夠做到尺寸更小并支持多種新功能，這些創(chuàng)新都得益于半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展。

為醫(yī)療應(yīng)用設(shè)計(jì)芯片所需的規(guī)劃與其他領(lǐng)域完全不同，甚至與自動(dòng)駕駛汽車(chē)等任務(wù)關(guān)鍵型市場(chǎng)大相徑庭。不過(guò)不論是何種類(lèi)型的醫(yī)療器械，醫(yī)療芯片設(shè)計(jì)都將面臨三大挑戰(zhàn)：功耗、安全性和可靠性。

三種主要的醫(yī)療器械類(lèi)型

“醫(yī)療器械”一詞涵蓋范圍廣泛，既可以指簡(jiǎn)單的邦迪創(chuàng)可貼，也可以是復(fù)雜的MRI機(jī)器。世界衛(wèi)生組織(WHO)將醫(yī)療器械定義為“用于預(yù)防、診斷或治療疾病，或是出于健康目的檢測(cè)、測(cè)量、恢復(fù)、修正或調(diào)整機(jī)體結(jié)構(gòu)或功能的設(shè)備、儀器、裝置或機(jī)器?！?/p>

專(zhuān)家估計(jì)，市場(chǎng)上有超過(guò)200萬(wàn)不同品種的醫(yī)療器械，可分為7,000多個(gè)門(mén)類(lèi)。在新思科技，我們通常將醫(yī)療器械主要分為三大類(lèi)：

實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)院使用的醫(yī)療器械：包括超聲和CT等只能由專(zhuān)業(yè)醫(yī)務(wù)人員操作的器械。

可在家中自行使用的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)醫(yī)療器械：血壓監(jiān)護(hù)儀、血糖監(jiān)測(cè)儀和健康追蹤可穿戴設(shè)備均屬于這一類(lèi)別。

以某種方式連接到人體的植入式器械，多數(shù)為通過(guò)手術(shù)植入。包括起搏器、左心輔助裝置(LVAD)、人工耳蝸等特定類(lèi)型的助聽(tīng)器等。

每種類(lèi)型的醫(yī)療器械都有其特定要求和開(kāi)發(fā)者須注意的考慮因素，但功耗、可靠性和安全性的分析是所有醫(yī)療器械開(kāi)發(fā)都必須要有的，對(duì)于低功耗、使用時(shí)間預(yù)計(jì)超過(guò)10年的器械、則在保護(hù)隱私和和防止泄露醫(yī)療數(shù)據(jù)等方面提出了更高要求。

低功耗設(shè)計(jì)

在開(kāi)發(fā)醫(yī)療保健領(lǐng)域所用的半導(dǎo)體時(shí)，開(kāi)發(fā)者首先要確保醫(yī)療器械的低功耗，植入式器械對(duì)此的要求更為嚴(yán)苛，原因在于此類(lèi)器械需要通過(guò)手術(shù)在體內(nèi)放置和移除，功耗應(yīng)當(dāng)更低，一般而言，醫(yī)生和患者希望植入式醫(yī)療器械能夠持續(xù)使用10至20年，而不是每隔幾年就要換個(gè)電池。

大多數(shù)非植入式醫(yī)療器械也需要超低功耗設(shè)計(jì)，因?yàn)榇祟?lèi)器械多為電池供電(比如手腕上的健身追蹤器)。開(kāi)發(fā)者需考慮采用低漏電工藝、電壓域和可切換電源域等技術(shù)，從而降低活動(dòng)功耗和待機(jī)功耗。

可靠性設(shè)計(jì)

可靠性是在指定時(shí)間段內(nèi)，芯片在特定環(huán)境中(人體內(nèi)、手腕上等)良好執(zhí)行所需功能的概率，這一情況會(huì)根據(jù)醫(yī)療器械的使用情況而存在差異。在下圖中，可以看到可靠性“浴盆曲線”，顯示了一定時(shí)間內(nèi)(x軸)失效設(shè)備的比例(y軸)。

大多數(shù)失效發(fā)生在制造階段或壽命即將終止時(shí)，具體原因會(huì)因產(chǎn)品的具體情況而各有不同。比如說(shuō)，筆記本電腦或移動(dòng)設(shè)備的壽命大約為3年。

