破解医疗健康落地难点，芯片巨头拿出独家锦囊

芯东西（公众号：aichip001）
作者 ZeR0
编辑 漠影

芯东西7月25日报道，近日，模拟芯片巨头ADI在媒体沟通会上分享了两款面向医疗领域的新型VSM传感器芯片——ADPD7008和ADPD700X系列。两款芯片产品主要围绕PPG（光电容积脉搏波）和Bio-Z（生物阻抗测量）方面做进一步的升级。

此外，ADI也详细分享了面向医疗设备配件市场的一系列安全认证芯片以及完备的解决方案。ADI安全认证芯片在医疗配件应用中的实例包括：心电监护，微创手术，医疗检查设备，液态药剂/血液蛋白制品/生化分析试剂，医美/康复设备，便携式监测设备配件。

一、两大VSM传感器新品：更纯粹、低功耗，支持灵活组合

据ADI中国产品事业部高级市场应用经理何源分享，PPG在成人穿戴设备中已经几乎成为标配，相关应用正在充分挖掘这一技术的价值，很多儿童手表也开始具备这类健康追踪功能；ECG（电极测心电）则与专业领域相关度高，可被用于辅助医疗应用；Bio-Z则是下一代智能手环、手表的一个新兴功能。

之前ADPD7000产品的特点是大而全。ADPD7008在ADPD7000的基础上，做一个PPG only的产品。这个产品是8LED、4PD组合，宽报点率最高可达到9KHz，能适配各种对心率捕捉的算法需求，也就是说一秒钟最快可以爆9000个点。由于做得更纯粹，它的功耗更低，可支持的续航更长，对成本和性价比进行了优化。高中低端的可穿戴产品都可以采用它。

同时，这个系列与ADPD7000系列是PIN to PIN的，因此可以沿用硬件设计，降低成本。

ADI自研SCD活体检测方案随芯片一起附赠，使设备在接触到橡胶或其他材料时，不会错当成人而出现误报。你可以选择是基于绿光还是红外来检测，绿光信号最好，其波长是人眼最敏感的，但在夜间相对刺眼；红外是人眼不可见的，同样实现了这一功能，并且不会对夜间视觉造成困扰。

此外，ADI还提供了更完备的算法组合及量产交付工具、光设计和仿真，以及一套非常完整的产测流程。这套流程可以直接告诉拥有芯片的用户他的设计是不是合理、有没有地方可以改进、能否做大规模的量产。

ADPD700X系列是一个Bio-Z only的系列，没有PPG或ECG，是纯做阻抗的。也正因此，它可以跟ADI或其他厂商相关的方案直接做匹配。

比如，当前设计里已经用了一个PPG，不想改动原有工程设计，但还想加一个阻抗功能，那直接加一个ADPD700X就够了。这会使得整个产品搭配更灵活，即使用户用的不是ADI的ADPD7000或者ADPD6000，跟其他产品同样可以做搭配，组成一个全栈式检测方案。

它可以做得更小，只有2.2×1.8mm，芯片、外围都很小，同时功耗会更低，信噪比更高，动态范围也更大，加持着本来就有的误差/寄生校准专利和更低功耗的Lead-on硬件级检测，无需通过软件，芯片就能直接判断有没有戴上。

此外，这款芯片可以兼容更多数字接口。控制器和控制器之间一般是I2C、SPI或者串口。原来ADPD7000只支持SPI，现在ADPD700X可以兼容支持I2C和SPI，还可以支持更多的控制器，性价比很高。

何源着重介绍了如下升级：

首先是基于BIA专利架构的升级，可以用不同频率去扫描。它的原理是手表的两个电极上发电波，不同频率可以穿透身体的渗透度不同，打得快可能穿到内脏，打得浅或不打就是直流通过皮肤表皮。通过返回来的相位差可以知道大概阻抗的状况，据此再反推出体脂率等指标。

这听起来很简单，但其实很复杂，因为扫描的频率很的小时，阻抗就会很大，导致误差变大。如果扫描很快，会有寄生电容的影响，因为每一个细胞的细胞核都有细胞膜，细胞膜就是一个等效电容，频率很高时容抗会很小，也会产生干扰。现在用ADI的专利后，整体误差值可以迅速下降到2%以内。通过它来检测人体成份和情绪，硬件上已经足够好，下一步需要在心理和健康上具备很强的算法。

BIA对应的是用户关注的数值，无论用户是成人还是孩子，无论是保持身材、减肥还是想了解自己每个月、每周的状态，都能以此检测。基于EDA的检测更多是测一种心理健康状态，比如情绪、压力、精神疲劳、抑郁、路怒等问题很常见。对此，ADI新开发了无损分离算法，能更细致地解析出用户日常的情绪。

