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可穿戴产业受阻 寻觅最新医疗电子方案

2017-10-19 15:26:15 来源:《电子工程专辑》

【大比特导读】现在,中国人民开始富裕起来了,但却面临着重疾的威胁,在全球医疗企业眼中,中国将很快成为全球最大的医疗设备市场,且潜力无限。电子工程专辑作为提供给工程师硬件创新灵感的媒体,本期再次特别专访了众多家半导体企业,了解他们向市场提供的医疗保健电子方面的最新解决方案。

随着苹果手表、Misfit手环等一大批可穿戴的设备销量快速下滑,原本生机勃勃,有望成为创业大潮的便携式医疗和保健电子产品市场,在2017年一下子进入了冷静期。除了少数几家还在坚持外,绝大部分厂商已经另谋出路。不过,中国作为最大的发展中国家,拥有最大的人口数量。现在,中国人民开始富裕起来了,但却面临着重疾的威胁,在全球医疗企业眼中,中国将很快成为全球最大的医疗设备市场,且潜力无限。电子工程专辑作为提供给工程师硬件创新灵感的媒体,本期再次特别专访了众多家半导体企业,了解他们向市场提供的医疗保健电子方面的最新解决方案。

随着苹果手表、Misfit手环等一大批可穿戴的设备销量快速下滑,原本生机勃勃,有望成为创业大潮的便携式可穿戴医疗和保健电子产品市场,在2017年一下子进入了冷静期。除了国内品牌小米、华为还在继续发布手表、手环的新品和另辟蹊径的深圳智能表芯坚持走替代传统手表的路以外,绝大部分厂商已经另谋出路。不过,中国作为最大的发展中国家,拥有最大的人口数量,现在,中国人民开始富裕起来了,但却面临着重疾的威胁,在全球医疗企业眼中,中国将很快成为全球最大的医疗设备市场,且潜力无限。因此,很多企业与投资者,依然将重心放在医疗与保健设备行业。

电子工程专辑作为提供给工程师硬件创新灵感的媒体,本期再次特别专访了众多家半导体企业,了解他们向市场提供的医疗保健电子方面的最新解决方案。

Microchip医疗产品部业务拓展经理Marten L. Smith认为,面向家庭/个性化医疗的远程患者监视,以及全新高性价比给药方法是医学电子领域中最重要和发展最迅速的两个方面。负责设计这类医疗设备的公司不仅需要考虑到嵌入式设计本身,还需要在设计产品时考虑完整的医疗基础设施的设计需求。

Microchip几年前已计划满足这些新领域的要求,现已开发出可满足此类基础设施各方面需求的产品。这种医疗产品基础设施的所需的必要部分以及Microchip能为此提供的产品包括:

完整的IoT和云端解决方案——嵌入式产品、固件/软件协议栈、无线产品(Bluetooth、WiFi和sub-GHz等)和云合作伙伴。

医疗设备级安全/身份验证解决方案——集成有硬件加密引擎的单片机(MCU)、独立的加密/身份验证产品以及软件库。

创新、安全且用户友好的低功耗触摸和输入传感解决方案——触摸、滑动条、接近传感、触觉反馈、3D轨迹和手势等。

满足超低功耗要求的产品——产品采用低功耗工艺制造,具有多种灵活的休眠和外设唤醒模式,能够在使MCU中央处理单元(CPU)进入休眠模式的同时处理医疗监视所需的功能。

面向这些关键领域的产品示例,以及技术支持体现在Microchip的某些医疗演示设计中。下面是其中一些示例:

ULP连接的可穿戴活动追踪仪演示——测量远程患者监视的数据,例如接近、计步、自由落体(检测)、陀螺运动、环境温度、压力(海拔)、湿度和亮度。 SAM L21 ARM Cortex-M0+ MCU和BTLC1000 Bluetooth低功耗模块是此演示板使用的核心器件。

单芯片可穿戴心率监视演示——用于通过可穿戴设备测量心率。该演示是一个单芯片实现示例,其将节能型独立于内核的外设(CIP)与超低功耗(XLP)PIC16F1779 8位MCU相集成。8位MCU的这些特性使用相位分隔复用技术,可同时测量多个信号且无任何串扰。

连接的可穿戴ECG心率监视演示板——非常适合设计可穿戴远程患者监视或患者诊断系统以及消费类健身设备。 此演示采用ECG方法测量心率、心率变异性、心脏年龄和心脏负荷。SAM L22 ARM Cortex-M0+ MCU和BTLC1000 Bluetooth低功耗模块是此演示板使用的核心器件。

