安森美半導(dǎo)體配合中國便攜醫(yī)療設(shè)備趨勢的醫(yī)療半導(dǎo)體方案 - 全文

　　來源：安森美半導(dǎo)體

　　摘要：多種市場動力在推動便攜醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展。安森美半導(dǎo)體深刻理解便攜醫(yī)療設(shè)備要求及市場趨勢，提供多種高性能、高集成度、高精度、高可靠性及低能耗的半導(dǎo)體方案，如混合信號微控制器、數(shù)字信號處理器及數(shù)字信號處理混合模塊，用于便攜式血糖儀、心電圖儀及無線助聽器等應(yīng)用。

　　近年來，隨著人口老齡化及醫(yī)療成本上升的壓力推動著轉(zhuǎn)向家庭醫(yī)療保健。此項(xiàng)轉(zhuǎn)變，加上人們對保健的興趣日益增加及智能聯(lián)網(wǎng)型便攜設(shè)備的普及，正在推動醫(yī)療設(shè)備的創(chuàng)新。就中國而言，本土醫(yī)療設(shè)備研發(fā)不斷增多，且本土制造商極力提供成本低于外國競爭者的產(chǎn)品。面向中國市場的醫(yī)療設(shè)備也在不斷追求提升可靠性（準(zhǔn)確度和精密度）、便攜性及耐久性，同時也注重內(nèi)置“智能”，提升醫(yī)療設(shè)備的易用性。這些趨勢推動著醫(yī)療半導(dǎo)體朝更高集成度、小型化和高能效等方向發(fā)展。

　　安森美半導(dǎo)體提供寬廣陣容的產(chǎn)品及服務(wù)，擁有掌握系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)的工程人才，深刻理解醫(yī)療市場對品質(zhì)、可靠性及長遠(yuǎn)性的要求，以及全球性的生產(chǎn)及物流實(shí)力，使醫(yī)療技術(shù)開發(fā)人員能夠以安森美半導(dǎo)體高性能硅方案，解決他們獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。本文將著重介紹安森美半導(dǎo)體配合中國消費(fèi)類醫(yī)療設(shè)備趨勢的醫(yī)療半導(dǎo)體方案。

　　1） 用于血糖儀等便攜醫(yī)療設(shè)備的Q32M210 32位混合信號MCU方案

　　近年來，有關(guān)中國糖尿病現(xiàn)狀的案例研究表明，由于生活方式及飲食結(jié)構(gòu)變化，中國的糖尿病呈上升趨勢。相關(guān)因素包括西式飲食模式影響、缺少運(yùn)動，以及中國由農(nóng)業(yè)國家向更加工業(yè)化國家轉(zhuǎn)變并催生更多寫字樓工作崗位等。這些因素需要血糖儀（BGM）用于個人的監(jiān)測、變化趨勢分析及與醫(yī)生的溝通，推動了血糖儀的使用和銷售。

　　
圖1：Q32M210的架構(gòu)圖。

　　安森美半導(dǎo)體提供用于血糖儀等便攜檢測及精密測量和監(jiān)控設(shè)備的32位混合信號微控制器（MCU）—— Q32M210。這器件是高精度的模擬前端，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)ARM? Cortex?-M3處理器內(nèi)核，集成16位低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），能夠進(jìn)行更精密的血糖等級計(jì)算。Q32M210的能耗極低，待機(jī)電流低于26 μA，休眠電流約為750 nA，幫助延長電池使用時間，非常適合采用電池供電的便攜醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用。這器件集成度高，除了集成32位ARM處理器內(nèi)核，還帶有集成參考的傳感器接口，包含256 kB閃存、實(shí)時時鐘、電源管理和接口。如此高的集成度，有利于降低系統(tǒng)復(fù)雜度，減小外部元器件需求，降低成本，支持更小外形因數(shù)的PCB設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)尺寸更小的血糖儀。這器件的靈活性高，兼容寬范圍傳感器類型，不需要新的外部電路來匹配新的血糖檢測試紙類型，還易于集成、標(biāo)準(zhǔn)化及連接。除了用于血糖儀，Q32M210還可用于心率監(jiān)測儀及健康監(jiān)測設(shè)備等應(yīng)用。

