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安森美半导体的可穿戴医疗方案实现个性化的医疗创新

当前,在人口老龄化和人类平均寿命延长的趋势下,人们更加注重医疗及保健,政府也大力推进健康保险改革,医疗支出增多。医疗设备则呈现出更“智能”、便携、无线连接等个性化的发展趋势,这需要更高集成度、小型化、高能效、嵌入无线功能的医疗半导体支持,可穿戴医疗也应运而生。

安森美半导体“一站式”完整的硅方案

安森美半导体凭借超过30年的定制硅经验,将硅引入生活,提供定制的混合信号专用集成电路(ASIC)、用于系统小型化的先进封装、助听器数字信号处理(DSP)系统、定制的和半定制的超低功耗存储器、增值的前后端代工服务、用于降低无线功耗的有源天线调谐、分立元件、专用标准产品(ASSP),以及相应的软硬件、固件等“一站式” 具备医疗级品质及可靠性的完整方案,并针对当前市场需求,专注于便携式、个人医疗设备。

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图1:安森美半导体专注于便携式、个人医疗设备

听力健康

1.  趋势

助听器设计人员面临尺寸、功耗及功能等多方面的设计挑战。常见的助听器类型有耳背式(Behind-The-Ear, BTE)和耳内式(In-The-Ear, ITE),前者占市场销量的75%至80%,后者占市场销量的20%至25%。另外还有眼镜式、口袋式和人工耳蜗等替代类型。随着婴儿潮一代开始采用助听器,更小巧的耳道内置受话器(RIC)及新的耳道内不可见(IIC)类型更受欢迎,半导体厂商应转至65 nm或更小节点的工艺及采用微型化封装技术。为助听器添加无线通信及互通互联功能需要互操作性及先进的封装技术,当前多采用2.4 GHz、900 MHz及带蓝牙继电器器件的近场磁感应(NFMI)。此外,完全自动化及更“智能”的趋势需增加处理功率及算法复杂度,如音量控制及信号处理自动适配声音环境,令用户更舒适。

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图2:助听器款式

2. 数字助听器工作原理

首先,由一个麦克风接收的声波被转换成电信号,DSP系统内的模数(A/D)转换器将信号转换为以0和1表示的二进制形式,该数字形式经过DSP系统的数学运算进行分析和处理,放大用户特定的频率,同时消除反馈和噪声,然后该数字流被DSP系统内的数模(D/A)转换器重新转换为电信号,接收器将该信号重新转换为声波。整个过程发生在几毫秒内,助听器用户不会察觉到任何延迟。

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图3:助听器框图

3. 安森美半导体助听器方案

安森美半导体传承自20世纪70年代的助听器行业服务经验,是助听器市场领先的硅方案供应商,提供典型的助听器所需的DSP芯片、处理语音算法的软件及外围元件(如射频IC、EEPROM、可充电电池的电源管理IC),并针对市场需求研发出世界上首款无线助听器及可充电的方案用于助听器。

安森美半导体的助听器DSP系统主要有Ayre、Rhythm和Ezairo三个系列,前两个系列可提供包括先进的信号处理算法的预配置方案,能实现多个混合选择和特性捆绑,而Ezairo是完全可编程的方案,能实施专有/定制的算法。

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图4:安森美半导体的助听器DSP系统

如无线音频处理器Ezairo 7150 SL基于Ezairo 7100开放式可编程的24位混合信号DSP平台,为助听器和人工耳蜗植入提供无线连接。Ezairo 7150 SL连接范围在5-10米之间,支持两大先进的无线特性:

1). 通过蓝牙低功耗控制(CoBLE),令用户能从任何支持蓝牙低功耗(BLE)的智能手机控制助听器功能,如音量控制、程序改变、电池状态、找到我(定位助听器)、来电铃声或短信提醒等

2). 支持通过远程接收器的立体声音频串流。这特性使用2.4 GHz的专用协议,使用户能从任何外部音频设备(如智能手机、电视)串流立体声音乐或通过远程适配器拾取声音。

用户可同时进行音频串流和蓝牙低功耗控制。安森美半导体提供BTE无线助听器的完整参考设计,包括软件、硬件和固件,以简化设计和加快上市。

移动医疗

1. 便携式医疗设备

根据人口统计数据,中国60岁以上人口所占的百分比将由1950年的8%增加到2050年的21%。这类人群由于年事已高或行动不便,却又需要经常检测身体状况,便携式医疗设备如血糖仪、血压计、透皮给药等可使用户在家自己监测和治疗,免却经常外出看医生的不便。

