據聯合國預測，到2050年，全球超過65歲的人口比例將達1/6。老年人口增多，對及早診斷的需求因此不斷攀升，實時患者數據可惠及所有年齡段的人群，因此醫療器械設計的創新成為必然趨勢。

人工智能(AI)技術已在醫院、可穿戴設備和常規尋醫就診方面取得成功。專業醫務人員可使用利用AI和VR技術的器械進行診斷工作、支持機器人手術、培訓外科醫生，甚至治療抑郁癥。到2028年，全球AI醫療保健市場規模預計將達到1,200億美元。

現在的醫療器械能夠做到尺寸更小并支持多種新功能，這些創新都得益于半導體技術的不斷發展。

為醫療應用設計芯片所需的規劃與其他領域完全不同，甚至與自動駕駛汽車等任務關鍵型市場大相徑庭。不過不論是何種類型的醫療器械，醫療芯片設計都將面臨三大挑戰：功耗、安全性和可靠性。

三種主要的醫療器械類型

“醫療器械”一詞涵蓋范圍廣泛，既可以指簡單的邦迪創可貼，也可以是復雜的MRI機器。世界衛生組織(WHO)將醫療器械定義為“用于預防、診斷或治療疾病，或是出于健康目的檢測、測量、恢復、修正或調整機體結構或功能的設備、儀器、裝置或機器。”

專家估計，市場上有超過200萬不同品種的醫療器械，可分為7,000多個門類。在新思科技，我們通常將醫療器械主要分為三大類：

實驗室和醫院使用的醫療器械：包括超聲和CT等只能由專業醫務人員操作的器械。

可在家中自行使用的物聯網(IoT)醫療器械：血壓監護儀、血糖監測儀和健康追蹤可穿戴設備均屬于這一類別。

以某種方式連接到人體的植入式器械，多數為通過手術植入。包括起搏器、左心輔助裝置(LVAD)、人工耳蝸等特定類型的助聽器等。

每種類型的醫療器械都有其特定要求和開發者須注意的考慮因素，但功耗、可靠性和安全性的分析是所有醫療器械開發都必須要有的，對于低功耗、使用時間預計超過10年的器械、則在保護隱私和和防止泄露醫療數據等方面提出了更高要求。

低功耗設計

在開發醫療保健領域所用的半導體時，開發者首先要確保醫療器械的低功耗，植入式器械對此的要求更為嚴苛，原因在于此類器械需要通過手術在體內放置和移除，功耗應當更低，一般而言，醫生和患者希望植入式醫療器械能夠持續使用10至20年，而不是每隔幾年就要換個電池。

大多數非植入式醫療器械也需要超低功耗設計，因為此類器械多為電池供電(比如手腕上的健身追蹤器)。開發者需考慮采用低漏電工藝、電壓域和可切換電源域等技術，從而降低活動功耗和待機功耗。

可靠性設計

可靠性是在指定時間段內，芯片在特定環境中(人體內、手腕上等)良好執行所需功能的概率，這一情況會根據醫療器械的使用情況而存在差異。在下圖中，可以看到可靠性“浴盆曲線”，顯示了一定時間內(x軸)失效設備的比例(y軸)。

大多數失效發生在制造階段或壽命即將終止時，具體原因會因產品的具體情況而各有不同。比如說，筆記本電腦或移動設備的壽命大約為3年。

壽命終止失效主要是由于晶體管老化和電遷移。老化是指隨著時間的推移，晶體管性能逐漸下降，最終導致整個器械失效。電遷移，或原子因電流密度而出現的不必要的移動，是造成晶體管之間互連失效的重要原因。通過線路的電流密度越高，在短期內發生故障的幾率就越大。

醫療行業尚不清楚老化對低幾何結構的影響，因此其它創新應用中可能使用的低幾何結構芯片技術并未用于醫療器械的芯片設計中，相反，開發者通常選擇已普遍使用且經過廣泛研究的成熟芯片工藝(28nm及以上)，這對于目前安裝了植入式器械以延長壽命的患者是絕對的利好。

醫療器械的正常運行至關重要，因此，在最開始的設計階段和整個過程都需要確保可靠性。與此同時，減少生產階段的變動同樣必不可少。新思科技提供可一整套可靠性分析解決方案，通常稱為PrimeSim可靠性分析，其中包括電氣規則檢查、故障仿真、可變性分析、電遷移分析和晶體管老化分析。

安全性設計

安全性對醫療器械的芯片設計也至關重要，它的重要性主要體現在以下兩個方面：

醫療器械收集的機密醫療數據需確保安全性，未授權人員無法訪問隱私醫療信息。

開發者需要確保醫療器械不易受到任何形式的破壞，比如不法分子可能會入侵起搏器傷害患者。由于新冠肺炎疫情，為減少與患者的接觸風險，并且為了方便起見，醫療領域越來越多地使用聯網器械。建立的遠程連接越多，數據泄露和遭受其它網絡攻擊的可能性就越大。

醫療保健器械的安全運行以及器械通過無線或有線網絡安全收集或傳輸數據非常重要。雖然沒有適用于所有器械的安全性解決方案，但開發者仍需要在硬件和軟件設計的早期階段就把安全性考慮在內，將患者的安全放在首位。

從芯片設計工具的角度來看，醫療器械的芯片開發者與其他應用場景的芯片開發者們所使用的工具并無不同。EDA、IP核、可靠性分析工具等都是必不可少的。這些工具將幫助開發者有效進行規劃，從而實現超低功耗芯片設計，增加可靠性，同時兼顧空間限制和安全因素，這對患者的健康、信息安全與生命安全十分重要。

醫療保健行業需要先進的EDA工具來應對當今不斷變化的挑戰。先進的EDA工具可提供各類解決方案，比如實現軟硬件層面的實時數據處理功能、系統集成(將盡可能多的組件集成到單芯片平臺中)、評估低功耗設計對散熱和電池壽命的影響等。

醫療器械行業正在飛速發展，芯片開發者們正在設計并持續推動下一代植入式器械、醫院醫療器械和醫療保健可穿戴設備的創新。

審核編輯：湯梓紅