半導體是日常使用的眾多創新電子裝置之核心。尤其在醫療保健技術領域更是如此,它們結合先進的低功耗(甚至免電源)感測器和連結方案,將這些技術與物聯網(IoT)的便利和普及整合在一起,促進了醫療市場領域迅速成長的趨勢。

市場估計,醫療應用的成長在未來五年將接近10%,部分來自對醫療影像和醫院設備的需求之推動,但成長最快的領域是可攜式設備,包括穿戴式技術和非處方藥(over-the-counter)解決方案,如聽戴式裝置(hearables)。在人口高齡化、機動化、更注重健康的背景下,能夠在家中和工作時監測健康情況的便利性,正推動著越來越大的需求。

醫療市場推動力和應用

隨著醫學的進步,新的測試方法被開發出來,通常是由新設備所支援甚至促成。超音波和電腦斷層掃描器等設備,支援對病患進行非侵入性評估,進而降低風險和成本;在有必要深入病患體內時,則有新一代植入式裝置,包括心臟除顫器(defibrillator)和心律調整器(pacemaker),以及注射式監測器,乃至可以無線傳輸資料或影像的可吸收(ingestible)電子裝置。

在「非處方藥」市場部份,穿戴式健身追蹤器讓使用者更加瞭解其基本身體官能與活動水準,以採取更好的生活方式。量測和溝通臨床資料而非活動資料的穿戴式設備在市場上不斷湧現,以支援對各種常見疾病的監測和治療。同時,稱為「聽戴式」(hearable)的設備正在進入可直接觸及的線上或實體零售市場,帶來前所未有的功能水準。

推動醫療市場的因素有很多;在大多數地區,人們的壽命通常更長,因此整體人口在高齡化。這僅是導致需要長期管理的心臟病、糖尿病和氣喘等慢性病發作率上升的因素之一;這類疾病的患者需要進行定期監測。這種監測趨向於在醫院和診間外進行,部分原因是我們繁忙的現代生活,得將必要的監測納入我們的工作和旅行日程。這也是由成本驅動的;病人使用創新的電子設備,自己在家就可以監測,費用比在醫院花錢請醫療專業人員監測要便宜得多。

由技術推動的醫療方案

尤其是在新的、成長更快的攜帶式醫療領域,包括穿戴式和聽戴式設備,成功的方案有賴於功能、便攜性和低功耗運作的結合。無線通訊能力是另一個關鍵特性,因為這些超小型裝置尺寸小、又沒有電力來源可添加觸覺回饋介面(tactile interface)或顯示器。藍牙低功耗等短距離通訊技術支援醫療設備利用行動裝置(如智慧型手機和平板電腦)的螢幕作為介面及接收資料,並透過物聯網向更廣泛的世界提供極重要的連結。

零組件技術、特別是半導體元件的最新進展已反映出這些趨勢,而功能性的提升、尺寸縮小和更低的功耗,則是重要的常見主題。儘管是由醫療產業推動這些變革的說法或許有爭議性,但這些變革在推動醫療產業確是事實。零組件和半導體技術的創新正在促使現代消費者需要、並能從中獲益良多的醫療裝置開發。而其實在很大程度上,半導體創新正在推動醫療設備創新的步伐。

儘管穿戴式、聽戴式設備本身很小,仍然是完整的系統,結合處理能力、記憶體、周邊設備、感測器、通訊,以及使系統正常運作所必需的離散元件。這些常被忽視的小元件通常也提供電路保護,且在許多方面與更精密的元件同等重要。

舉例來說,安森美半導體專為可攜式醫療裝置應用開發的技術,包括獲得藍牙5.0認證的無線電RSL10系列元件,提供低功耗連結、接收功耗僅7mW,在休眠模式下功耗僅62.5nW。這意味著裝置的充電相隔時間更長,就算是使用非常小的電池也是如此。

RSL10只需要約10個外部元件,佔位面積5.50mm2,易於納入最小的醫療設備如聽戴式裝置。此外RSL10也能以系統級封裝(System-in-Package,SiP)形式結合無線電SoC和所有被動元件,以更方便導入設計。

能透過智慧型手機、平板電腦等設備連結網際網路,使得如助聽器等超小裝置能以應用程式進行配置,並為這些裝置提供以雲端為基礎的的管理和臨床支援。此外這類裝置還能提供重要的無線韌體(Firmware Over The Air,FOTA)更新,以便為已經在使用的裝置添加額外的功能。

如果說確保微型醫療裝置的省電、可連網是重要的,那麼確保它們不受外部電子干擾的損害更是至關重要,尤其是對於如心電圖(Electrocardiogram,ECG)、自動體外除顫器(Automated External Defibrillator,AED)和心律調整器等設備。因為可攜/穿戴式裝置可能被應用於未知和不斷變化的公開環境,電子干擾導致故障的風險也隨之升高。在這方面,如多通道瞬態突波抑制器(Transient Surge Suppressors,TSS)之類的元件扮演要角。

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如TSS等簡單的元件能為重要裝置(如心律調整器)提供必要的保護。

這些微型元件安裝在醫療裝置的輸入訊號線上,並提供達10個通道的電氣保護,確保該裝置能可靠地發揮預期的功能。

總結

隨著人口高齡化、大眾平均壽命延長,創新、可連網的可攜/穿戴式醫療保健產品變得更加重要。適合忙碌、機動之現代生活方式的醫療監測,可以在極小的封裝中提供更多的功能,同時僅消耗毫瓦甚至奈瓦等級的電力。

這些現代化裝置需要能測量、處理和通訊,挑戰著設計人員在僅僅幾平方毫米(millimeter)的PCB佔位面積中提供全整合的系統。至關重要的是,這些元件不僅要可靠,還要提供消費者所需的功能和使用壽命。最近在元件技術方面,特別是在先進的小型化和高度整合半導體領域的創新,正在推動此一快速發展市場領域的步伐。簡而言之,技術進步正在把病人「需要」的設備變成他們「想要」的設備。