针对便携式医疗应用,安森美半导体提供半定制的ASIC方案——Struix。该方案将定制的模拟前端(AFE)堆叠在标准的MCU上,解决特定的传感器接口需求,同时比全定制的系统级芯片(SoC)方案缩短设计时间,降低开发风险和相关成本。

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图5:可穿戴医疗半定制ASIC – Struix

值得一提的是,基于Struix,安森美半导体可提供先进的封装技术用于尺寸、性能和系统集成度重要的医疗应用设计,如3D封装在同一封装将不同的硅芯片和分立元件连接在一起,通过缩减信号距离大大节省空间并提升电气性能。而系统级封装(SiP)可简化微型助听器装配流程,适用于所有助听器类型。

2. 可穿戴技术用于医疗

可穿戴电子趋势作为市场的热点也不容忽略,其应用主要包括健身和健康如体育运动和活动监测、心率监测器、智能服装、睡眠传感器、体重指数(BMI)和生命体征,以及信息娱乐如智能手表、扩增实境(AR)头戴式设备、智能眼镜、可穿戴成像设备等。安森美半导体在这方面也有相应的产品,如串行SRAM已在索尼量产的智能手表中得以应用,BelaSigna 300被嵌入高通发布的Toq智能手表,提供医疗级品质。

安森美半导体用于可穿戴电子及个人消费类音频等应用的音频方案,包括可编程类和R系列两类,具有卓越的音频清晰度及领先业界的低功耗。可编程类如BelaSigna 300提供设计灵活性,计算效率高,其音频保真度可保留细节以提供最佳音频信号;R系列先进的降噪特性可提供清晰无杂音的声音 ,易于集成,可即插即用,多功能语音捕获功能保证在任何场景使用都不降低语音。

安森美半导体的“一直开一直听”语音触发方案BelaSigna R281为电子设备添加一直开启的语音触发功能,且功耗低于300 μW,优化便携式设备的待机电池使用时间。该方案识别经用户培训后的单个触发短语,当检测到关键短语语音时发出“唤醒”信号,然后,智能手机的原生语音识别系统处理该语音接口。BelaSigna R281的PCB占板面积很小,易于导入设计,适合用于小巧的可穿戴设备。

3. 智能医疗

在“智能医疗”的趋势下,血糖检测仪、起搏器和除颤器、复苏背心等可穿戴医疗的监测信号现在可通过BLE从治疗或诊断设备直接到护理监测仪,甚至到消费者手机。智能手机将推动病人监护如心脏监测、连续血糖检测(CGM)等的增长,新的应用程序获监管机构批准将推动理疗如离子导入、胰岛素给药、电刺激等的增长。例如LifeWatch V使用户能够进行体温、脂肪分布、压力、心率、血氧饱和度、心电图,以及血糖与血压的自测并提供用药提醒;三星的S Health应用程序可监测个人健身数据,跟踪健康统计数据,并提供用户数据的图形化结果。对于这类应用,安森美半导体将提供BLE方案,具有超低待机电流和超低功耗,工作循环快速接通,可与公司的微控制器、AFE无缝工作。

植体

植体应用主要包括除颤器及心脏起搏器、神经刺激器、可注射监测器、和可吸入电子等。安森美半导体为植体制造商提供ASIC设计和代工、超低功耗SRAM、多通道瞬态浪涌抑制器和定制的医疗分立元件。

其中,超低功耗SRAM从64 kB至8 Mb 密度,可无限次擦写,优化实现工作电压低至1 V的超低功耗运行,8 Mb SRAM的漏电流典型值仅约100 nA。这是安森美半导体以品质为导向、量产超过10年的成熟技术。

结论

在社会人口老龄化及相应的体制的推动下,可穿戴医疗成为一种趋势。安森美半导体与市场紧密联系,与时俱进,以广博的医疗行业经验和设计专长、丰富的知识产权阵容,将硅引入生活,专注于听力健康、移动医疗及植体等个人便携式医疗应用,提供低功耗、小封装、具备无线连接及智能化特性的医疗级品质的硅方案,并通过全球技术团队支援医疗设备设计人员进行个性化的医疗创新。

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责任编辑:常慧思