中国高端医疗成像设备市场迅速增长，本土设计比例大增

近年来，越来越多的利好消息出现在医疗电子领域。中国政府大规模投资于医疗保健产业，有利于促进医疗电子设备的销售强劲增长。“受中国经济持续健康发展及国家对全社会医疗服务体系建设重视程度不断提高等有利因素的带动，未来几年，中国医疗电子市场将持续平稳增长，由此也必将带来医疗电子技术进步和发展。”ADI公司亚太医疗事业资深业务经理周文胜分析道。

 

图1：周文胜：在医疗成像等临床系统中，通道密度正在非常迅速地增长，比如超声应用的通道数已经增加到128通道甚至256通道，CT应用已经增加到64层甚至更多层。

 

随着中国人口老龄化、人们财富的增长以及医疗条件的改善等因素推动了对高端电子医疗市场的需求。这些高端医疗设备包括诊断成像设备，例如：超声、计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、正电子辐射断层扫描(PET)和X射线设备等。主要面向医院或者专业医疗诊所。在高端医疗设备市场，对于替代2D单色图像设备的高分辨率和3D成像应用的需要将更为强烈。同时中国在生物医疗领域不断投入，这也是高性能高可靠性医疗电子设备增长的另一个应用领域。

 

“目前，高端医疗器械的市场，还是以国外大品牌为主，但我们看到国内的本土企业越来越多的参与市场竞争。一些领先的本土企业，已经跻身于世界领先的医疗器械供应商之列，例如迈瑞。可以看到这样的趋势，未来在高端医疗应用市场会出现更多的本土研发产品。另一方面，近年来，外国的一些领先的高端医疗器械市场，在国内也开展了研发工作，例如GE、西门子和飞利浦这样的知名厂商已经在华设立了研发中心，这也带动了整个行业的人才引进和中国市场研发能力的提高。”德州仪器（TI）中国区高性能模拟产品业务拓展经理宋浩然指出。

 

此外，飞思卡尔半导体工业部市场经理何英伟指出，预计未来几年医院设备，特别是医疗成像和诊断产品的国内外供应商将受到极大的促进。为了赢得政府的采购招标，这些公司大多开发出了低端产品组合，甚至也为超声波和X光机等以前的高端设备开发出了低端产品。元器件供应商和产品制造商一样，他们也利用成本较低的型号来支持政府项目。

 

对于目前各种高端成像医疗设备，应用不一样，侧重点不一样，也导致了对半导体器件的要求不一样。以下从模拟器件以及数字器件两方面来谈不同的需求。

 

不同设备对模拟IC的最新要求

 

“超声波系统要求的通道数非常多，最少的到十九个通道，最多要有上百个通道。CT应用对电流信号和通道数的要求比较严格。”TI宋浩然指出。针对超声成像应用，专门开发了AFE58XX模拟前端系列。AFE58xx 系列将多个高性能模拟组件组合成完全集成的模拟前端，为各种超声波应用提供了优质的图像质量。 与市场上的类似器件相比，该器件的尺寸小于它们的一半且功耗更小，同时还能保持低噪声，这使便携式和手持超声波系统具有更长的电池寿命和更好的图象质量。“AFE5851 是超声波市场上的第一款 16 通道 AFE。”他表示。

TI 的 DDC 产品是单芯片解决方案，用于将 CT 扫描仪的光电二极管阵列中的低电平电流直接数字化。每个 DDC 通道都提供双路开关集成器前端来对光电二极管中的电流进行处理。此配置允许进行连续电流积分（以避免任何输入信号的丢失）：其中一个集成器输出将被板载 A/D 转换器数字化，另一个输出则对输入电流进行积分。这个系列产品中DDC232 是32通道电流输入模数转换器，DDC114是20位四通道电流输入模数转换器，在性能和集成度上都具有业界领先水平，特别是把前端的模拟器件功能都集中在里面了，这样极大的方便了客户设计。

 

ADI公司则在通道数量上下足功夫。周文胜指出：“在医疗成像等临床系统中，通道密度正在非常迅速地增长，比如超声应用的通道数已经增加到128通道甚至256通道，CT应用已经增加到64层甚至更多层，同时系统尺寸和机械/热限制要求电路足够小，以便适应设备尺寸要求，并且系统功耗还要求足够低(包括散热方面的考虑)。”对更高精度和效率的要求主要是指机器的处理精度和速度。因此，大型医疗设备正在向更高的通道密度和/或更高的通道处理速度发展。然而，“最大的挑战是高通道密度与系统尺寸的矛盾，以及高处理速度与功耗要求之间的矛盾。”他指出，“ADI已经预见到了这种趋势，并在几年前就开始投入了新技术的开发，这将有助于解决这些矛盾，并帮助医疗设备制造商实现他们的梦想。”

 

