可穿戴產業受阻 尋覓最新醫療電子方案

隨著蘋果手錶、Misfit手環等一大批可穿戴的設備銷量快速下滑，原本生機勃勃，有望成為創業大潮的攜帶型可穿戴醫療和保健電子產品市場，在2017年一下子進入了冷靜期。除了國內品牌小米、華為還在繼續發布手錶、手環的新品和另闢蹊徑的深圳智能表芯堅持走替代傳統手錶的路以外，絕大部分廠商已經另謀出路。不過，中國作為最大的發展中國家，擁有最大的人口數量，現在，中國人民開始富裕起來了，但卻面臨著重疾的威脅，在全球醫療企業眼中，中國將很快成為全球最大的醫療設備市場，且潛力無限。因此，很多企業與投資者，依然將重心放在醫療與保健設備行業。

電子工程專輯作為提供給工程師硬體創新靈感的媒體，本期再次特別專訪了眾多家半導體企業，了解他們向市場提供的醫療保健電子方面的最新解決方案。

圖1：Microchip醫療產品部業務拓展經理Marten L. Smith。

Microchip醫療產品部業務拓展經理Marten L. Smith認為，面向家庭/個性化醫療的遠程患者監視，以及全新高性價比給藥方法是醫學電子領域中最重要和發展最迅速的兩個方面。負責設計這類醫療設備的公司不僅需要考慮到嵌入式設計本身，還需要在設計產品時考慮完整的醫療基礎設施的設計需求。

Microchip幾年前已計劃滿足這些新領域的要求，現已開發出可滿足此類基礎設施各方面需求的產品。這種醫療產品基礎設施的所需的必要部分以及Microchip能為此提供的產品包括：

完整的IoT和雲端解決方案——嵌入式產品、固件/軟體協議棧、無線產品（Bluetooth、WiFi和sub-GHz等）和雲合作夥伴。

醫療設備級安全/身份驗證解決方案——集成有硬體加密引擎的單片機（MCU）、獨立的加密/身份驗證產品以及軟體庫。

創新、安全且用戶友好的低功耗觸摸和輸入感測解決方案——觸摸、滑動條、接近感測、觸覺反饋、3D軌跡和手勢等。

滿足超低功耗要求的產品——產品採用低功耗工藝製造，具有多種靈活的休眠和外設喚醒模式，能夠在使MCU中央處理單元（CPU）進入休眠模式的同時處理醫療監視所需的功能。

面向這些關鍵領域的產品示例，以及技術支持體現在Microchip的某些醫療演示設計中。下面是其中一些示例：

ULP連接的可穿戴活動追蹤儀演示——測量遠程患者監視的數據，例如接近、計步、自由落體（檢測）、陀螺運動、環境溫度、壓力（海拔）、濕度和亮度。 SAM L21 ARM Cortex-M0+ MCU和BTLC1000 Bluetooth低功耗模塊是此演示板使用的核心器件。

單晶元可穿戴心率監視演示——用於通過可穿戴設備測量心率。該演示是一個單晶元實現示例，其將節能型獨立於內核的外設（CIP）與超低功耗（XLP）PIC16F1779 8位MCU相集成。8位MCU的這些特性使用相位分隔復用技術，可同時測量多個信號且無任何串擾。

連接的可穿戴ECG心率監視演示板——非常適合設計可穿戴遠程患者監視或患者診斷系統以及消費類健身設備。 此演示採用ECG方法測量心率、心率變異性、心臟年齡和心臟負荷。SAM L22 ARM Cortex-M0+ MCU和BTLC1000 Bluetooth低功耗模塊是此演示板使用的核心器件。

單晶元振動篩噴霧器——此演示展示了如何僅通過單晶元驅動板實現電池供電的低成本振動篩噴霧器。該演示使用集成有獨立於內核的外設（CIP）的超低功耗（XLP）PIC16F1713 8位MCU。這種全集成式的設計使用CIP來減輕MCU內核的負荷，免去了壓電驅動器方面的固件開銷，並且還顯著減少了元件數以及電路板尺寸。

數據和控制安全對於醫療設備極其重要，對於社會也非常關鍵。不僅需要確保伺服器中患者數據的安全，在將這些數據從醫療設備傳送到手機、平板電腦、PC或最終傳送到雲端時也必須確保安全。此外，對醫療設備本身進行保護以使其免遭入侵和控制已成為設計人員密切關注的問題。對於醫療設備設計人員而言，使用集成有硬體加密引擎的MCU、獨立加密/身份驗證產品以及可為醫療設備及其數據提供保護的軟體庫至關重要。

