医疗芯片成为厂商研发新热点

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智慧化的浪潮,已经席卷到医疗产业上了。自从苹果、小米以及Fitbit推出穿戴式健康量测产品后,医疗的跨界应用便开始受到大众重视,而专为感测人体数据的芯片也因而诞生,各家皆提出不同解决方案。

根据Forrester的资料显示,到2022年,智慧手表将占据穿戴式装置市场的55%占有率,比起2016年的21%足足提高了三倍,市占比比起健康手环有明显的提升。因此过去研发健康手环的品牌商,现多转为研发智慧手表。

随着零组件成本的不断下降,愈来愈多的公司能够在一定的成本之下生产智慧手表,各厂也逐步掌握良好的使用者体验情境, 虽然智慧手表目前面临相关应用程式数量偏少、续航力低、介面操作困难等问题,但未来若有机会结合语音助理技术,将能提升使用者体验,大幅提高使用率。

除了智慧手表外,包括传统的血压机、血糖机,甚至是手术台上的仪器都将有望更数位化,而其中的芯片是关键零组件,背后的软件演算法也居功甚伟。

联发科生物感应类比芯片

如联发科便抢先发布全球第一款六合一智慧健康芯片MT6381,测试结果显示,MT6381仅需约60秒即可测量六项生理数据,包括心率、心率变异、血压趋势、血氧饱和度、心电图、光体积脉搏波图等。

 

联发科过去在健康医疗领域便颇有着墨,不久前便曾推出首款专为健康与健身行动装置设计的生物感应类比前端芯片MT2511。这款芯片即可同时收集心电图和光电容积脉搏波发出的生物信号。

 

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图一: 联发科发布首款六合一智慧健康芯片(Source: engadget)

MT6381芯片将能与智慧手机或手机配件结合,让使用者随时随地了解自己的身体状况, 联发科表示相较先前分散式解决方案,这个芯片硬件模组将前端讯号处理、多种感测器等电、光学元件高度整合在一起,可以直接嵌入进智慧手机及配件等终端设备,能使终端客户厂商提供更灵活客制化的应用尝试。

在技术上,联发科也与台大、台大医院等合作,运用穿戴式生物感测技术及生理讯号分析方法,取得高准确性,未来将可应用于早期诊断、预防心房颤动所引发的中风及心脏疾病。


松翰推出医疗专用MCU

另外,台湾松翰科技则推出专属医疗应用芯片MCU,锁定血压计、体脂秤、血糖机、耳温枪及红外测温等应用,专用于个人医疗设备、居家保健用电子器材产品与高精度量测装置。

这款8051 MCU以高精准度特性获得欧美及日本各大血压计厂商采用,松翰续推出新系列SN8F5919及SN8F5939,提供不同的ROM/RAM整合周边资源,在产品规画上具备延伸性,且可满足客户多元化需求。

如SN8F5909 IC是专门为血压计、耳温枪等产品所设计的,其采用8051 MCU核心、64KB Flash Memory、标准Keil C compiler开发环境,同时搭配内建32-Bit乘除法器,不论在产品开发时程上与IC执行运算效率上大幅提升。

并且内建高精度AFE类比前端电路,整合OPA运算放大器、PGIA可调整式仪表放大器与24-Bit高精度ADC,让血压计设计所需定电流源,其讯号放大滤波功能、类比数位转换,皆由IC内部功能完成,不须外加其他元件,可大幅降低整体开发成本且缩短量产时程。

其中还内建电源管理电路Charge Pump Regulator,操作电压范围可达5.5V-2.0V,特别是腕式血压计产品,不需额外使用DC/DC升压IC元件,在电源设计与LCD显示规划更具弹性,LCD采用电容式驱动设计,面板显示特性佳,最多可支援252点输出,完全满足血压计应用需求。

包括UART、SPI、I2C通讯界面齐全,不论量产通讯介面、SPI语音介面、BLE/WiFi通讯介面需求,多元化的介面使客户更容易实现医疗产品功能加值与IOT应用。同时支援ISP(In-System Programming)功能,系统程序更新、产品校正用途及使用者资讯储存更具即时性。

电子医疗量测产品进入门槛较高,须符合各国的医疗规范及通过严谨认证,产品开发时间长,过去关键零组件及主要的芯片多为外商供应,松翰属于少数切入耕耘医疗与量测市场的台厂。


台厂争相投入研发

 

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图二: 欧姆龙、百灵等健康量测厂商,也多采用台湾供应商所提供之MCU(Source:OMRON

