中國高端醫(yī)療成像設(shè)備市場迅速增長，本土設(shè)計(jì)比例大增

近年來，越來越多的利好消息出現(xiàn)在醫(yī)療電子領(lǐng)域。中國政府大規(guī)模投資于醫(yī)療保健產(chǎn)業(yè)，有利于促進(jìn)醫(yī)療電子設(shè)備的銷售強(qiáng)勁增長。“受中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展及國家對全社會醫(yī)療服務(wù)體系建設(shè)重視程度不斷提高等有利因素的帶動，未來幾年，中國醫(yī)療電子市場將持續(xù)平穩(wěn)增長，由此也必將帶來醫(yī)療電子技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展。”ADI公司亞太醫(yī)療事業(yè)資深業(yè)務(wù)經(jīng)理周文勝分析道。

圖1：周文勝：在醫(yī)療成像等臨床系統(tǒng)中，通道密度正在非常迅速地增長，比如超聲應(yīng)用的通道數(shù)已經(jīng)增加到128通道甚至256通道，CT應(yīng)用已經(jīng)增加到64層甚至更多層。

隨著中國人口老齡化、人們財(cái)富的增長以及醫(yī)療條件的改善等因素推動了對高端電子醫(yī)療市場的需求。這些高端醫(yī)療設(shè)備包括診斷成像設(shè)備，例如：超聲、計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)、正電子輻射斷層掃描(PET)和X射線設(shè)備等。主要面向醫(yī)院或者專業(yè)醫(yī)療診所。在高端醫(yī)療設(shè)備市場，對于替代2D單色圖像設(shè)備的高分辨率和3D成像應(yīng)用的需要將更為強(qiáng)烈。同時(shí)中國在生物醫(yī)療領(lǐng)域不斷投入，這也是高性能高可靠性醫(yī)療電子設(shè)備增長的另一個應(yīng)用領(lǐng)域。

“目前，高端醫(yī)療器械的市場，還是以國外大品牌為主，但我們看到國內(nèi)的本土企業(yè)越來越多的參與市場競爭。一些領(lǐng)先的本土企業(yè)，已經(jīng)躋身于世界領(lǐng)先的醫(yī)療器械供應(yīng)商之列，例如邁瑞。可以看到這樣的趨勢，未來在高端醫(yī)療應(yīng)用市場會出現(xiàn)更多的本土研發(fā)產(chǎn)品。另一方面，近年來，外國的一些領(lǐng)先的高端醫(yī)療器械市場，在國內(nèi)也開展了研發(fā)工作，例如GE、西門子和飛利浦這樣的知名廠商已經(jīng)在華設(shè)立了研發(fā)中心，這也帶動了整個行業(yè)的人才引進(jìn)和中國市場研發(fā)能力的提高。”德州儀器（TI）中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理宋浩然指出。

此外，飛思卡爾半導(dǎo)體工業(yè)部市場經(jīng)理何英偉指出，預(yù)計(jì)未來幾年醫(yī)院設(shè)備，特別是醫(yī)療成像和診斷產(chǎn)品的國內(nèi)外供應(yīng)商將受到極大的促進(jìn)。為了贏得政府的采購招標(biāo)，這些公司大多開發(fā)出了低端產(chǎn)品組合，甚至也為超聲波和X光機(jī)等以前的高端設(shè)備開發(fā)出了低端產(chǎn)品。元器件供應(yīng)商和產(chǎn)品制造商一樣，他們也利用成本較低的型號來支持政府項(xiàng)目。

對于目前各種高端成像醫(yī)療設(shè)備，應(yīng)用不一樣，側(cè)重點(diǎn)不一樣，也導(dǎo)致了對半導(dǎo)體器件的要求不一樣。以下從模擬器件以及數(shù)字器件兩方面來談不同的需求。

不同設(shè)備對模擬IC的最新要求

“超聲波系統(tǒng)要求的通道數(shù)非常多，最少的到十九個通道，最多要有上百個通道。CT應(yīng)用對電流信號和通道數(shù)的要求比較嚴(yán)格。”TI宋浩然指出。針對超聲成像應(yīng)用，專門開發(fā)了AFE58XX模擬前端系列。AFE58xx 系列將多個高性能模擬組件組合成完全集成的模擬前端，為各種超聲波應(yīng)用提供了優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量。 與市場上的類似器件相比，該器件的尺寸小于它們的一半且功耗更小，同時(shí)還能保持低噪聲，這使便攜式和手持超聲波系統(tǒng)具有更長的電池壽命和更好的圖象質(zhì)量。“AFE5851 是超聲波市場上的第一款 16 通道 AFE。”他表示。