　　
圖2：傳統(tǒng)架構(gòu)與安森美半導(dǎo)體優(yōu)化架構(gòu)對比

　　值得一提的是，Q32M210支持實(shí)現(xiàn)極優(yōu)化的血糖儀架構(gòu)。典型架構(gòu)如圖2左側(cè)所示，這種架構(gòu)精度高、簡單，但不靈活。右側(cè)的優(yōu)化架構(gòu)不僅精度高，還具有強(qiáng)固特性，并可重配置。為了幫助設(shè)計(jì)人員回憶產(chǎn)品開發(fā)，安森美半導(dǎo)體還提供多種開發(fā)工具，包括硬件演示板和快速開發(fā)原型、評估及開發(fā)套件和EDK文檔等。

　　2） 用于便攜監(jiān)視及診斷醫(yī)療設(shè)備的BelaSigna?系列超低能耗DSP系統(tǒng)

　　如前所述，醫(yī)療市場的趨勢推動便攜醫(yī)療監(jiān)視及診斷設(shè)備的需求不斷增強(qiáng)，如心電圖（ECG）等。這類設(shè)備對便攜性的需求越來越高，同時也需要整合更多數(shù)字信號處理（DSP）功能，以提供實(shí)時處理能力。例如，患者可能需要較長時間佩戴或攜帶便攜式ECG設(shè)備，以便采集一系列長期心率數(shù)據(jù)。這類便攜ECG設(shè)備對帶寬的要求往往不高，同時由于采用電池供電，故要求DSP能耗較低。針對這類便攜醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體提供BelaSigna?系列的超低能耗DSP系統(tǒng)，如BelaSigna? 250和BelaSigna? 300等。

　　BelaSigna?系列是完全可編程的DSP，優(yōu)化了尺寸、功耗、信號完整性及運(yùn)算功率。以BelaSigna? 300為例，這是一款尺寸僅為3.6×2.6 mm的24位超低功率DSP，它以固定功能專用集成電路（ASIC）的功耗和尺寸提供通用數(shù)字信號處理器（DSP）的靈活性，增添的先進(jìn)模擬音頻輸入及24位信號通道可實(shí)現(xiàn)極佳的音頻質(zhì)量，獨(dú)特的專利雙核架構(gòu)實(shí)現(xiàn)回聲消除和噪聲消減等眾多先進(jìn)音頻算法同時運(yùn)行，并能維持極低的功率消耗。圖3顯示的是BelaSigna? 300的框圖。這器件采用雙內(nèi)核計(jì)算，其中包括開放可編程的CFX 24位DSP內(nèi)核及HEAR高度可配置的協(xié)處理器，這雙內(nèi)核平衡處理功率并優(yōu)化能耗及設(shè)計(jì)靈活性。這器件提供高精度的模擬輸入段，包括4路獨(dú)立輸入通道，提供110 dB的動態(tài)范圍，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的采樣率達(dá)1.27 至60 kHz。這器件的能耗極低，供電電壓低至1.8 V，待機(jī)電流僅為40 μA，典型能耗為1至5 mA，非常適合便攜式ECG設(shè)備等應(yīng)用。

　　
圖3：BelaSigna? 300 DSP系統(tǒng)框圖。

　　3） 用于助聽器的預(yù)配置無線DSP系統(tǒng)方案

　　有關(guān)中國聽力健康現(xiàn)狀的案例研究顯示，中國有超過1，000萬成年人患有聽力減退。美國的研究顯示，由于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(qū)的研究顯示出類似結(jié)果。中國成年聽力減退者中估計(jì)僅1%使用助聽器，相比較而言，歐洲為16%，美國為25%，這也可以看出中國助聽器市場潛力巨大。

　　助聽器主要分耳背式（Behind The Ear， BTE）和耳內(nèi)式（In the Ear， ITE），適合不同年齡和不同需要的患者配戴。前者包含傳統(tǒng)BTE、微型BTE和耳道內(nèi)置受話器（Receiver In Canal， RIC）等不同類型；而后者則包括全/3/4/半耳腔式ITE、耳道內(nèi)置、深耳道（Completely In the Canal， CIC）及耳道內(nèi)不可見（Invisible In Canal， IIC）等類型。

