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医疗电子:大爱无疆

作者:李健时间:2008-11-12来源:电子产品世界收藏

  世界上最大的应用市场领域在哪里?这个答案需要在与每个人日常生活休戚相关的应用中去寻找,无疑具有这样的潜质。健康,是人们除了生存之外最重要的需求,因此与健康相关的产品一直是市场热捧的焦点,与那些效果模糊的保健品相比,严谨的医疗器械更容易获得消费者的认可。伴随着传感器技术的突飞猛进和价格的大幅下降,以传感器采集人体健康数据并加以分析的设备正逐渐成为家用电器采购的新宠。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/89443.htm

  市场正在升温,并且广受半导体厂商关注,甚至有潜质成为超越通信和PC成为半导体最大的应用领域。全球医疗电子市场的热闹,一方面得益于电子技术的进步,另一方面受到以下趋势所影响:(1)人口老龄化,世界老年人口比例从20年前的11%增加到2007年的20%。(2) 人们生活水平提高带来的对健康的关注度提升,人们对于增进健康照顾的期望持续增加。(3)保险公司和雇主在医疗开销的支付和保险范围逐渐消减,但受保人或病患需缴纳的医疗保健费用却日益增加。(4)科技的进步让一些轻微的疾病可在家庭内部进行早期分析、预防与治疗,远比去医院便捷廉价。

  从全球范围来看,市场对医疗电子产品的需求越来越大,尤其是对计算机断层扫描仪、磁共振仪、高档超声波诊断仪器等高端产品需求的快速增长,有力带动了全球医疗电子市场规模的扩大。与此同时,市场需求的增长大大刺激了各国在医疗电子领域的投入力度,医疗电子设备制造商不断提高技术水平,扩大创新应用,促进了全球医疗电子产业的平稳发展,有力支持了医疗电子市场需求的增长。根据市场研究机构Databeans预测,至2012年医疗电子用半导体产值将接近50亿美元,其中家用和便携市场成长速度最快,年复合成长率高达12%。BCCResearch的最新调查报告也指出,全球家用医疗设备市场规模将从2007年的146亿美元,至2012年时成长到210亿美元,年复合成长率(CAGR)将达到6.8%。辅助复健、治疗装置、监视/传感器与遥测装置等,成为家用电子医疗市场的大头,光以血糖测量仪来看在2007年就有70亿美元商机,而到了2012年将成长到89亿美元;而有益健康的家用医疗装置,预估更将大举成长25%。

  就目前全球医疗电子市场的区域结构而言,美国、欧洲和日本仍是医疗电子的主力市场,但随着这些地区医疗电子体系日趋完善和市场规模的持续扩大,其增长空间和潜力已十分有限,而一些新兴的区域市场,如以中国、印度等为代表的亚太地区,一方面由于其人口优势,另一方面在经济快速成长的带动下,医疗电子市场近几年一直保持着较高的增长速度,成为带动全球市场增长的重要区域,也是国际大企业竞相争夺的新市场目标。从中国市场来看,在经济加速发展、医院信息化进程加快及国家相关政策变化等几方面有利因素的影响下,2006年中国医疗电子市场规模继续加速增长,销售额突破200亿元,达到210.8亿元,同比增长15.6%,明显高于全球同类市场增长水平。未来几年,中国医疗电子市场将持续平稳增长,年均复合增长率达18.2%,2011年中国医疗电子市场规模有望接近500亿元。


图1  中国医疗电子市场增长率高于全球水平,所占市场份额逐年扩大

  从生病了才看医生的治疗,到预防疾病的预防,在电子科技的推波助澜之下,保健医学将是未来的显学。不但大型的医院用治疗仪也逐渐朝便携式、经济型家用康复治疗器的方向发展,例如,全自动体外电击器(AutomatedExternalDefibrillator,AED)、生育监测仪(FertilityMonitoringDevice)等;每个家庭也会将家庭医疗与保健视为必要的投资,选购家用医疗电子设备就像选购电视与冰箱等家电般平常。基于此,让家用医疗电子设备被美国《财富》杂志预测为21世纪前十年最具发展潜力的产业的第一名,也成为半导体厂商抢进的重点市场。

  医疗电子由于医疗电子产品的生命周期较普通消费型电子产品长,因此产品更新换代过程相对较长,从而导致医疗电子市场规模难以实现更高速度的增长,不过至少在最近的5年之内,由于医疗电子产品的普及率起点非常低,因此整个市场还会保持一个健康旺盛的增长势头。更为重要的是,在庞大的用户群体支持下,医疗电子市场不会像其它产业那样容易形成泡沫并破灭。随着时间的推移,医疗电子市场规模将逐步趋于未定,能够提供给参与者比其它商业领域更稳定和更持久的回报。