TI 的 DDC 產(chǎn)品是單芯片解決方案，用于將 CT 掃描儀的光電二極管陣列中的低電平電流直接數(shù)字化。每個 DDC 通道都提供雙路開關(guān)集成器前端來對光電二極管中的電流進(jìn)行處理。此配置允許進(jìn)行連續(xù)電流積分（以避免任何輸入信號的丟失）：其中一個集成器輸出將被板載 A/D 轉(zhuǎn)換器數(shù)字化，另一個輸出則對輸入電流進(jìn)行積分。這個系列產(chǎn)品中DDC232 是32通道電流輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，DDC114是20位四通道電流輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在性能和集成度上都具有業(yè)界領(lǐng)先水平，特別是把前端的模擬器件功能都集中在里面了，這樣極大的方便了客戶設(shè)計(jì)。

ADI公司則在通道數(shù)量上下足功夫。周文勝指出：“在醫(yī)療成像等臨床系統(tǒng)中，通道密度正在非常迅速地增長，比如超聲應(yīng)用的通道數(shù)已經(jīng)增加到128通道甚至256通道，CT應(yīng)用已經(jīng)增加到64層甚至更多層，同時(shí)系統(tǒng)尺寸和機(jī)械/熱限制要求電路足夠小，以便適應(yīng)設(shè)備尺寸要求，并且系統(tǒng)功耗還要求足夠低(包括散熱方面的考慮)。”對更高精度和效率的要求主要是指機(jī)器的處理精度和速度。因此，大型醫(yī)療設(shè)備正在向更高的通道密度和/或更高的通道處理速度發(fā)展。然而，“最大的挑戰(zhàn)是高通道密度與系統(tǒng)尺寸的矛盾，以及高處理速度與功耗要求之間的矛盾。”他指出，“ADI已經(jīng)預(yù)見到了這種趨勢，并在幾年前就開始投入了新技術(shù)的開發(fā)，這將有助于解決這些矛盾，并幫助醫(yī)療設(shè)備制造商實(shí)現(xiàn)他們的夢想。”

ADAS1128是CT應(yīng)用的極佳例子。幾年以前，主流的CT仍然是1層或2層CT，但是現(xiàn)在16和64層甚至更高層的CT變得越來越流行。這種變化不僅提供了更好的影像，而且縮短了病人掃描時(shí)間和病人準(zhǔn)備時(shí)間。“作為2009年初向市場引進(jìn)的突破性技術(shù)，ADAS1128是一款128通道電流數(shù)字轉(zhuǎn)換器，可以幫助醫(yī)療設(shè)備制造商在不降低性能的條件下實(shí)現(xiàn)更高層數(shù)、小尺寸和低功耗的CT產(chǎn)品。”周文勝表示。ADI與大型醫(yī)療系統(tǒng)制造商有著良好的關(guān)系，特別是那些行業(yè)領(lǐng)先客戶，他們可以幫助ADI定義恰當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品來滿足市場需求。

醫(yī)療成像設(shè)備對FPGA和DSP的最新需求

Altera公司市場經(jīng)理Paul Chan指出，大多數(shù)成像設(shè)備的基本圖像處理需求是相似的，例如縮放器、去隔行、顏色空間轉(zhuǎn)換、alpha混合、gamma校正、圖像抽取、插值、色度重新采樣器、2D/3D濾波器、掃描線緩沖器，以及可能需要的H.264圖像壓縮等。這些診斷成像設(shè)備的不同之處在于核心圖像處理算法上。例如，CT主要是剖面圖像，需要對假像進(jìn)行校正，或者失真校正。相對于X射線，MRI是更好的技術(shù)，這兩種技術(shù)主要是靜態(tài)圖像(例如，沒有運(yùn)動或者旋轉(zhuǎn)處理)，需要較多的梯度處理。超聲功能要求提供較強(qiáng)的DSP處理能力，完成聚束、頻譜多普勒處理和運(yùn)動處理，著色或者3D超聲則需要更強(qiáng)的DSP處理能力。

圖2：Paul Chan：需要強(qiáng)調(diào)的是設(shè)計(jì)重用特性非常重要，它縮短了研發(fā)時(shí)間，同時(shí)推動了模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較長的產(chǎn)品生命周期，支持產(chǎn)品更新。