单芯片振动筛喷雾器——此演示展示了如何仅通过单芯片驱动板实现电池供电的低成本振动筛喷雾器。该演示使用集成有独立于内核的外设(CIP)的超低功耗(XLP)PIC16F1713 8位MCU。这种全集成式的设计使用CIP来减轻MCU内核的负荷,免去了压电驱动器方面的固件开销,并且还显著减少了元件数以及电路板尺寸。

数据和控制安全对于医疗设备极其重要,对于社会也非常关键。不仅需要确保服务器中患者数据的安全,在将这些数据从医疗设备传送到手机、平板电脑、PC或最终传送到云端时也必须确保安全。此外,对医疗设备本身进行保护以使其免遭入侵和控制已成为设计人员密切关注的问题。对于医疗设备设计人员而言,使用集成有硬件加密引擎的MCU、独立加密/身份验证产品以及可为医疗设备及其数据提供保护的软件库至关重要。

在医疗法规符合性方面,需要牢记以下关键点:医疗设备设计人员担负着证明对美国FDA、欧盟和CFDA等政府机构的适用性的重任。Microchip在为医疗客户提供支持方面拥有多年丰富经验。其中一个示例是,我们为影响生命安全的应用提供器件,美国FDA将这类应用视为3类应用,欧洲则将其视为3类或4类应用等。

桌面式、塔柜式医疗设备市场,如超声波、X-光、生化分析仪等,具有价格敏感度高、质量要求高等特点。TDK专门针对该类应用提供品质出众的标准型元件,如标准的IEC滤波器及MEMS压力传感器。这些元件不仅坚固耐用、性能优良,而且性价比高,可帮助用户缩短新产品的开发时间。

TDK是CT、MRI、除颤器等公司的主要电子元件供应商,为其大功率仪器提供坚固耐用、性能可靠的大功率元件。这些元件包括爱普科斯(EPCOS) 螺端和焊针型电解电容器、标准及定制版EMC滤波器、压敏电阻、缓冲薄膜电容器、功率薄膜电容器等。

TDK集团旗下爱普科斯公司销售经理廖伟粦认为,医疗设备属于高敏感设备,电磁干扰产生的消极影响会对诊断和治疗产生不良作用,比如设备工作不正常、不连续、读数不准确等,而爱普科斯IEC插座滤波器可有效防止电磁干扰,主要应用于各类分析仪、检测设备、治疗仪等。该滤波器配有IEC插座、尺寸紧凑、低漏电流(最低可达0.1mA)、可自带开关和保险,滤波性能优越。并且,因为医疗设备的特殊和重要,全球包括中国都制定了相关针对医疗设备的EMC(电磁兼容)标准,如EN 55011,GB 4824等,爱普科斯EMC滤波器是帮助医疗设备满足标准的重要器件。

MEMS传感器的其中一个潜力市场是一次性医疗用品,如血压换能器,或无针连接器等。通常传感器必须符合医疗仪器协会(AAMI)规范中所述的要求。 MEMS压力传感器的主要功能是提供压力数据(血压、流体压力、气压等),用于生命体征监测或其他医疗设备的进一步分析。

 

TDK旗下爱普科斯自主开发的压力传感芯片C39。

 

TDK旗下爱普科斯自主开发的压力传感芯片C39。

患者监护仪、呼吸机和麻醉机生产商一般使用低成本集成型(温度补偿、线性度对准和信号放大) 的标准封装压力传感器。一次消耗性的血压换能器、无针连接器一般使用基于AAMI密封要求的小型压力传感器。便携式血压计通常使用成本优化的标准外壳压力传感器。

TDK 是主要MEMS芯片供应商之一,可提供种类繁多的MEMS压力传感元件,包括自主开发的压力传感芯片C39(最小的芯片尺寸为0.65×0.65毫米)、标准封装集成压力传感变送器和为客户特制的压力传感系统。这些产品可以测量范围广泛的液压和气压。标准封装的ACT系列具有温度补偿和线性度调校,可直接用于在大多数0.1~25bar的应用中。

在医疗电子市场,世强主推来自美国SMI的压力传感器,该品牌专注微压传感器26年,最近会推出125pa量程的差压传感器,产品性能始终领先行业水平。目前在汽车、环保、医疗和工业等领域都有出众的表现。医疗产品诸如呼吸机、病人监护仪、电子血压计、二氧化碳检测仪等都必须使用压力传感器,主要作用是测量气体或液体流量、检测血压等人体健康指标。除此之外,SMI还有应用于导管手术的超小型压力传感器 (尺寸仅有 0.75mm×0.22mm×75um),可以轻松的集成到导管中,对人体器官/血管内部的压力进行精准的测量。SMI压力传感器具有体积小,精度高,全生命周期输出漂移小的特点,非常适合医疗、汽车等高要求场合。