有个专业术语叫“效价唤醒”。效价的意思是正还是负、开心还是不开心，相当于一个指南针，是正向情绪还是负向情绪；唤醒指的是程度有多大。基于EDA加PPG就可以清楚识别这些情绪。

ADI的合作伙伴对中学生考试成绩做过验证，让孩子在某一门课上佩戴手表，下课摘掉，连续测一个月，发现孩子在这门课上的考试成绩与EDA水平明显相关。当EDA水平非常平缓，孩子的考试成绩通常较高，因为他很专注；如果旁边飞来一只小鸟，使他分心了，波就会变陡。

电路板里都是一些非常细的线，里面的模拟信号会产生干扰，所以这些线与电源、开关、天线之间如何搭配也是个难题。ADI希望客户能够用更低成本去实现自己的方案，因此把所有的设计全做完了，以便客户可以直接拿公板来设计产品。

ADI也一直秉承“本地开发&落地支持”的原则，在国内有专人负责支持各种设计及问题。

二、解决医疗设备配件老大难，ADI如何应对“黑客”攻击？

ADI安全认证芯片产品线继承了达拉斯半导体和美信集成加密产品的基因，虽历经多次并购，但依然保持了其业务的独立性、完整性和延续性，经历了三十余年的产品、技术和应用的发展和积累，始终保持着安全认证芯片行业的领先地位。

其产品广泛应用于IP保护和授权管理、系统配件识别和防伪、网络（含IoT）安全性。

配件识别应用机会主要来自于医疗、消费类、工业、通信、汽车等行业，其中半数以上营收来自于医疗配件应用。

大多数的医疗设备，如心电监护仪、B超、微创手术设备、除颤仪等，无论其应用在医院，还是便携，或者家庭，除了必不可少的设备主机，通常还需要连接各种各样的外围设备配件，如医疗传感器、执行机构、生化试剂、电极、心电导管、便携设备的电池等等。

据ADI安全产品线总监刘武光分享，医疗配件主要有四类功能需求：电子标签，传感器校准参数存储，使用次数/时间管理，防伪识别。

一是配件种类多、兼容性、生产信息、维修和替换、质量分析和跟踪等管理问题。这些需求被统称为电子标签功能，可以把信息记录存储芯片里，插入主机后，主机就能自动读录这些信息，知道该配件的类型。

二是医疗传感器普遍存在一致性差的问题，在使用现场进行校准比较困难，要求主机设备能够自动校准传感器。在传感器内部记录传感器的校准参数，如零点偏差、增益误差及非线性修正参数，使得主机能够基于这些参数自动校准传感器，保证传感器的测量精度。

三是有些配件的性能与使用次数或者时间有关，甚至是抛弃型的一次性耗材。为了避免医生使用超期件，影响治疗效果，甚至引发医疗事故，需要对配件的使用寿命进行管理和控制，因此计算器功能非常必要。

四是对于大批量、高附加值的耗材，市场经常会出现山寨配件。如果使用这类配件，会严重影响设备的安全和性能，甚至引发严重的后果。为了保证机构和个人使用的是原厂配件，需要增加身份识别功能，也就是在配件里增加防伪识别功能，只有这个配件提供的身份信息是合法的，这个配件才能正常使用。

这四类功能需求，ADI安全认证芯片都可以满足。

配件的身份验证涉及到加密算法，可大致分为对称与非对称两大类。

对称加密算法的发送方和接收方使用相同的密码进行运算，在相同的安全等级条件下算法比不对称算法更简单，采用逻辑运算，计算时间更短；非对称加密算法使用的是密码对，发送和接收方采用不同的密码，配件里用私钥，发送方基于私钥生成数字签名，然后接收方采用公密去验证数字签名，只要密码配对，最终的数字签名验证就可以通过。

那么ADI如何应对“黑客”攻击？刘武光谈道，ADI采用的算法都是基于国际标准的安全算法，用很多方法来保证安全的密码存储和管理，并采用侧向信道攻击保护，以及一些防止攻击的传感器，如果芯片检测到保护层有变化，就启动自毁程序清除掉密码，不给第三方攻击芯片的机会。

ADI还有更进一步提高密码的管理方式——PUF，即模拟单元的I/V特性。PUF具有高可靠性、高安全性等优势，FR小于5ppb（十亿分之五），远低于IC失效率（通常百万分之几）。而且对应的PUF密码仅在使用时出现，现有物理攻击无法获取PUF导出的密码，这在一定程度上根本性地解决了芯片本体的安全性。

