安森美半导体配合中国便携医疗设备趋势的医疗半导体方案

　　来源：安森美半导体

　　摘要：多种市场动力在推动便携医疗设备的发展。安森美半导体深刻理解便携医疗设备要求及市场趋势，提供多种高性能、高集成度、高精度、高可靠性及低能耗的半导体方案，如混合信号微控制器、数字信号处理器及数字信号处理混合模块，用于便携式血糖仪、心电图仪及无线助听器等应用。

　　近年来，随着人口老龄化及医疗成本上升的压力推动着转向家庭医疗保健。此项转变，加上人们对保健的兴趣日益增加及智能联网型便携设备的普及，正在推动医疗设备的创新。就中国而言，本土医疗设备研发不断增多，且本土制造商极力提供成本低于外国竞争者的产品。面向中国市场的医疗设备也在不断追求提升可靠性（准确度和精密度）、便携性及耐久性，同时也注重内置“智能”，提升医疗设备的易用性。这些趋势推动着医疗半导体朝更高集成度、小型化和高能效等方向发展。

　　安森美半导体提供宽广阵容的产品及服务，拥有掌握系统专业技术的工程人才，深刻理解医疗市场对品质、可靠性及长远性的要求，以及全球性的生产及物流实力，使医疗技术开发人员能够以安森美半导体高性能硅方案，解决他们独特的设计挑战。本文将着重介绍安森美半导体配合中国消费类医疗设备趋势的医疗半导体方案。

　　1） 用于血糖仪等便携医疗设备的Q32M210 32位混合信号MCU方案

　　近年来，有关中国糖尿病现状的案例研究表明，由于生活方式及饮食结构变化，中国的糖尿病呈上升趋势。相关因素包括西式饮食模式影响、缺少运动，以及中国由农业国家向更加工业化国家转变并催生更多写字楼工作岗位等。这些因素需要血糖仪（BGM）用于个人的监测、变化趋势分析及与医生的沟通，推动了血糖仪的使用和销售。

　　
图1：Q32M210的架构图。

　　安森美半导体提供用于血糖仪等便携检测及精密测量和监控设备的32位混合信号微控制器（MCU）—— Q32M210。这器件是高精度的模拟前端，采用业界标准ARM® Cortex™-M3处理器内核，集成16位低噪声模数转换器（ADC），能够进行更精密的血糖等级计算。Q32M210的能耗极低，待机电流低于26 μA，休眠电流约为750 nA，帮助延长电池使用时间，非常适合采用电池供电的便携医疗设备应用。这器件集成度高，除了集成32位ARM处理器内核，还带有集成参考的传感器接口，包含256 kB闪存、实时时钟、电源管理和接口。如此高的集成度，有利于降低系统复杂度，减小外部元器件需求，降低成本，支持更小外形因数的PCB设计及实现尺寸更小的血糖仪。这器件的灵活性高，兼容宽范围传感器类型，不需要新的外部电路来匹配新的血糖检测试纸类型，还易于集成、标准化及连接。除了用于血糖仪，Q32M210还可用于心率监测仪及健康监测设备等应用。

　　
图2：传统架构与安森美半导体优化架构对比

　　值得一提的是，Q32M210支持实现极优化的血糖仪架构。典型架构如图2左侧所示，这种架构精度高、简单，但不灵活。右侧的优化架构不仅精度高，还具有强固特性，并可重配置。为了帮助设计人员回忆产品开发，安森美半导体还提供多种开发工具，包括硬件演示板和快速开发原型、评估及开发套件和EDK文档等。

　　2） 用于便携监视及诊断医疗设备的BelaSigna®系列超低能耗DSP系统

　　如前所述，医疗市场的趋势推动便携医疗监视及诊断设备的需求不断增强，如心电图（ECG）等。这类设备对便携性的需求越来越高，同时也需要整合更多数字信号处理（DSP）功能，以提供实时处理能力。例如，患者可能需要较长时间佩戴或携带便携式ECG设备，以便采集一系列长期心率数据。这类便携ECG设备对带宽的要求往往不高，同时由于采用电池供电，故要求DSP能耗较低。针对这类便携医疗设备应用，安森美半导体提供BelaSigna®系列的超低能耗DSP系统，如BelaSigna® 250和BelaSigna® 300等。

　　BelaSigna®系列是完全可编程的DSP，优化了尺寸、功耗、信号完整性及运算功率。以BelaSigna® 300为例，这是一款尺寸仅为3.6×2.6 mm的24位超低功率DSP，它以固定功能专用集成电路（ASIC）的功耗和尺寸提供通用数字信号处理器（DSP）的灵活性，增添的先进模拟音频输入及24位信号通道可实现极佳的音频质量，独特的专利双核架构实现回声消除和噪声消减等众多先进音频算法同时运行，并能维持极低的功率消耗。图3显示的是BelaSigna® 300的框图。这器件采用双内核计算，其中包括开放可编程的CFX 24位DSP内核及HEAR高度可配置的协处理器，这双内核平衡处理功率并优化能耗及设计灵活性。这器件提供高精度的模拟输入段，包括4路独立输入通道，提供110 dB的动态范围，模数转换器（ADC）的采样率达1.27 至60 kHz。这器件的能耗极低，供电电压低至1.8 V，待机电流仅为40 μA，典型能耗为1至5 mA，非常适合便携式ECG设备等应用。