在醫療法規符合性方面，需要牢記以下關鍵點：醫療設備設計人員擔負著證明對美國FDA、歐盟和CFDA等政府機構的適用性的重任。Microchip在為醫療客戶提供支持方面擁有多年豐富經驗。其中一個示例是，我們為影響生命安全的應用提供器件，美國FDA將這類應用視為3類應用，歐洲則將其視為3類或4類應用等。

桌面式、塔櫃式醫療設備市場，如超聲波、X-光、生化分析儀等，具有價格敏感度高、質量要求高等特點。TDK專門針對該類應用提供品質出眾的標準型元件，如標準的IEC濾波器及MEMS壓力感測器。這些元件不僅堅固耐用、性能優良，而且性價比高，可幫助用戶縮短新產品的開發時間。

TDK是CT、MRI、除顫器等公司的主要電子元件供應商，為其大功率儀器提供堅固耐用、性能可靠的大功率元件。這些元件包括愛普科斯(EPCOS) 螺端和焊針型電解電容器、標準及定製版EMC濾波器、壓敏電阻、緩衝薄膜電容器、功率薄膜電容器等。

圖2：TDK集團旗下愛普科斯公司銷售經理廖偉粦。

TDK集團旗下愛普科斯公司銷售經理廖偉粦認為，醫療設備屬於高敏感設備，電磁干擾產生的消極影響會對診斷和治療產生不良作用，比如設備工作不正常、不連續、讀數不準確等，而愛普科斯IEC插座濾波器可有效防止電磁干擾，主要應用於各類分析儀、檢測設備、治療儀等。該濾波器配有IEC插座、尺寸緊湊、低漏電流（最低可達0.1mA）、可自帶開關和保險，濾波性能優越。並且，因為醫療設備的特殊和重要，全球包括中國都制定了相關針對醫療設備的EMC（電磁兼容）標準，如EN 55011，GB 4824等，愛普科斯EMC濾波器是幫助醫療設備滿足標準的重要器件。

MEMS感測器的其中一個潛力市場是一次性醫療用品，如血壓換能器，或無針連接器等。通常感測器必須符合醫療儀器協會（AAMI）規範中所述的要求。 MEMS壓力感測器的主要功能是提供壓力數據（血壓、流體壓力、氣壓等），用於生命體征監測或其他醫療設備的進一步分析。 圖3：TDK旗下愛普科斯自主開發的壓力感測晶元C39。

患者監護儀、呼吸機和麻醉機生產商一般使用低成本集成型（溫度補償、線性度對準和信號放大) 的標準封裝壓力感測器。一次消耗性的血壓換能器、無針連接器一般使用基於AAMI密封要求的小型壓力感測器。攜帶型血壓計通常使用成本優化的標準外殼壓力感測器。

TDK 是主要MEMS晶元供應商之一，可提供種類繁多的MEMS壓力感測元件，包括自主開發的壓力感測晶元C39（最小的晶元尺寸為0.65×0.65毫米）、標準封裝集成壓力感測變送器和為客戶特製的壓力感測系統。這些產品可以測量範圍廣泛的液壓和氣壓。標準封裝的ACT系列具有溫度補償和線性度調校，可直接用於在大多數0.1~25bar的應用中。

在醫療電子市場，世強主推來自美國SMI的壓力感測器，該品牌專註微壓感測器26年，最近會推出125pa量程的差壓感測器，產品性能始終領先行業水平。目前在汽車、環保、醫療和工業等領域都有出眾的表現。醫療產品諸如呼吸機、病人監護儀、電子血壓計、二氧化碳檢測儀等都必須使用壓力感測器，主要作用是測量氣體或液體流量、檢測血壓等人體健康指標。除此之外，SMI還有應用於導管手術的超小型壓力感測器 （尺寸僅有 0.75mm×0.22mm×75um)，可以輕鬆的集成到導管中，對人體器官／血管內部的壓力進行精準的測量。SMI壓力感測器具有體積小，精度高，全生命周期輸出漂移小的特點，非常適合醫療、汽車等高要求場合。

圖4：深圳市世強先進科技有限公司市場經理胡越強。

深圳市世強先進科技有限公司市場經理胡越強表示，壓力感測器屬於醫療設備里的重要組成部件，因此客戶對性能和價格都特別看重。

從性能方面，SMI從以下幾個方面予以保證：A.2012年以後的產品使用了全新硅晶圓材質，和全新的刻蝕工藝，新產品的穩定性／一致性等主要指標較上一代產品有了很大提高。B.部分產品由於採用背部承壓工藝，讓檢測介質和感測器的電路（在晶元正面）不接觸，增強抗腐蝕能力；針對特殊應用場合，SMI可以在晶圓表面覆蓋鉑金等貴金屬保護層，進一步提升耐腐蝕性能。C.提供內部溫度補償的產品，減少客戶的設計難度並滿足客戶對精度和穩定性的要求，SMI補償過的產品全量程範圍精度達到1%以內，且10年內輸出誤差小於1%。