ADAS1128是CT应用的极佳例子。几年以前，主流的CT仍然是1层或2层CT，但是现在16和64层甚至更高层的CT变得越来越流行。这种变化不仅提供了更好的影像，而且缩短了病人扫描时间和病人准备时间。“作为2009年初向市场引进的突破性技术，ADAS1128是一款128通道电流数字转换器，可以帮助医疗设备制造商在不降低性能的条件下实现更高层数、小尺寸和低功耗的CT产品。”周文胜表示。ADI与大型医疗系统制造商有着良好的关系，特别是那些行业领先客户，他们可以帮助ADI定义恰当的产品来满足市场需求。

医疗成像设备对FPGA和DSP的最新需求

 

Altera公司市场经理Paul Chan指出，大多数成像设备的基本图像处理需求是相似的，例如缩放器、去隔行、颜色空间转换、alpha混合、gamma校正、图像抽取、插值、色度重新采样器、2D/3D滤波器、扫描线缓冲器，以及可能需要的H.264图像压缩等。这些诊断成像设备的不同之处在于核心图像处理算法上。例如，CT主要是剖面图像，需要对假像进行校正，或者失真校正。相对于X射线，MRI是更好的技术，这两种技术主要是静态图像(例如，没有运动或者旋转处理)，需要较多的梯度处理。超声功能要求提供较强的DSP处理能力，完成聚束、频谱多普勒处理和运动处理，着色或者3D超声则需要更强的DSP处理能力。

 

 

图2：Paul Chan：需要强调的是设计重用特性非常重要，它缩短了研发时间，同时推动了模块化设计，实现了较长的产品生命周期，支持产品更新。

 

 

“需要强调的是，使用通用图像处理功能的设计重用特性非常重要，它缩短了研发时间，同时推动了模块化设计，实现了较长的产品生命周期，支持产品更新。”他表示。比如StraTIx IV 40nm高性能FPGA系列提供丰富的LE、嵌入式存储器和DSP模块，具有较高的内核和I/O性能，支持最新最快的存储器接口以及收发器信号完整性。通过真正的SOC解决方案替代多个ASIC、ASSP或者DSP器件，降低了成本和功耗，减小了电路板面积，同时使工程师能够灵活地应对市场需求的变化。随着功能的改进，同时使用丰富的DSP和存储器资源，工程师很容易更新到支持H.264编码，极大的提高了性能。

 

赛灵思公司亚太地区市场及应用总监张宇清则认为，内嵌处理器的FPGA非常适合作为医疗电子系统中的高度整合的一体化系统核心。赛灵思的Virtex-5 FXT平台, 是可提供多达两个业界标准的PowerPC 440处理器模块的FPGA产品,加上高性能DSP和高速SerDes，对于需要高分辨率图像处理、高性能数据分析、高速数据传输的设备开发非常理想。采用赛灵思FPGA，开发人员还可以集成自己开发的专用IP。赛灵思Virtex-5 FPGA产品已经广泛应用在医疗系统中，包括PCI express接口，SATA接口，以太网接口；高速数据缓存和高速查表；高性能滤波器，Beam forming，FFT和其他核心算法；ADC/DAC接口和各种复杂控制；图象处理和显示。

 

图3：Douglas Hunter：现代医疗电子的复杂性不仅仅需要多功能的FPGA，还需要解决模拟功能，提供电源管理和时钟生成IC来帮助管理系统的复杂性。

Lattice公司市场部副总裁Douglas Hunter补充道：“许多因素促使厂商越来越多地使用源同步接口，包括需要与高速ADC和DAC连接。LatticeECP3的sysIO缓冲器让设计人员能够轻松地与采用先进的系统I/O标准的其它设备相连。当然，现代医疗电子的复杂性不仅仅需要多功能的FPGA。解决模拟功能(比如在核磁共振成像设备之中)，提供电源管理和时钟生成IC来帮助管理系统的复杂性，也很关键。例如，Lattice的混合信号Power Manager II系列可以为电路板电源管理实现单芯片解决方案，降低了电路板空间需求并提高了可靠性。同时，ispClock 5400D混合信号IC，作为包括LatticeECP3在内的SERDES FPGA的参考时钟源。有了ispClock5400D，就可以使用成本和频率较低的CMOS振荡器的时钟源，从而降低总体执行成本。

 

在DSP需求方面，对于超声波系统，DSP 被用于多普勒处理、2D、3D 乃至 4D 成像以及大量后处理算法的成像系统，以增加功能并改善性能。某些超声波系统需要高动态范围，或具有需要多个周期的功能。这些功能的示例还有频谱缩减及平方根功能。当超声波解决方案需要一个操作系统时，TMS320DM6446 可满足这一需求。DM6446 不仅具有功能强大的核心以及视频加速器（可用于处理成像需求），还具有 ARM9? 核心，可满足运行操作系统的需求。

 

另一项重要的 DSP 控制功能就是 ECG 门控，它用于减少由心脏跳动引起的运动伪影。其中的数据采集与心脏跳动完全同步。用于与 PC 连接的千兆以太网收发器可实现高速全双工点对点数据传输。