此外,还有原相、伟诠电、新唐、盛群等业者看见健康量测的新趋势,近几年陆续开发出健康量测相关芯片,并获得系统业者采用。

以原相为例,搭载PPG光容积技术及客制化演算法(Algorithms)的心跳感测芯片,已打进韩国LG、大陆龙旗、美国Under Armour供应链,在健康量测市场持续扩大市占率。

Apple Watch同样使用业内常见的光电测量法,又可称为光体积变化描记图法( photoplethysmography,PPG)。它的原理是当心脏跳动时,人体全身血管会有微小波动,此时射出一束光到人的手腕上,并用摄影机观察反射的阴影。如果其中有微小变化,就认为心脏跳动一次。

伟诠电同样推出同样基于PPG技术的心率监测微控制器,搭配新日本无线电(New JRC)的光学传感器及罗姆(ROHM)的加速度计,完整健康量测模组方案已量产出货,并获ODM厂采用在高尔夫球用智慧手表上。

 

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图三: 健康量测供应商整理

 

盛群及新唐的健康量测微控制器(MCU)近几年放量出货,如盛群推出多款针对血压计或血糖仪的设计方案,专攻血糖仪或整合血糖、尿酸及胆固醇量测的多合一机型或穿戴装置。新唐也开发出超低功耗的健康量测MCU并量产出货,前进血压计、血糖仪、计步器、心电仪、血氧仪等功能的行动装置市场。

NVIDIA引进大数据实现精准医疗

现代医学也渐渐和人工智慧(AI)进行结合,人工智慧除了可以帮助医生分担工作量外,也可以提高诊断的准确度。近期,NVIDIA跟通用电气(GE)宣布一项合作,NVIDIA的AI芯片将导入通用旗下GE Healthcare全球50万台医疗检测仪器中,加速医疗数据处理、分析,让医生在进行诊断时达成更高的准确率。

NVIDIA也正在与医疗人员研究AI在医学方面发展的可能性,未来几年将会扩大AI在医疗面的应用。并将深度学习技术应用于影像、大量数据处理上,未来的人工智慧将能协助病患评估风险、提供解决方案。

 

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图四: 光体积变化描记图法,用以测量心率变化(Source: Instructables)

近期通用电气50万台Revolution Frontier CT(电脑断层检查仪),也将导入NVIDIA的AI平台,跟传统仪器相比,这套系统除了可以降低辐射量外,还能让电脑断层的影像处理速度提升一到两倍,如此一来将能大大改善医师的工作流程以及节省大量时间。

目前,Revolution Frontier CT(电脑断层检查仪)已经取得美国食品药品监督管理局(FDA)的认证许可,在影像处理速度加快的情况下,在肝脏、肾脏病变的临床检测预期能带来更好的结果;GE Healthcare为首家采用NVIDIA GPU Cloud云端平台的医疗设备商。

透过GPU加速的深度学习技术,将能用来打造更复杂的神经网路,未来的应用场景包括改善2D、4D 影像显示、为病患血流提供可视化和量化数据,进而增进医疗状况评估、临床诊断决策等医疗应用。

医院平均每年会产生50PB的数据,而大多数的资料都没有经过处理或分析,NVIDIA的AI芯片将能加速处理这些大量数据,此外NVIDIA与通用还深化云端服务合作,通用将部分资料存放在NVIDIA的GPU云端平台上。

 

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图五: GE Healthcare采用NVIDIA GPU Cloud云端平台,用来处理大量医疗数据(Source:TechSpot)

NVIDIA与GE医疗集团的合作关系,结合了医疗仪器和AI的专业知识,能进一步打造出改善病患护理的智慧器材。与NVIDIA的合作,GE医疗集团将能透过新型设备为全球患者提高诊断速度与准确性。

除了通用电器,NVIDIA也与语音软件公司Nuance合作,将NVIDIA的深度学习平台与旗下影像诊断AI系统结合,未来透过这套系统能让全美70%的放射科医师都能共享影像和报告解决方案,大大提升工作效率。

苹果提供Kit加速医疗软件开发

近期,苹果所推出的智慧手表Apple Watch 3以及新版的作业系统Apple WatchOS 4,加强了健康量测相关的功能,可以直接用来进行心跳监测,当发现不寻常动态时即可发出预警提示。此外,苹果数年前推出的HealthKit及近来推出的CareKit都协助App开发商开发医疗感测相关软件,让用户可以更容易获取自己在血糖值、睡眠、哮喘、运动状态等不同的医疗数据。

苹果、NVIDIA在内的科技大厂虽然并非医疗专业出身,然而他们提供的医疗感测方案及健康量测技术,将会加速医疗产业的发展以及准确性,未来搭载监测心跳、血压、血糖等医疗数据的健康量测穿戴装置,也将会持续成长。台湾供应商也提供各式MCU,打入健康量测这块日益成长的新市场。

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