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医疗电子三星医疗电子市场增长 IC支撑智能便携应用

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中国电子报 清华大学微电子所副所长 王志华
  
随着社会的发展和技术的进步,人们对医疗、健康、生活质量、疾病护理等方面提出了越来越高的要求。同时,高新领域电子技术的各种治疗和监护手段越来越先进,也使得医疗产品突破了以往观念的约束和限制,在信息化、微型化、实用化等方面得到了长足发展。

   医疗电子市场持续增长

   ●医疗电子终端向便携式发展。

   ●医疗电子市场连续25年增长,未来将成为半导体市场主要推动力。

   医疗和健康领域正在渐渐从关注疾病治疗向保健方向转变。尽管这两者都是以健康服务为最终目的,但是前者主要是有针对性地“对症下药”,而后者则更倾向于为一般消费者提供更全面的健康解决方案。庞大的老龄化群体和慢性疾病患者等群体的社会需求,使医疗产业、保健产业亟须发展和应用新的技术和产品。

   随着社会的发展和人们生活水平的提高,对一些多发性的慢性疾病、残疾障碍以及神经功能失调疾病的治疗需求越来越迫切,人们的健康意识也普遍增强。特别是在医院内“一次性治愈”目标很难实现的情况下,新的需求应运而生。除了医院的诊断设备,可家用的医疗及保健电子设备的需求更加突出,如在疾病预防和协助诊断、慢性病的长期监测及治疗、老年人护理等方面。另外,包括慢性疾病的监测、控制和治疗在内,医疗保健需要同时实现在临床上的诊断准确性和日常家用的普及性,同时也需要引导人们建立以预防和早期诊断为导向的健康观念。比如对于盲人、癫痫症、糖尿病等患者,传统医疗护理手段所带来的长期临床生活是社会和病人都无法承担的,而离开了医院又会造成生活质量的下降。于是医疗电子终端产品的普遍发展趋势将主要是便携式、穿戴式,某些特殊方面还向植入式发展,以实现“随时随地”的动态、连续的检测和初步诊断。可以预见,在不远的将来,这些便携、可穿戴或植入式的医疗及保健电子设备将给人类的生活提供极大便利,产生重大的影响。

   在世界范围内,医疗电子市场连续25年增长,很有可能成为未来半导体市场的主要驱动力。全球医疗保健费用每年约为5万亿美元,而中国的医疗保健则消耗了GDP的5%,平均每年增加38%。特别是从全球医用半导体行业的收入来看,医用半导体行业的几个主要的部分预计在未来5年内年均复合增长率(CAGR)达到10%左右。

   而另一份来自Databeans(Sept.2008)的数据则预计,在未来5年医用集成电路市场的年增长率将高达14%,甚至高于消费类集成电路(11%)和计算机集成电路(9%)的增长。可以看出,在21世纪医用集成电路的重大革新将像上世纪80年代的电子计算机、90年代的移动通信一样,成为影响全球半导体市场的主要推动力。

   世界范围内的医疗电子市场同时会带动我国的医疗电子产业。比如现阶段我国的“银发产业”刚刚起步,根据中国国家老龄委提供的数据,到2010年老年人用品市场需求量将达到10万亿元。而且随着中国经济社会的持续发展,各方面因素将为“银发产业”蓬勃发展提供更加强大的动力。在推动经济增长的同时,借助产业发展也可以缓解老龄化问题给社会带来的压力,使老年人生活质量得到提高,身心健康得到保障。

   我国医疗电子产业面临发展机遇

   ●我国医疗电子市场增速超过世界市场。

   ●抓机遇应关注医疗信息系统和医疗电子两个方面。

   医疗电子产业的涵盖范围非常广,超声波成像、计算机断层扫描等应用电子设备以及电子血压计、血糖仪等消费类终端产品都属于医疗电子范畴。在我国的电子信息产业中,医疗电子产业是很重要的一环,是最贴近民生的电子信息产业细分行业之一。2009年4月份《电子信息产业调整和振兴规划》的出台以及国家新医改方案的公布,尤其是8500亿元医改的投入,将对我国的医疗电子产业带来积极的影响。而且政策中还特别强调了要加强在医疗电子产业领域自主创新能力的建设,这无疑为我国医疗电子产业带来了很好的发展机遇。另外,医疗设备行业的高速增长也将刺激医疗电子市场的需求,据预测,当前我国医疗电子市场规模为250多亿元,同比增速在16%以上,超过了全球市场的增长率。