從成本方面，SMI從方案層面為客戶提供多元選擇。可以基於客戶不同訴求和研發能力提供晶元、非補償封裝片、帶補償封裝片三種選擇，為不同類型的客戶或同一客戶的不同階段提供不同的解決方案，以滿足成本考量。

帶補償產品的應用非常簡單，客戶可以從數字介面（I2C/SPI)或模擬介面讀到準確的壓力值。非補償產品具有較高的性能價格比，但客戶需要相關設備對壓力感測器進行校準和標定，在這方面世強和SMI均能提供技術支持，保證客戶順利推進。

SMI不斷推出全球最小體積的產品，有效減小了醫療產品的尺寸和重量，讓攜帶型設備逐步普及，不僅方便了醫院和消費者，也讓醫療設備進入家庭成為客戶，市場容量逐步拓展。比如家用呼吸機已經漸漸被廣大用戶接受，開始進入千家萬戶。

醫療設備必須做醫療認證，作為零部件，SMI壓力感測器認證齊全，不會給客戶的認證過程帶來任何困擾。目前西門子、飛利浦、美敦力、邁瑞等知名廠商均在使用SMI的壓力感測器，且更多新的項目正在研發中。

圖5：艾邁斯半導體大中華區銷售市場副總裁陳若中。

艾邁斯半導體公司目前在的醫療電子方面力推的是醫療影像設備中的感測器介面電路，用於將光或磁信號轉換為數字信號。主要特點是更快的轉換速度、更高的線性度，以及更好的雜訊特性。

艾邁斯半導體大中華區銷售市場副總裁陳若中表示，作為醫療影像設備，包括CT、MRI、X-ray在內的核心器件，該方案具備極高的集成度，用戶僅需對輸出的數字信號進行圖像處理。對於X-ray和CT設備來說，基於AS58xx和AS59xx的設計可以在更短的時間、更小的劑量下獲得更高質量的影像。對於MRI來說，可以更低的系統成本獲取更高的圖像質量。

AS58xx和AS59xx屬於業界首創，對於用戶來說，可以更加有效的避免輻射劑量的影響，對於醫生來說，可以獲得更高質量的影像來進行診斷。陳若中介紹，該方案已經有全球領先客戶完成了整機產品的生產，並且獲得了醫療體系的相關認證。

圖6：Teledyne e2v微波及射頻電源高級測試及應用工程師董院政。

Teledyne e2v 是集設計、研發和製造於一體的高新技術企業，是MG5193磁控管與MG7095磁控管的創始者。該器件是放療加速器的核心部件，平均每1/4秒就有一名癌症病人因為使用了該公司的產品而得到醫治。Teledyne e2v英國的生產基地致力於研發新型磁控管及高壓開關技術，而北京的運營中心在快速推進加速器微波子系統項目。公司的磁控管產品能夠提供從1MW到5MW峰值功率給放療加速器，後者用來產生X射線摧毀癌細胞。

微波及射頻電源高級測試及應用工程師董院政介紹，Teledyne e2v 對微波磁控管的研發和製造擁有60多年的歷史，「圍繞著磁控管這個核心器件，我們研發了相應的全固態脈衝調製器電源技術，發展了與之相關的整個RF子系統。」此RF子系統主要包括：全固態調製器電源、磁控管、電磁鐵/永磁鐵、方圓轉換、傳輸波導、四端環流器以及AFC單元等，整個技術方案如圖7所示。

圖7：Teledyne e2v的RF子系統技術方案。

董院政介紹，此RF子系統集成當今世界最先進的全固態電源技術，與Teledyne e2v原產磁控管組合，可以針對客戶的不同應用，提供全功率範圍的穩定輸出。 他同時還強調，「我們不但可以為客戶提供標準的微波系統解決方案或產品，也可以為客戶提供定製化服務。」

圖8：IMEC市場拓展總監姜寧。

IMEC成立於1984年，是世界領先的納米微電子技術和數字技術研究中心。IMEC的納米微電子晶元技術廣為人知並廣受好評。除了底層的晶元級的工藝、材料、設計技術積累，IMEC同時擁有深厚的軟體演算法和信息通信技術專業知識。 兩者的結合使IMEC科研領域獲得極大的擴展延伸，並與產業界緊密結合。與其他研究中心相比，IMEC的研發領域廣泛並全面，研究成果獲得了產業界的廣泛肯定。

