高集成度专用芯片和SoC应对医疗设备便携化需求

发达国家老龄化和发展中国家对医疗设施的投资，使得医疗电子成为半导体产业新的增长点，领先半导体公司都加大了对这一领域的投入。医疗设备“消费化”的发展趋势，要求医疗设备保持高性能的基础上，也具有“便携性(低功耗)、连接性和低成本”等消费电子特性。为了满足这种“矛盾”的性能需求，半导体公司纷纷发布针对便携医疗的高集成度专用芯片，更多的单芯片和SoC出现在医疗电子领域。 医疗电子的关键词：便携、连接和高性能 美国食品药品管理局(FDA)指出，生育高峰期出生的那一代人已日渐年迈，形成了治疗及诊断医疗设备的“消费”趋势，家庭医护随之与日俱增。在这个趋势推动下，消费性医疗设备的发展日趋蓬勃，对产品的智能化和易用性的要求也在不断提高。这类产品在价值1,000亿美元，以15%的年增长率发展的医疗设备市场中占据了最大份额。 正是看到了这种需求，TI、ADI、Microchip和Zarlink等公司都加大了投入，并将便携和消费医疗领域视为未来增长点。例如，不久前TI和Microchip都成立了专门的医疗业务部门。自2006年末开始，TI不断抽调各个不同业务部门的人员到新成立的医疗电子部，并预计未来10年来自医疗芯片的收入将增长10倍。 TI公司发言人表示，我们将利用在处理器和模拟技术方面的优势，关注医疗领域中的成长型市场，在这些市场中，客户在追求便携性、高精度和连接性。随着家中使用医疗设备的情况越来越多，传统上笨重的医疗设备现在变得越来越容易携带，而且没有牺牲高精度和细节。类似超声与病人监视器等复杂的影像及监控应用，将使病人能够在家中养病，缩短康复时间并空出紧张的医院床位。 而且，这些家庭中的医疗设备可以通过无线或宽带连接医院或医生。TI解释说：“如果能够长期收集病人的数据，而不仅是在医生给病人看病的时候收集，将大大帮助医生提升诊断能力。长期收集那些高质量的临床数据一直是比较困难的事情，但我们看到新技术正在出现，它们测量和存储数据，质量可与在医生诊室收集的数据媲美，甚至更好。”长使用寿命的可佩带或可植入设备不断缩小，是TI看到的另一个发展趋势，比如由用户脑信号直接控制的假臂，以及目前正在试验中的基于可植入硅片的仿生视觉。 医疗电子也是ADI业务增长最快的领域之一，2006年ADI医用半导体收入超过1亿美元，比上年增长了24.4%。为了迎合市场的发展，ADI在其标准高性能模拟技术基础上，推出了更多针对医疗应用的专用芯片。ADI公司负责工业、仪表和医疗业务的资深业务经理周文胜表示：“在医疗领域，几年前我们主要提供标准的高性能模拟芯片，如高速ADC，这是我们的核心技术，未来几年我们会在核心技术的基础上不断推出一些专用芯片。” 专用芯片和SoC满足低功耗和高性能需求 而TI、ADI等纷纷推出面向医疗电子的高集成度专用芯片和SoC，一是因为“便携和消费化”使得医疗设备出货量迅速增长，专用芯片和SoC已经有了规模效应；二是由于医疗应用的特殊性， “便携和消费化” 要求医疗设备引入便携消费电子“低功耗、小体积和低成本”特性的同时，又要保持 “高性能”，而专用芯片和SoC能够更好满足这种“矛盾”需求。 例如，在医院外进行的超声波检查越来越多，但便携性迫使制造商牺牲其图像质量，限制了便携超声设备所能完成的医学诊断。为了满足便携超声设备对高图像质量的需求，ADI最近推出了完整的8通道单芯片模拟前端AD9271，在单芯片上集成了完整的8通道超声接收器。与此前的多芯片方案相比，系统尺寸和功耗分别降低了50%和25%，同时，噪声水平及其他性能均达到急重症护理的要求。研究机构Frost & Sullivan的数据显示，便携超声设备市场年复合增长率为19.2%，2010年将达3.3亿美元。 AD9271集成了低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、抗混叠滤波器(AAF)以及12位ADC。它集成的ADC在以10和50MSPS采样速率工作时，其每通道功耗分别仅为115和175mW，比相近方案降低25%。AD9271的面积为78mm²/通道，而ADI上一代三芯片方案(AD9222+2(AD8334)+滤波器)为161mm²/通道，而最接近竞争对手的双芯片方案为126mm²/通道。输入动态范围方面，AD9271为157~159dB，竞争对手的双芯片方案为150~153dB，超出6~9dB。此外，AD9271的其它特点包括外接元件更少、LNA旁路、支持有源的阻抗匹配和支持与AD8333的CW多普勒。 周文胜表示，目前超声系统的核心驱动力是更高图像品质、灵活性、更好的便携性和更低的价格。而图像品质和灵活性提升依赖于更高通道数和动态范围，目前超声系统正向256~512个通道发展，采用高集成度的AD9271，系统厂商可以在单位体积内获得更多的通道数，从而实现更高图像品质、更小外形和更低成本。 TI不久前也推出了MSP430FG461x系列超低功耗MCU，它包含最高达120KB闪存和8KB RAM，由于它在单芯片上提供高集成度的智能外设与较大的存储选项，可满足脉搏血氧饱和度测试计与无线心电图机等便携医疗设备的要求。它集成了OPA、ADC、DAC和DMA，无需使用外部组件就可构成了一款完整的片上信号链 (SCoC)单芯片方案，降低了总体系统成本。 而TI能够做到这一点，得益于其完整的DSP/MCU和高性能模拟技术，以及在消费领域的应用积累。TI表示，以较低的功率实现高性能，并不是新出现的机会，手机、MP3或PMP等消费产品都曾提出过这些要求，它们都需要与家庭网络或者互联网连接的高性能处理器，而且低功耗。TI发言人指出：“我们的DSP和MCU在不断发展，提供越来越多的性能，同时保持低功耗；而我们的模拟技术将为最新医疗设备提供所需的精度与连接性。” 除了SoC产品外，TI还强调其低成本TMS320C5000 DSP具有业内最低的待机功耗，而且完整的eXpressDSP功率设计工具使开发者能够设计低功耗应用。此外，TI还在研发20~30MIPS的DSP，它将于2008年推出，功耗据称比现有DSP有数量级的减少，将是面向数字助听器等植入医疗设备的关键产品，同时也用于耳机、MP3播放器和其它系统。 而针对心脏起搏器、去颤器、神经刺激器、植入式药泵以及生理指标监测仪等植入式应用，Zarlink最近推出了超低功耗射频SoC ZL70101，它集成高性能MAC，除天线匹配以外，只需要三个外部元件。它可提供高达800kbps的数据速率，工作在MICS(医学植入通信服务)402~405MHz频段，在全速工作模式下，典型工作电流为5mA。为帮助延长植入式医疗设备的电池寿命，体内通信系统采用定时或按需方式传输数据。ZL70101收发器集成了独特的“唤醒”接收器，“睡眠”模式下仅需要超低的250nA电流。