“需要強(qiáng)調(diào)的是，使用通用圖像處理功能的設(shè)計(jì)重用特性非常重要，它縮短了研發(fā)時(shí)間，同時(shí)推動了模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了較長的產(chǎn)品生命周期，支持產(chǎn)品更新。”他表示。比如Stratix IV 40nm高性能FPGA系列提供豐富的LE、嵌入式存儲器和DSP模塊，具有較高的內(nèi)核和I/O性能，支持最新最快的存儲器接口以及收發(fā)器信號完整性。通過真正的SOC解決方案替代多個ASIC、ASSP或者DSP器件，降低了成本和功耗，減小了電路板面積，同時(shí)使工程師能夠靈活地應(yīng)對市場需求的變化。隨著功能的改進(jìn)，同時(shí)使用豐富的DSP和存儲器資源，工程師很容易更新到支持H.264編碼，極大的提高了性能。

賽靈思公司亞太地區(qū)市場及應(yīng)用總監(jiān)張宇清則認(rèn)為，內(nèi)嵌處理器的FPGA非常適合作為醫(yī)療電子系統(tǒng)中的高度整合的一體化系統(tǒng)核心。賽靈思的Virtex-5 FXT平臺, 是可提供多達(dá)兩個業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的PowerPC 440處理器模塊的FPGA產(chǎn)品,加上高性能DSP和高速SerDes，對于需要高分辨率圖像處理、高性能數(shù)據(jù)分析、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備開發(fā)非常理想。采用賽靈思FPGA，開發(fā)人員還可以集成自己開發(fā)的專用IP。賽靈思Virtex-5 FPGA產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)療系統(tǒng)中，包括PCI express接口，SATA接口，以太網(wǎng)接口；高速數(shù)據(jù)緩存和高速查表；高性能濾波器，Beam forming，F(xiàn)FT和其他核心算法；ADC/DAC接口和各種復(fù)雜控制；圖象處理和顯示。

圖3：Douglas Hunter：現(xiàn)代醫(yī)療電子的復(fù)雜性不僅僅需要多功能的FPGA，還需要解決模擬功能，提供電源管理和時(shí)鐘生成IC來幫助管理系統(tǒng)的復(fù)雜性。

Lattice公司市場部副總裁Douglas Hunter補(bǔ)充道：“許多因素促使廠商越來越多地使用源同步接口，包括需要與高速ADC和DAC連接。LatticeECP3的sysIO緩沖器讓設(shè)計(jì)人員能夠輕松地與采用先進(jìn)的系統(tǒng)I/O標(biāo)準(zhǔn)的其它設(shè)備相連。當(dāng)然，現(xiàn)代醫(yī)療電子的復(fù)雜性不僅僅需要多功能的FPGA。解決模擬功能(比如在核磁共振成像設(shè)備之中)，提供電源管理和時(shí)鐘生成IC來幫助管理系統(tǒng)的復(fù)雜性，也很關(guān)鍵。例如，Lattice的混合信號Power Manager II系列可以為電路板電源管理實(shí)現(xiàn)單芯片解決方案，降低了電路板空間需求并提高了可靠性。同時(shí)，ispClock 5400D混合信號IC，作為包括LatticeECP3在內(nèi)的SERDES FPGA的參考時(shí)鐘源。有了ispClock5400D，就可以使用成本和頻率較低的CMOS振蕩器的時(shí)鐘源，從而降低總體執(zhí)行成本。

在DSP需求方面，對于超聲波系統(tǒng)，DSP 被用于多普勒處理、2D、3D 乃至 4D 成像以及大量后處理算法的成像系統(tǒng)，以增加功能并改善性能。某些超聲波系統(tǒng)需要高動態(tài)范圍，或具有需要多個周期的功能。這些功能的示例還有頻譜縮減及平方根功能。當(dāng)超聲波解決方案需要一個操作系統(tǒng)時(shí)，TMS320DM6446 可滿足這一需求。DM6446 不僅具有功能強(qiáng)大的核心以及視頻加速器（可用于處理成像需求），還具有 ARM9? 核心，可滿足運(yùn)行操作系統(tǒng)的需求。

另一項(xiàng)重要的 DSP 控制功能就是 ECG 門控，它用于減少由心臟跳動引起的運(yùn)動偽影。其中的數(shù)據(jù)采集與心臟跳動完全同步。用于與 PC 連接的千兆以太網(wǎng)收發(fā)器可實(shí)現(xiàn)高速全雙工點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。