IMEC擁有世界一流的半導體生產製造基礎設施（包括8寸線，12寸線，以及生物醫療實驗室），眾多的行業合作夥伴，生態系統幾乎涵蓋歐洲和全球的納米微電子全部主要玩家。IMEC在醫療技術創新、智慧城市、移動、物流、製造、和新能源等應用領域為我們的合作夥伴提供世界領先的開創性的解決方案。

IMEC的研發團隊彙集了來自超過75個國家和地區的近3500名傑出人才與科學家，是大公司、初創企業、以及科研院所的值得信賴的合作夥伴。 IMEC的總部設在比利時Leuven，與此同時，在比利時本土的大學有一些分散式的研發組，在荷蘭、台灣、美國、中國設有研發中心，在印度和日本設有辦事處。2016年IMEC的收入（P & L）總計4億9600萬歐元。

IMEC市場拓展總監姜寧介認為IMEC在納米微電子領域有非常深厚的積累。硅半導體微晶元技術會幫助健康類電子產品實現，集成度的持續提高，大規模的量產、以及成本的持續降低。

圖9：IMEC的細胞分選晶元。

圖9是IMEC的細胞分選晶元，它是一個實現了晶元上無透鏡成像和細胞分選的微型系統。它的主要優勢就在於高度集成。由於半導體硅材料的極端縮放能力，在這顆晶元上可以集成幾千個並行的細胞成像和分選通道。通過這種方式，在一秒鐘內可以分選多達2000萬個細胞。

圖10：IMEC為美國基因測序公司Pacific Bioscience設計的DNA測序晶元，幫助Pacific Bioscience將測序儀成本下降了一半。

DNA測序是精確醫學的關鍵技術。現在市場上的DNA測序，所用的儀器非常大，其速度很慢，集成度低。 Pacific Biosciences是美國的一家高科技企業，設計生產DNA測序儀， PacBio RS II是Pacific Biosciences的一代產品。2012年 PacificBio與IMEC簽署合作協議，IMEC幫助Pacific Bio設計實現高度集成的基因測序晶元。 2015年在IMEC的幫助下，新一代產品，Sequel System上市了。與RS II相比，測序速度提升7倍，體積比以前的三分之一還小，價格低了一半。快速測序時間：0.5至6小時。連續處理16 SMRT細胞在與自動化單跑走。「這意味著我們在小小的晶元上實現一個微型的實驗室，我們在幾個立方厘米這麼小的一個封裝的晶元上，實現DNA測序，實現細胞分選，還可以實現無透鏡的成像，大家可以想像如果這個技術普及開來，在生命科學領域是一個非常了不起的創新，甚至是顛覆性創新，對整個產業深厚的影響。」姜寧介紹說。

姜寧還介紹了IMEC跟另外一家美國公司Genalyte的合作。IMEC為Genalyte定製了硅光子生物感測晶元。這顆晶元可用於傳染病檢測、免疫檢測、癌症診斷；它體積非常小，成本也很低，可以用完即拋。Genalyte把這個晶元集成到自己的設備後，在用戶提供一滴血的情況下可以幫助用戶在15分鐘內，實現128種檢測。

IMEC與荷蘭的Holst Center合作，開發可穿戴健康檢測設備。這些設備均採用了一系列超低功耗元件，包括超低功耗射頻與超低功耗感測器。這些人體表面的網路可以幫助人們以更健康的方式生活，並能對疾病的早期預防有積極作用。

姜寧同時指出，可穿戴設備的小型化是一個大趨勢，為此，晶元上的創新是必不可少的。

IMEC為此專門設計了一系列的可穿戴健康檢測專用晶元MUSEIC。 MUSEIC V3 是第三代，致力於單次使用用完即拋的一次性醫療解決方案。它集成了IMEC設計的專用AFE （active front end），支持ECG、PPG、生物阻抗等多種感測器。還集成了電源管理、安全、無線通信模塊。第三代MUSEIC SoC採用TSMC 55納米工藝，晶圓尺寸是5mm×5mm。

對於可穿戴健康檢測來說，貼片是精準移動健康解決方案的重要部件。 IMEC與Holst Center一起在2016年底推出了下一代健康貼片（health patch）。該貼片面積小而舒適，低功耗。它是第一個集成了多種感測功能的貼片–集成了加速度計（跟蹤一個人的身體活動）心電圖跟蹤（測量心臟的電活動）和阻抗監測（測量身體成分，呼吸活性和體液的分布）。

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