壽命終止失效主要是由于晶體管老化和電遷移。老化是指隨著時(shí)間的推移，晶體管性能逐漸下降，最終導(dǎo)致整個(gè)器械失效。電遷移，或原子因電流密度而出現(xiàn)的不必要的移動(dòng)，是造成晶體管之間互連失效的重要原因。通過(guò)線路的電流密度越高，在短期內(nèi)發(fā)生故障的幾率就越大。

醫(yī)療行業(yè)尚不清楚老化對(duì)低幾何結(jié)構(gòu)的影響，因此其它創(chuàng)新應(yīng)用中可能使用的低幾何結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)并未用于醫(yī)療器械的芯片設(shè)計(jì)中，相反，開(kāi)發(fā)者通常選擇已普遍使用且經(jīng)過(guò)廣泛研究的成熟芯片工藝(28nm及以上)，這對(duì)于目前安裝了植入式器械以延長(zhǎng)壽命的患者是絕對(duì)的利好。

醫(yī)療器械的正常運(yùn)行至關(guān)重要，因此，在最開(kāi)始的設(shè)計(jì)階段和整個(gè)過(guò)程都需要確保可靠性。與此同時(shí)，減少生產(chǎn)階段的變動(dòng)同樣必不可少。新思科技提供可一整套可靠性分析解決方案，通常稱(chēng)為PrimeSim可靠性分析，其中包括電氣規(guī)則檢查、故障仿真、可變性分析、電遷移分析和晶體管老化分析。

安全性設(shè)計(jì)

安全性對(duì)醫(yī)療器械的芯片設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，它的重要性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

醫(yī)療器械收集的機(jī)密醫(yī)療數(shù)據(jù)需確保安全性，未授權(quán)人員無(wú)法訪問(wèn)隱私醫(yī)療信息。

開(kāi)發(fā)者需要確保醫(yī)療器械不易受到任何形式的破壞，比如不法分子可能會(huì)入侵起搏器傷害患者。由于新冠肺炎疫情，為減少與患者的接觸風(fēng)險(xiǎn)，并且為了方便起見(jiàn)，醫(yī)療領(lǐng)域越來(lái)越多地使用聯(lián)網(wǎng)器械。建立的遠(yuǎn)程連接越多，數(shù)據(jù)泄露和遭受其它網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性就越大。

醫(yī)療保健器械的安全運(yùn)行以及器械通過(guò)無(wú)線或有線網(wǎng)絡(luò)安全收集或傳輸數(shù)據(jù)非常重要。雖然沒(méi)有適用于所有器械的安全性解決方案，但開(kāi)發(fā)者仍需要在硬件和軟件設(shè)計(jì)的早期階段就把安全性考慮在內(nèi)，將患者的安全放在首位。

從芯片設(shè)計(jì)工具的角度來(lái)看，醫(yī)療器械的芯片開(kāi)發(fā)者與其他應(yīng)用場(chǎng)景的芯片開(kāi)發(fā)者們所使用的工具并無(wú)不同。EDA、IP核、可靠性分析工具等都是必不可少的。這些工具將幫助開(kāi)發(fā)者有效進(jìn)行規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)超低功耗芯片設(shè)計(jì)，增加可靠性，同時(shí)兼顧空間限制和安全因素，這對(duì)患者的健康、信息安全與生命安全十分重要。

醫(yī)療保健行業(yè)需要先進(jìn)的EDA工具來(lái)應(yīng)對(duì)當(dāng)今不斷變化的挑戰(zhàn)。先進(jìn)的EDA工具可提供各類(lèi)解決方案，比如實(shí)現(xiàn)軟硬件層面的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能、系統(tǒng)集成(將盡可能多的組件集成到單芯片平臺(tái)中)、評(píng)估低功耗設(shè)計(jì)對(duì)散熱和電池壽命的影響等。

醫(yī)療器械行業(yè)正在飛速發(fā)展，芯片開(kāi)發(fā)者們正在設(shè)計(jì)并持續(xù)推動(dòng)下一代植入式器械、醫(yī)院醫(yī)療器械和醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新。

審核編輯：湯梓紅