深圳市世强先进科技有限公司市场经理胡越强表示,压力传感器属于医疗设备里的重要组成部件,因此客户对性能和价格都特别看重。

从性能方面,SMI从以下几个方面予以保证:A.2012年以后的产品使用了全新硅晶圆材质,和全新的刻蚀工艺,新产品的稳定性/一致性等主要指标较上一代产品有了很大提高。B.部分产品由于采用背部承压工艺,让检测介质和传感器的电路(在芯片正面)不接触,增强抗腐蚀能力;针对特殊应用场合,SMI可以在晶圆表面覆盖铂金等贵金属保护层,进一步提升耐腐蚀性能。C.提供内部温度补偿的产品,减少客户的设计难度并满足客户对精度和稳定性的要求,SMI补偿过的产品全量程范围精度达到1%以内,且10年内输出误差小于1%。

从成本方面,SMI从方案层面为客户提供多元选择。可以基于客户不同诉求和研发能力提供晶元、非补偿封装片、带补偿封装片三种选择,为不同类型的客户或同一客户的不同阶段提供不同的解决方案,以满足成本考量。

带补偿产品的应用非常简单,客户可以从数字接口(I2C/SPI)或模拟接口读到准确的压力值。非补偿产品具有较高的性能价格比,但客户需要相关设备对压力传感器进行校准和标定,在这方面世强和SMI均能提供技术支持,保证客户顺利推进。

SMI不断推出全球最小体积的产品,有效减小了医疗产品的尺寸和重量,让便携式设备逐步普及,不仅方便了医院和消费者,也让医疗设备进入家庭成为客户,市场容量逐步拓展。比如家用呼吸机已经渐渐被广大用户接受,开始进入千家万户。

医疗设备必须做医疗认证,作为零部件,SMI压力传感器认证齐全,不会给客户的认证过程带来任何困扰。目前西门子、飞利浦、美敦力、迈瑞等知名厂商均在使用SMI的压力传感器,且更多新的项目正在研发中。

艾迈斯半导体公司目前在的医疗电子方面力推的是医疗影像设备中的传感器接口电路,用于将光或磁信号转换为数字信号。主要特点是更快的转换速度、更高的线性度,以及更好的噪声特性。

艾迈斯半导体大中华区销售市场副总裁陈若中表示,作为医疗影像设备,包括CT、MRI、X-ray在内的核心器件,该方案具备极高的集成度,用户仅需对输出的数字信号进行图像处理。对于X-ray和CT设备来说,基于AS58xx和AS59xx的设计可以在更短的时间、更小的剂量下获得更高质量的影像。对于MRI来说,可以更低的系统成本获取更高的图像质量。

AS58xx和AS59xx属于业界首创,对于用户来说,可以更加有效的避免辐射剂量的影响,对于医生来说,可以获得更高质量的影像来进行诊断。陈若中介绍,该方案已经有全球领先客户完成了整机产品的生产,并且获得了医疗体系的相关认证。

Teledyne e2v 是集设计、研发和制造于一体的高新技术企业,是MG5193磁控管与MG7095磁控管的创始者。该器件是放疗加速器的核心部件,平均每1/4秒就有一名癌症病人因为使用了该公司的产品而得到医治。Teledyne e2v英国的生产基地致力于研发新型磁控管及高压开关技术,而北京的运营中心在快速推进加速器微波子系统项目。公司的磁控管产品能够提供从1MW到5MW峰值功率给放疗加速器,后者用来产生X射线摧毁癌细胞。

微波及射频电源高级测试及应用工程师董院政介绍,Teledyne e2v 对微波磁控管的研发和制造拥有60多年的历史,“围绕着磁控管这个核心器件,我们研发了相应的全固态脉冲调制器电源技术,发展了与之相关的整个RF子系统。”此RF子系统主要包括:全固态调制器电源、磁控管、电磁铁/永磁铁、方圆转换、传输波导、四端环流器以及AFC单元等,整个技术方案如图7所示。

 

图7:Teledyne e2v的RF子系统技术方案。

 

Teledyne e2v的RF子系统技术方案。

董院政介绍,此RF子系统集成当今世界最先进的全固态电源技术,与Teledyne e2v原产磁控管组合,可以针对客户的不同应用,提供全功率范围的稳定输出。 他同时还强调,“我们不但可以为客户提供标准的微波系统解决方案或产品,也可以为客户提供定制化服务。”

IMEC成立于1984年,是世界领先的纳米微电子技术和数字技术研究中心。IMEC的纳米微电子芯片技术广为人知并广受好评。除了底层的芯片级的工艺、材料、设计技术积累,IMEC同时拥有深厚的软件算法和信息通信技术专业知识。 两者的结合使IMEC科研领域获得极大的扩展延伸,并与产业界紧密结合。与其他研究中心相比,IMEC的研发领域广泛并全面,研究成果获得了产业界的广泛肯定。