目前ADI是业界少有的能成熟运用这一技术的企业。市场上也有基于SRAM单元值去做的SRAM PUF，但与ADI采用的方法相比，尺寸偏大，成本偏高。

三、丰富安全认证芯片产品，六大优势层层叠加

ADI安全认证芯片产品线针对配件应用的性能和成本要求，设计和生产了一系列的安全认证产品。

1、安全性方面，有简单的、存储器容量大小各异的OTP和EEPROM存储类芯片（如DS2431）。EEPROM也可以设置为OTP模式，假设要去做使用次数控制，就可以把存储器设为OTP去做计数功能。

也有集成多种对称算法SHA的认证芯片（如DS28E16），集成非对称算法ECDSA的认证芯片（如DS28E30），以及集成更高密码保护方式的PUF（物理不可复制特性）技术（如DS28E39）。选择哪款取决于客户的硬件平台和成本考虑。

2、封装方面，ADI提供多种类型的封装，从插装芯片、到表贴封装、再到极小尺寸的晶圆级封装（WLP）封装，可以满足配件对封装尺寸、封装形式的不同要求。

3、接口方面，提供接触方式的1-Wire、I2C、SPI多种接口以及非接触的NFC接口（如MAX66250），尤其是ADI独有的1-Wire接口，仅通过一条线就可以实现供电、通信数据和时钟的传输，最大程度地简化了主机设备和配件之间的机械和电气设计，降低了ESD保护和EMC的成本。

1-Wire接口在使用时是一个半双工通信模式，在一条线上要做三件事情：

1、给芯片供电，内部采用寄生供电的电容，不需要独立的供电线及额外的供电引脚。

2、芯片本身带有比较出色的ESD保护，所以配件不需要再增加任何ESD防护性能；主机可能连接了GPIO，没有足够的ESD保护，就依然要加ESD保护功能。

3、每个1-Wire芯片有64位ROM-ID，每个芯片都不一样，可提供一个全球的、可跟踪的、不可更改的、唯一的ID信息。

基于不同的IC会包含不同的功能，有不同的算法、不同的存储器，所有的功能都是在第6个部分去实现的。

4、兼容性方面，随着工艺水平和客户对性能要求的提升，ADI提供灵活的向下兼容设计方案，以便客户的新旧设备更好地兼容新的防伪识别方案。

5、应用多样性方面，除了满足通常应用场景外，ADI还提供更高温度（+125°），以及应用于要求伽马射线杀毒灭菌的应用场景的访问认证芯片。

比如前面不对称加密算法产品图表里用蓝色标记的DS28E83/DS28E84型号，就适用于采用伽马射线消毒的医疗配件。因为在伽马射线的场景下，一般的存储器承受不了伽马射线的强度，存储的内容会丢掉。所以这类器件加了一个保护层，可以把射线反射回去，不会穿透它，从而保证存储内容不会受到射线的影响。

6、成本方面，基于不同附加值的配件对性能和成本的要求，ADI从存储介质和容量、算法及接口等多方面优化产品设计，为客户提供极具性价比的防伪识别解决方案。

结语：ADI正为配件设计和生产提供全方位支持

近十几年来，半导体和传感器在微型化、智能化的快速发展，以及同期生物医学/医美技术的快速进步，不仅极大地提升了传统医疗设备的技术和功能，而且催生出大量先进的创新医疗设备和应用。

经过30多年的技术沉淀，ADI在安全应用领域一直处于行业领先位置，其丰富的产品线涵盖各种接口、各种封装、各种温度等级。

为了简化客户的软件设计和集成，ADI提供C源代码参考程序，并提供更高级的API接口程序，客户可以直接调用对应的API实现所期望的功能，无须了解具体的算法运算和访问器件的命令流程。

在配件量产环节，ADI提供对应型号的量产工具；对于大批量应用，为了简化生产、降低生产成本、提升客户的应用密码管理，ADI可以为客户提供定制的防伪认证芯片，客户除了有自己专属的客户ID外，更重要的是客户无须管理防伪认证芯片的密码信息，而是由ADI在安全的生产环境下定义和使用。

电子标签功能、配件校准参数存储、使用寿命管理、防伪识别等需求广泛的存在于医疗和医美设备所使用的配件/耗材生产、使用和售后环节中。而ADI安全认证产品线正为配件应用的设计和生产提供强有力的支持，包括从方案推荐、讨论、评估、软硬件参考设计和量产等各个方面。