   要抓住这个难得的发展机遇,我国医疗电子产业应在如下两个方面有所建树:一方面是在医疗信息系统领域。这一领域迫切需要提高

远程医疗水平,它的实现则依赖于信息传输和管理技术。另一方面是在医疗电子领域。

   这两个方面的要求,需要在技术上关注网络标准与便携技术的走势。一是网络互联操作标准。几年前一些著名国际企业包括思科、IBM、英特尔三星电子等成立了“持续健康联盟”产业组织,以进行标准选择、互用性指南的编写等工作。ADI亚太区医疗事业部也认识到“为了适应医疗体系的网络化建设,从长远发展来看互联的数据平台变得非常重要”。二是便携医疗产品与技术。随着人们健康意识、健康需求及相应支付能力的不断提高,以及医疗电子随着集成电路技术的发展不断涌现出小型化、集成化、网络化、数字化、智能化的趋势,都将成为便携医疗电子快速增长的催化剂。在便携医疗产品中,电子血压计、便携血糖仪、电子助听器等便携式设备占到家用便携产品市场的90%,而便携式多参数监护仪、便携式超声诊断仪、便携式胎儿监测仪、便携式心电图仪位居我国医用便携设备市场前列。此外,基层医疗机构所需的低成本、高可靠性、操作简单的X光机、超声诊断仪、核磁共振设备和计算机断层扫描设备的市场容量也将大幅提升。而这些产品所涉及的智能化、小型化、低功耗、高分辨率的技术都备受关注。

   IC技术在医疗领域应用广泛

   ●四种类型的应用需要IC技术来实现智能、小型化的目标。

   ●未来医疗电子应用领域中集成电路技术的研究热点将在8个方面。

   集成电路技术在医疗电子领域内的应用非常广泛,大致可分为下述四种不同的应用类型:

   1.医学影像———这一类型包括超声波、计算机化的X射线断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射线、正电子发射断层显像等;2.医疗仪器———主要是实验室配套电子设备、透析机、分析仪器、外科手术设备、牙科设备等;3.消费型医疗设备———偏重于患者(可家用,非临床)使用的终端设备,包括数字体温计、血糖计、血压计、胰岛素泵、心率计、辅助听力(数字助听)等;4.诊断、患者监护与治疗设备———协助医生判断(主要是临床使用)的相应设备,包括心电图、脑电图、血氧计、血压计、温度计、呼吸计、除颤器、植入设备等。

   这四种类型基本涵盖了医疗电子领域的各种应用。其中后两类,特别是消费型医疗设备尤其需要通过先进的集成电路技术来达到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目标。

   通过便携、可穿戴或植入式的设备,可以实现人体相关体征信号的动态采集和连续监测。而智能化、低成本的设备可用于医院、家庭和其他非医院环境,并通过网络接入等技术实现远程医疗,这样可以更合理地配置医疗资源,提供更高水平的医疗服务,同时减缓医院就诊压力。普及后还可供大范围内的人群使用:如病人用来治疗、健康人用来预防、老年人用于辅助护理、年轻人用于锻炼健身等等,它可提供早诊治的信息,具有对人体最小干预(无创/微创)的特点等等。

   围绕以上四种类型的医疗电子应用中日益凸显的关键技术问题,世界上集成电路领域最权威的会议———国际固态电路会议(ISSCC)的技术专题委员会在2009年预测了在未来医疗电子应用领域中集成电路技术的研究热点,这些热点包括以下几个方面。1.人工辅助听觉、视觉、无线肌肉刺激、神经刺激,这类研究重点在于需要对人体安全无危害,包括和人体组织的电极接触界面、泄漏电流检测、过热断电等。同时还要求系统的可靠性、外壳包装、集成度和工作寿命等。2.传感量、生物分子检测(如DNA等)、神经感知、集成核磁共振等。3.超小型,遥控或远程诊断。4.自适应控制的场景分析与管理方法等。5.无线测量技术中的瓶颈,如数据流压缩、拓宽频道等。6.带有马达和姿态控制的智能内窥镜胶囊。7.pH值的测量阵列(离子敏感的场效应管,ISFET)。8.其他系统级需求。

   在这些预测的研究热点中,既有针对某一种具体应用提出了更进一步的功能研究(如用于肠胃内窥镜中的马达和姿态控制),也有对从应用中提炼出的共性关键技术(如对于无线通信技术方面的瓶颈分析),还有对于生物医疗与集成电路的交叉学科发展趋势(如需要更完善的知识结构和传感技术完成生物分析检测等)。

   从技术实现的角度来看,上述医疗应用中有关的信息工程在医疗电子领域面临的根本性问题可分为四个主要方面:

   一是数据采集。电子电路需要通过传感器

来感知物理世界。在实际世界中的各种物理量需要首先转换成为电信号,之后才能够由集成电路进行处理。采用适合类型的传感器对适合的物理量进行采集,以及与传感器的接口进行完善的交互控制就显得尤为重要。

   二是数据处理。将外界物理量信息提取成电信号后,还需要做初步的信号调理和采样、变换、滤波等预处理操作,并将原始数据进行存储或是根据一定的算法做分析计算。

   三是数据传输。经过处理的数据还需要进行传递,通过由集总的控制设备进行数据融合后才能够判断。它可分为基带通信和射频通信,前者大部分是电信号通过有线连接或是通过人体组织等导电介质传输,后者主要是用无线电磁波通过空气等介质传输。

   四是能量供应。对于一般的医疗电子设备而言,体积微型化和工作寿命的延长是矛盾的,因为电源的体积往往与其可提供的能量大小成比例。这样就需要在进行低功耗、低能耗设计研究的同时,开发出新的能量供应方式如能量恢复、光电池效应、压电效应等,保证医疗设备(特别是便携式、植入式)的续航能力。


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