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半定制SiP方案醫療感測器介面

2015年05月13日  | Jakob Nielsen

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醫療市場的範圍非常廣泛,涵蓋用於監測和治療的臨床醫療保健設施,以及家庭醫療保健設備。這些設備包括聽力受損者所使用的助聽器、肥胖症患者用作減肥管理部分的活動監視器、需要持續治療的人的藥物監測儀,以及用作疼痛管理部分的經皮給藥的貼片(Transdermal Drug Distribution Patch)(圖1)。

圖  1 通過使用可攜式設備代替傳統的定點照護設施(醫院、診所),可監視和治療病人而免除必須要經常去看醫生的不便。
圖 1 通過使用可攜式設備代替傳統的定點照護設施(醫院、診所),可監視和治療病人而免除必須要經常去看醫生的不便。

儘管臨床及可攜式裝置有著重要的作用,醫療產業近來卻轉向家庭醫療保健方面發展,且該市場以高於9%的年增率擴張(Databeans,2014)。隨著「嬰兒潮」一代的人步入老年,醫療照護需求增加,產業也變得越來越倚賴使用替代措施來治療病人。加上大眾對健身和健康的興趣增加,這使得較便宜的可攜式產品成為一種必要的選擇。透過使用可攜式設備代替傳統的定點照護設施(醫院、診所),可監視和治療病人而免除必須要經常去看醫生的不便。對於那些依賴治療的病人而言,這樣將可提高其生活品質,優化保險公司和其它設施的產業成本。


穿戴式醫療設備半導體方案的特點

安森美半導體(ONsemiconductor)研發的關鍵醫療保健類別著重在四個領域,分別是聽力健康、病人監視、健身以及理療(如疼痛管理)等。這些設備的特點是要求體積小、穿戴式及電池供電,且包括超低電平訊號感測、訊號處理及控制、互通性等,兩至三種關鍵技術特性。


超低電平訊號感測需要捕捉源自皮膚外部感測器或穿透皮膚的微創感測器(Minimally-invasive Sensor)的微弱生理訊號。皮外感測器的一個例子是心電圖(ECG)電極,心電圖電極捕捉在每一心跳過程中,心肌互相去極化所引起的皮膚上微弱的電變化。同樣地,採用微創感測器的一個例子是連續式血糖監測儀(CGM),其使用感測器輕輕穿透皮膚,並測量組織間隙液(Interstitial Fluid)的葡萄糖濃度。


平衡系統性能與尺寸

大多數醫療半導體公司可提供放大器、類比數位轉換器(ADC)、電源管理等獨立的分立元器件,或提供含微控制器(MCU)與基本類比電路和電源管理的系統單晶片(SoC)方案,以解決感測器介面需求。為優化終端應用的尺寸及性能,這都不是醫療產業理想的方案。


醫療設備製造商往往花費數年來開發並改進其感測器,以便以持續性的低電平捕捉關鍵的生理訊號,同時尋求更低的產品總成本,擴大客戶的選擇範圍。


分立方案通常設計為將感測到的訊號轉換為適合A/D轉換的電壓或電流。然而,所占印刷電路板(PCB)空間大,費用也高,且最終影響終端設備的尺寸。採用穿戴式技術的一個關鍵因素是尺寸最小化以及用戶舒適度的優化,這使得分立元件方案難以實現。此外,分立方案容易受到容差引起的聚合變異(Aggregated Variation)的影響,而偏置電流的變異、動態範圍及漏電流會影響設備性能。


相比之下,SoC方案通常尺寸更小,並提供類比電路和微控制器改進後的整合。然而,由於受制於大多數的SoC半導體製程,SoC設計師通常在可實現什麼樣的類比性能方面也多所限制。這些製程往往以希望達到很高的數位整合水準為主,如記憶體越多及每平方毫米晶片數位功能越多則越好。這意味著必須在更高漏電流和SoC類比部分更多雜訊間作出取捨,為達到醫療設備所需要的感測器最佳性能,這通常不可取。


(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)

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