　　
圖4：助聽器主要類型概覽。

　　助聽器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在三方面。一是趨向分立及“不可見”。更小巧的耳道內(nèi)置受話器（RIE）及新的耳道內(nèi)不可見（IIC）類型在美國“嬰兒潮”一代開始采用助聽器時更受歡迎。二是增加無線通信及連接功能。當(dāng)前采用的無線通信及連接技術(shù)包括2.4 GHz、900 MHz及帶藍(lán)牙繼電器的近場磁感應(yīng)（NFMI）等。三趨向完全自動化及更高“智能”程度。諸如音量控制及信號處理自動適配聲音環(huán)境，因而更有效，令用戶更方便。要滿足這些趨勢，醫(yī)療半導(dǎo)體制造商需要轉(zhuǎn)移至65 nm或更小節(jié)點(diǎn)工藝及微型化封裝技術(shù)，需要互操作性及先進(jìn)的封裝技術(shù)，增加處理功率及算法復(fù)雜度等。

　　
圖5：無線助聽器框圖

　　安森美半導(dǎo)體為無線助聽器應(yīng)用提供預(yù)配置的無線DSP系統(tǒng)，包括Ayre? SA3291混合模塊及AYRE中轉(zhuǎn)器參考設(shè)計(jì)等。這些預(yù)配置DSP系統(tǒng)提供多種混合選擇及功能包，支持所有助聽器產(chǎn)品類型，非常適合于要求極少編程配置、要求即可應(yīng)用的助聽器制造商。

　　安森美半導(dǎo)體Ayre SA3291助聽器數(shù)字信號處理混合模塊采用完整特性的助聽器算法套件、預(yù)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，并可同步左耳及右耳參數(shù)。而安森美半導(dǎo)體的Ayre中轉(zhuǎn)器參考設(shè)計(jì)支持立體聲音頻流、持藍(lán)牙、音量控制和程序選擇。安森美半導(dǎo)體的助聽器數(shù)字信號處理軟件具有幾個明顯的特性，如寬動態(tài)范圍壓縮，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制；反饋消除器可消除由反饋產(chǎn)生的部分助聽器輸出信號，并通過相位消除來自適應(yīng)地消除；自適應(yīng)方向可自動適配極性模式，根據(jù)噪聲位置調(diào)節(jié)；利用環(huán)境分類持續(xù)分析聲音環(huán)境，自動調(diào)節(jié)助聽器將舒適度和可聽性提升至最高。

　　為方便工程師設(shè)計(jì)，安森美半導(dǎo)體還提供軟件開發(fā)工具（網(wǎng)上工具），幫助選擇及配置算法，創(chuàng)建定制助聽器；對電聲特性建模、測試算法、微調(diào)等。如果客戶開發(fā)驗(yàn)配軟件，可提供接口通信庫文件；如果客戶沒有驗(yàn)配軟件，可提供驗(yàn)配軟件的定制化。硬件開發(fā)工具包括DSP編程器和開發(fā)板。

　　除了預(yù)配置DSP方案，安森美半導(dǎo)體還為助聽器應(yīng)用提供Ezairo? 5900系列開放可編程的DSP系統(tǒng)。此DSP系統(tǒng)提供可高度定制的混合功能配置選擇，非常適合于開發(fā)自有創(chuàng)新算法或應(yīng)用第三方供應(yīng)商提供的全定制算法的助聽器制造商。

　　
圖6：無線助聽器應(yīng)用示意圖

　　總結(jié)

　　中國乃至全球的便攜醫(yī)療設(shè)備市場正在不斷蓬勃發(fā)展。這些便攜醫(yī)療設(shè)備需要高精度、高可靠性、高能效、低能耗的關(guān)鍵半導(dǎo)體器件，同時也注重內(nèi)置“智能”，提升醫(yī)療設(shè)備的易用性。安森美半導(dǎo)體身為領(lǐng)先的半導(dǎo)體供應(yīng)商，深刻理解醫(yī)療市場對品質(zhì)、可靠性及長遠(yuǎn)性的要求，提供寬廣陣容的醫(yī)療半導(dǎo)體產(chǎn)品及方案。本文重點(diǎn)介紹安森美半導(dǎo)體適合便攜式血糖儀、心電圖儀及無線助聽器等應(yīng)用的高性能、高能效及高可靠性半導(dǎo)體方案及豐富的軟硬件開發(fā)工具和支援，幫助設(shè)計(jì)人員開發(fā)符合市場要求的便攜醫(yī)療產(chǎn)品，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。