  大爱无疆,亲属的健康是人们心中永恒的牵绊,因此与健康密切相关的医疗电子产业的应用范围同样不会存在界限。

医疗电子发展趋势

  本刊专门采访了多家半导体公司,就医疗电子技术和市场的发展趋势进行了深入地探讨。

  谈到医疗电子技术的发展趋势和未来市场重点,ADI大中国区资深业务经理周文胜先生认为医疗设备一方面将继续追求更高性能,如CT,MRI;而便携和保健化/家用化将是该领域增长的另一个强劲动力。两个方向有一个共同性,那就是在单位体积的设备内需要具有越来越强大的功能:更精确地处理更多更复杂的模拟和数字信号。这自然也带来功耗和散热,以及可靠性,设计复杂度等的挑战。因此电子元器件的技术进步是至关重要的。医疗市场和技术的快速发展对系统的性能和成本都提出了挑战。ADI拥有世界领先的模拟和数字技术,发展战略是结合市场需求,通过不懈的技术创新,提供高性价比的产品和方案。围绕ADI的核心技术优势产品的三个主要方向是:增加通用器件的产品系列;开发新的替代技术产品;根据医疗设备的特殊需求开发专用的高集成芯片。

  特别的,周先生还介绍了全球医疗设备的几个趋势:(1)更精密,例如超声的通道数的增加和分辨率的提高;(2)数字化,例如X光机的数字化既提高了分辨率又方便了医案网络化以及医疗资源的共享;(3)便携化,如便携超声和监护仪使各种场合的及时诊断和治疗都成为可能;(4)家用化和保健化(HEALTHCARE),使连续健康监测变得简单舒适。对于开发者来说,医疗设备关系到人民的健康和生命,需要开发医疗电子的工程师本着关爱生命的原则进行开发。医疗设备的性能和可靠来自好的解决方案的系统设计。模拟和数字都是重要的技术,而在高性能的医疗设备中模拟技术更具挑战性。

  NI公司则认为,随着医学的发展、治疗手段的多样化和相关工程领域技术的不断进步,医疗电子设备正变得日益复杂化,事实上很多大型医疗电子设备都由多个子系统组成,需要集成多种传感器、机械部件、电子元件比如FPGA或者微处理器等,还会涉及到多种专业总线和协议,其研发周期也是相当长,可能需要2-3年甚至更长的时间。在这种情况下,技术上的挑战往往并不在于单个技术领域所遭遇的瓶颈,而在于如何快速整合多种技术、缩短整个医疗电子设备系统的开发时间、提高创新程度。

  由于其通用性,NI产品在多种生物医学领域都有相关应用,比如胎心信号分离、脑磁信号提取、视网膜激光治疗、肿瘤冷冻治疗、心脏起博器设计等等。主要涉及医疗设备的控制、分析和处理部分。NI LabVIEW为开发人员提供了上千种信号处理和数学运算的函数,包括小波分析、联合时频分析、时间序列分析、声音和图像分析处理等多种信号处理工具,设计人员可以通过调用现成的函数,快速完成例如移除基线漂移、噪声消除、QRS检测、胎心信号提取等应用。与此同时,开发人员也可以通过LabVIEW内置的文本数学工具重用已有的算法。另一方面,NI提供了商业化嵌入式硬件平台NI CompactRIO,集成了一个嵌入式实时处理器、高性能的FPGA,并具有多种I/O模块及内置的信号调理功能。开发人员可以通过LabVIEW FPGA模块对CompactRIO内置的FPGA进行编程,从而自定义I/O和板载处理功能,由于LabVIEW FPGA是一种图形化的编程环境,生物医学专家们不需要掌握VHDL就可以直接参与到编程工作中,从而快速实现设计与算法的原型化。

  Actel 公司高级产品市场经理Shabnam Zarrinkhameh把医疗应用成为半导体增长最迅速的领域之一的原因划分为三个主要领域的应用:家庭测试、监控和诊断,成像以及临床设备,并将继续成为半导体器件的重要应用领域。在这些领域中,可以看到两个重要的发展趋势——小型化和低功率的需求。


Shabnam Zarrinkhameh   Actel 公司高级产品市场经理

  小型化:对于大部分医疗应用来说,所需要的是将足够的处理能力集成到给定空间中。当然,医疗设备的尺寸大小可能与某些重要约束条件有关。比如,便携式血糖仪的外形和形状类似于PDA。对植入式设备,如心脏起搏器、用于治疗中枢神经系统失调的神经刺激设备和助听器等,考虑到它们所要植入的部位,尺寸是相当重要的。

  低功耗:除小型化之外,低功耗是另一个发展趋势。对植入式设备而言,功耗最小化和电池寿命延长的好处不言而喻。外用医疗设备对功耗也很敏感。随着电子元件日趋小型化,以往的固定式医疗设备正在变为便携式。过去在医院必须动用推车来运输的超声波成像仪,现在的外形尺寸就像一部笔记本电脑。自动外用电震发生器 (defibrillator) 现正广泛采用。从空气中提取氧气对病患进行氧气治疗的便携式制氧机,现在可以像钱包一样挎在肩上。所有这些设备都是依靠低功耗和小外形尺寸来实现的。

