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开发可用于前沿医疗技术——人工耳蜗的集成电路

人造器官可以为残障人士的生活提供有力支持,并有助于改善他们的生活质量(QOL)。人工耳蜗被认为是所有人造器官中最先进的一种,这种电子设备嵌入并在人体内运行,因此需要高度准确、可靠的集成电路(IC)*1。TDK集团公司ICsense是一家专门从事专用集成电路(ASIC)*2开发业务的供应商,产品广泛应用于医疗设备以及消费、汽车和工业市场上的其他各种电子设备,本期推文将介绍ICsense在开发集成电路过程中的一些幕后故事。

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人工耳蜗旨在模拟健康内耳(或耳蜗)的功能。随着电子元件尺寸不断缩小而复杂度不断增加,人造器官的性能已经得到了显著改善。它们可以代替内耳中受损的感觉毛细胞,声音清晰度优于助听器。

人工耳蜗植入系统包含两个部分。一个是外部声音处理器,包括两个用于捕捉声音的麦克风,处理器将声音转换为电信号,再传送给内部植入体。另一个是植入体,通过外科手术将植入体植入皮下并连接耳蜗内的电机阵列,该电机列阵接收由外部声音处理器发送的电信号,再传送给大脑听觉神经。对于许多听障人士来说,它已经成为日常生活中必不可少的一部分。

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人工耳蜗的工作原理

图片由Cochlear Limited提供

1. 声音处理器上的麦克风拾取周围的声音并转换为数字信号

2. 数据以无线方式传输到体内的植入体

3. 植入体将电信号传送到耳蜗的电极上

4. 耳蜗中的听觉神经纤维接收信号并将其发送到大脑,从而产生声音的感觉

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图片由 Cochlear Limited 提供Cochlear 的人工耳蜗植入体(左)和声音处理器(右)

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总部位于澳大利亚的Cochlear Limited推出了世界上首款人工耳蜗,并且多年来一直致力于不断提高它的性能。自1967年成立以来,Cochlear已经帮助全球超过 550,000人改善了听力。十多年前,Cochlear决定与 ICsense(TDK Group 旗下一家专门从事定制ASIC开发的公司)合作,以ICsense作为关键元件供应商来为他们的人工耳蜗产品设计和开发ASIC。

Cochlear总经理Carl Van Himbeeck表示:“我们之所以选择ICsense,不仅仅是因为他们的技术能力,而且还考虑到他们在植入式医疗应用方面的丰富设计经验;尤其重要的是,我们双方能够以开放的方式展开协作。这让我们能够继往开来,携手前行,以最佳的设计为实现目标而努力。”

畅谈他们与 ICsense 的协作开发

Cochlear的人工耳蜗植入体中整合了由ICsense设计的ASIC,其中包括电源管理、用于生成可编程模拟信号(该信号将传递到与听觉神经相连的电极)的电路,以及用于检测人体微小神经反应(以微伏为单位)的电路(称为神经反应遥测(NRT))。

ICsense高级业务开发经理Jeroen Van Ham强调了混合信号*3 设计在桥接模拟与数字世界方面所具有的独特优势。“对于采用电池供电的高性能设备来说,低噪声、低功耗和小尺寸至关重要。在过去15年中,开发连通模拟与数字域的电路一直是我们专注的专业领域。世界上没有多少公司拥有我们这样的规模和能力来设计模拟、数字和高压电路,尤其是风险还如此之低。”

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ICsense 通过了ISO 13485 *4认证,这是一项专门面向医疗设备开发的质量管理体系国际标准。Van Ham介绍了与Cochlear的合作模式。“要想让最新的医学开发成果走向成功,您需要与客户展开真诚的合作。由于高可靠性医疗设备需要进行额外的设计和验证、安全审查及报告,因此整个开发过程需要更长的时间。我们与Cochlear的合作远不只是一般意义上的供应商与客户的关系。”

ICsense将这种通过满足客户需求来实现产品价值最大化的过程称为“定制”开发。就像为Cochlear这样的医疗领域客户提供服务一样,ICsense还继续致力于为每个客户开发定制IC,而不管客户属于汽车、工业还是消费市场,如定制服装。

ASIC 开发流程

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开发定制 ASIC 与开发通用 IC 的不同之处在于,

定制 ASIC 是针对一个客户的规格而量身定制的

谈及未来,Van Ham也是满怀憧憬。“在50多年前,我们开始了让听障人士听到声音的旅程。从现在起的10到20年内,我相信我们能够帮助那些失明的人士重见光明。与听力相比,这个目标在技术上要复杂得多,但我看到相关的开发工作已经开始展开。”

ICsense将继续开发先进的IC解决方案,以积极应对当今世界的诸多挑战。一个看似毫不起眼的芯片,却承载着改变我们未来的巨大潜力。

有关ASIC开发的更多示例及其技术的详细信息,请扫描下方二维码访问ICsense网站。

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*1 - IC: Integrated Circuit(集成电路)的缩写,它是指一组位于单个芯片上,由晶体管、二极管、电阻电容等元件组成的电子电路。

*2 - ASIC: Application Specific Integrated Circuit(专用集成电路)的缩写,它是指一种针对特定用途而整合了诸多功能的 IC。

*3 - 混合信号 IC: 一种在单个芯片上处理模拟和数字信号的半导体电路。

*4 - ISO 13485: 一项国际公认的、专门面向医疗设备的质量管理体系标准。与ISO 9001相比,在文档记录、质量管理实践和风险管理等方面的要求要全面得多。它是确保医疗设备质量、可靠性和安全性的基础。


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