IMEC拥有世界一流的半导体生产制造基础设施(包括8寸线,12寸线,以及生物医疗实验室),众多的行业合作伙伴,生态系统几乎涵盖欧洲和全球的纳米微电子全部主要玩家。IMEC在医疗技术创新、智慧城市、移动、物流、制造、和新能源等应用领域为我们的合作伙伴提供世界领先的开创性的解决方案。

IMEC的研发团队汇集了来自超过75个国家和地区的近3500名杰出人才与科学家,是大公司、初创企业、以及科研院所的值得信赖的合作伙伴。 IMEC的总部设在比利时Leuven,与此同时,在比利时本土的大学有一些分布式的研发组,在荷兰、台湾、美国、中国设有研发中心,在印度和日本设有办事处。2016年IMEC的收入(P & L)总计4亿9600万欧元。

IMEC市场拓展总监姜宁介认为IMEC在纳米微电子领域有非常深厚的积累。硅半导体微芯片技术会帮助健康类电子产品实现,集成度的持续提高,大规模的量产、以及成本的持续降低。

 

IMEC的细胞分选芯片。

 

IMEC的细胞分选芯片。

图9是IMEC的细胞分选芯片,它是一个实现了芯片上无透镜成像和细胞分选的微型系统。它的主要优势就在于高度集成。由于半导体硅材料的极端缩放能力,在这颗芯片上可以集成几千个并行的细胞成像和分选通道。通过这种方式,在一秒钟内可以分选多达2000万个细胞。

 

图10:IMEC为美国基因测序公司Pacific Bioscience设计的DNA测序芯片,帮助Pacific Bioscience将测序仪成本下降了一半。

 

图10:IMEC为美国基因测序公司Pacific Bioscience设计的DNA测序芯片,帮助Pacific Bioscience将测序仪成本下降了一半。

DNA测序是精确医学的关键技术。现在市场上的DNA测序,所用的仪器非常大,其速度很慢,集成度低。 Pacific Biosciences是美国的一家高科技企业,设计生产DNA测序仪, PacBio RS II是Pacific Biosciences的一代产品。2012年 PacificBio与IMEC签署合作协议,IMEC帮助Pacific Bio设计实现高度集成的基因测序芯片。 2015年在IMEC的帮助下,新一代产品,Sequel System上市了。与RS II相比,测序速度提升7倍,体积比以前的三分之一还小,价格低了一半。快速测序时间:0.5至6小时。连续处理16 SMRT细胞在与自动化单跑走。“这意味着我们在小小的芯片上实现一个微型的实验室,我们在几个立方厘米这么小的一个封装的芯片上,实现DNA测序,实现细胞分选,还可以实现无透镜的成像,大家可以想象如果这个技术普及开来,在生命科学领域是一个非常了不起的创新,甚至是颠覆性创新,对整个产业深厚的影响。”姜宁介绍说。

姜宁还介绍了IMEC跟另外一家美国公司Genalyte的合作。IMEC为Genalyte定制了硅光子生物传感芯片。这颗芯片可用于传染病检测、免疫检测、癌症诊断;它体积非常小,成本也很低,可以用完即抛。Genalyte把这个芯片集成到自己的设备后,在用户提供一滴血的情况下可以帮助用户在15分钟内,实现128种检测。

IMEC与荷兰的Holst Center合作,开发可穿戴健康检测设备。这些设备均采用了一系列超低功耗元件,包括超低功耗射频与超低功耗传感器。这些人体表面的网络可以帮助人们以更健康的方式生活,并能对疾病的早期预防有积极作用。

姜宁同时指出,可穿戴设备的小型化是一个大趋势,为此,芯片上的创新是必不可少的。

IMEC为此专门设计了一系列的可穿戴健康检测专用芯片MUSEIC。 MUSEIC V3 是第三代,致力于单次使用用完即抛的一次性医疗解决方案。它集成了IMEC设计的专用AFE (active front end),支持ECG、PPG、生物阻抗等多种传感器。还集成了电源管理、安全、无线通信模块。第三代MUSEIC SoC采用TSMC 55纳米工艺,晶圆尺寸是5mm×5mm。

对于可穿戴健康检测来说,贴片是精准移动健康解决方案的重要部件。 IMEC与Holst Center一起在2016年底推出了下一代健康贴片(health patch)。该贴片面积小而舒适,低功耗。它是第一个集成了多种传感功能的贴片–集成了加速度计(跟踪一个人的身体活动)心电图跟踪(测量心脏的电活动)和阻抗监测(测量身体成分,呼吸活性和体液的分布)。

 

本文由大比特资讯收集整理(www.steinberg-na.com)

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