  其它的挑战包括: 半导体行业的变化速率远远超过医疗设备 (销售采用最新工艺的最新产品较为困难);医疗设备客户需要经过现场证明不会废弃的技术,以便满足严苛的医疗设备指导条例。

  赛灵思亚太区高端产品市场经理梁晓明先生将医疗电子未来发展趋势和面对的挑战归纳为两个方面:

  产品:随着生活水平的提高,消费者对医疗保健服务的期望也在提升。对于医疗电子设备生产商来说,要生产性能更高但成本更低的产品,给他们带来了更大的压力。 潜力最大的市场之一是面向家庭和医院使用的便携式医疗设备。另一大挑战是市场需要高性能、低功耗,而且工作时间持久的便携式医疗设备。这些挑战也给半导体供应商带来了压力,迫使他们提供满足最终用户期望的解决方案。


梁晓明   赛灵思亚太区高端产品市场经理

  财务:尽管医疗电子设备将会持续稳定发展,但医疗设备的产品开发周期通常比较长,产品质量认证过程非常严格并且需要更长的时间。因此,医疗电子设备的投资回报时间相对较长,因此涉足医疗电子行业的企业需要有较强的经济实力,并且有合理的战略规划来维持产品开发。 面对以更低成本提供更高性能的压力,医疗设备生产商希望供应商能够充分理解其要求并提供支持IP重利用的平台。这将可以降低开发风险和投资成本并缩短开发周期,从而加快产品开发过程。

FPGA的施展舞台

  FPGA凭借高性能和灵活开发的特点,在医疗电子中获得许多厂商的青睐。先进的FPGA技术会促进医疗电子市场迅速发展。FPGA在医疗领域的应用已经从简单接口扩展功能和桥接转换功能,延伸到数字信号处理和系统内部高速互联领域。可喜的看到更多的医疗电子产品中使用FPGA实现核心算法,复杂控制,高速接口(例如PCI express接口,SATA接口,以太网接口等)和一体化集成设计。特别指出,内嵌处理器的FPGA非常合适作为医疗电子系统中的高度整合的一体化系统核心。

  赛灵思亚太区高端产品市场经理梁晓明先生认为,医疗行业客户需要可编程能力和售后升级功能来保护他们的资本投资。作为FPGA行业领先厂商,赛灵思(Xilinx)公司提供的所有FPGA和CPLD产品都大量的使用在的医疗电子产品上, 公司有通用的芯片产品开发团队,也有专门的团队和合作伙伴提供医疗相关的应用方案和IP核。医疗市场对于高分辨率、3D采用图像处理和重构设备的需求很大。赛灵思公司在DSP和嵌入处理领域的领先技术将会补充并推动这一行业发展趋势。设备制造商可以利用赛灵思公司的FPGA器件来缩短开发周期、降低投资和风险,并可以在产品中集成自己的专用IP。赛灵思极为重视产品质量和可靠性,并将继续领导高性能FPGA发展的潮流。这与医疗电子行业的需求是一致的。高端FPGA的主流产品,已经广泛应用在医疗系统中,低成本FPGA产品更是广泛的用在所有医疗设备领域,包含便携式的医疗设备,例如便携超声设备和各种手持终端。

  Actel 公司高级产品市场经理Shabnam Zarrinkhameh的观点是高性能、具有功率意识的医疗系统设计人员都希望采用灵活的、功能丰富的器件,以获得快速、无以伦比的低功耗、固件错误免疫能力和低成本等优势。因此越来越多的设计人员将会转向灵活及功能丰富的FPGA产品。电池供电应用 (家庭输液泵、电震发生器、便携式血糖及胆固醇监控器、数字血压监控器,以及呼吸治疗产品) 都需要低功耗和小外形尺寸,使到Actel以Flash为基础的超低功耗IGLOO FPGA成为理想的选择。对于诊断实验室设备、病患监控设备、可植入的输液泵、以及起搏器应用,Actel的低功耗Flash FPGA同样适用。2007年,中国领先的医疗设备开发和制造商迈瑞医疗国际有限公司选择了Actel以Flash为基础的FPGA器件,用于其便携式病患监护仪产品,包括另外的监护仪设备、诊断实验仪器和超声波成像系统。此外,医疗保健正在向基于家庭的应用转移,这些通常采用电池供电的应用设备 (如家庭输液泵、电震发生器、便携式血糖及胆固醇监控器、数字血压监控器,以及呼吸治疗产品) 需要低功耗和小外形尺寸,Actel的超低功耗FPGA是理想的选择。

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