　　
图3：BelaSigna® 300 DSP系统框图。

　　3） 用于助听器的预配置无线DSP系统方案

　　有关中国听力健康现状的案例研究显示，中国有超过1，000万成年人患有听力减退。美国的研究显示，由于受到过度噪音的影响，6至19岁儿童及青少年中有12.5%存在永久性听力上损害，中国城市地区的研究显示出类似结果。中国成年听力减退者中估计仅1%使用助听器，相比较而言，欧洲为16%，美国为25%，这也可以看出中国助听器市场潜力巨大。

　　助听器主要分耳背式（Behind The Ear， BTE）和耳内式（In the Ear， ITE），适合不同年龄和不同需要的患者配戴。前者包含传统BTE、微型BTE和耳道内置受话器（Receiver In Canal， RIC）等不同类型；而后者则包括全/3/4/半耳腔式ITE、耳道内置、深耳道（Completely In the Canal， CIC）及耳道内不可见（Invisible In Canal， IIC）等类型。

　　
图4：助听器主要类型概览。

　　助听器的发展趋势主要体现在三方面。一是趋向分立及“不可见”。更小巧的耳道内置受话器（RIE）及新的耳道内不可见（IIC）类型在美国“婴儿潮”一代开始采用助听器时更受欢迎。二是增加无线通信及连接功能。当前采用的无线通信及连接技术包括2.4 GHz、900 MHz及带蓝牙继电器的近场磁感应（NFMI）等。三趋向完全自动化及更高“智能”程度。诸如音量控制及信号处理自动适配声音环境，因而更有效，令用户更方便。要满足这些趋势，医疗半导体制造商需要转移至65 nm或更小节点工艺及微型化封装技术，需要互操作性及先进的封装技术，增加处理功率及算法复杂度等。

　　
图5：无线助听器框图

　　安森美半导体为无线助听器应用提供预配置的无线DSP系统，包括Ayre™ SA3291混合模块及AYRE中转器参考设计等。这些预配置DSP系统提供多种混合选择及功能包，支持所有助听器产品类型，非常适合于要求极少编程配置、要求即可应用的助听器制造商。

　　安森美半导体Ayre SA3291助听器数字信号处理混合模块采用完整特性的助听器算法套件、预配置听觉处理器和NFMI高带宽集成双工无线电，天线是唯一需要的外部元器件，并可同步左耳及右耳参数。而安森美半导体的Ayre中转器参考设计支持立体声音频流、持蓝牙、音量控制和程序选择。安森美半导体的助听器数字信号处理软件具有几个明显的特性，如宽动态范围压缩，可柔和放大声音，且不会使增大的声音令人不适，可针对个体的听力减退情况提供个性化定制；反馈消除器可消除由反馈产生的部分助听器输出信号，并通过相位消除来自适应地消除；自适应方向可自动适配极性模式，根据噪声位置调节；利用环境分类持续分析声音环境，自动调节助听器将舒适度和可听性提升至最高。

　　为方便工程师设计，安森美半导体还提供软件开发工具（网上工具），帮助选择及配置算法，创建定制助听器；对电声特性建模、测试算法、微调等。如果客户开发验配软件，可提供接口通信库文件；如果客户没有验配软件，可提供验配软件的定制化。硬件开发工具包括DSP编程器和开发板。

　　除了预配置DSP方案，安森美半导体还为助听器应用提供Ezairo® 5900系列开放可编程的DSP系统。此DSP系统提供可高度定制的混合功能配置选择，非常适合于开发自有创新算法或应用第三方供应商提供的全定制算法的助听器制造商。

　　
图6：无线助听器应用示意图

　　总结

　　中国乃至全球的便携医疗设备市场正在不断蓬勃发展。这些便携医疗设备需要高精度、高可靠性、高能效、低能耗的关键半导体器件，同时也注重内置“智能”，提升医疗设备的易用性。安森美半导体身为领先的半导体供应商，深刻理解医疗市场对品质、可靠性及长远性的要求，提供宽广阵容的医疗半导体产品及方案。本文重点介绍安森美半导体适合便携式血糖仪、心电图仪及无线助听器等应用的高性能、高能效及高可靠性半导体方案及丰富的软硬件开发工具和支援，帮助设计人员开发符合市场要求的便携医疗产品，并加快产品上市进程。