中國高端醫療成像設備市場迅速增長，本土設計比例大增

近年來，越來越多的利好消息出現在醫療電子領域。中國政府大規模投資于醫療保健產業，有利于促進醫療電子設備的銷售強勁增長。“受中國經濟持續健康發展及國家對全社會醫療服務體系建設重視程度不斷提高等有利因素的帶動，未來幾年，中國醫療電子市場將持續平穩增長，由此也必將帶來醫療電子技術進步和發展。”ADI公司亞太醫療事業資深業務經理周文勝分析道。

圖1：周文勝：在醫療成像等臨床系統中，通道密度正在非常迅速地增長，比如超聲應用的通道數已經增加到128通道甚至256通道，CT應用已經增加到64層甚至更多層。

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

“目前，高端醫療器械的市場，還是以國外大品牌為主，但我們看到國內的本土企業越來越多的參與市場競爭。一些領先的本土企業，已經躋身于世界領先的醫療器械供應商之列，例如邁瑞。可以看到這樣的趨勢，未來在高端醫療應用市場會出現更多的本土研發產品。另一方面，近年來，外國的一些領先的高端醫療器械市場，在國內也開展了研發工作，例如GE、西門子和飛利浦這樣的知名廠商已經在華設立了研發中心，這也帶動了整個行業的人才引進和中國市場研發能力的提高。”德州儀器（TI）中國區高性能模擬產品業務拓展經理宋浩然指出。

此外，飛思卡爾半導體工業部市場經理何英偉指出，預計未來幾年醫院設備，特別是醫療成像和診斷產品的國內外供應商將受到極大的促進。為了贏得政府的采購招標，這些公司大多開發出了低端產品組合，甚至也為超聲波和X光機等以前的高端設備開發出了低端產品。元器件供應商和產品制造商一樣，他們也利用成本較低的型號來支持政府項目。

對于目前各種高端成像醫療設備，應用不一樣，側重點不一樣，也導致了對半導體器件的要求不一樣。以下從模擬器件以及數字器件兩方面來談不同的需求。

不同設備對模擬IC的最新要求

“超聲波系統要求的通道數非常多，最少的到十九個通道，最多要有上百個通道。CT應用對電流信號和通道數的要求比較嚴格。”TI宋浩然指出。針對超聲成像應用，專門開發了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，為各種超聲波應用提供了優質的圖像質量。 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，同時還能保持低噪聲，這使便攜式和手持超聲波系統具有更長的電池壽命和更好的圖象質量。“AFE5851 是超聲波市場上的第一款 16 通道 AFE。”他表示。

TI 的 DDC 產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字化。每個 DDC 通道都提供雙路開關集成器前端來對光電二極管中的電流進行處理。此配置允許進行連續電流積分（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 轉換器數字化，另一個輸出則對輸入電流進行積分。這個系列產品中DDC232 是32通道電流輸入模數轉換器，DDC114是20位四通道電流輸入模數轉換器，在性能和集成度上都具有業界領先水平，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計。

ADI公司則在通道數量上下足功夫。周文勝指出：“在醫療成像等臨床系統中，通道密度正在非常迅速地增長，比如超聲應用的通道數已經增加到128通道甚至256通道，CT應用已經增加到64層甚至更多層，同時系統尺寸和機械/熱限制要求電路足夠小，以便適應設備尺寸要求，并且系統功耗還要求足夠低(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器的處理精度和速度。因此，大型醫療設備正在向更高的通道密度和/或更高的通道處理速度發展。然而，“最大的挑戰是高通道密度與系統尺寸的矛盾，以及高處理速度與功耗要求之間的矛盾。”他指出，“ADI已經預見到了這種趨勢，并在幾年前就開始投入了新技術的開發，這將有助于解決這些矛盾，并幫助醫療設備制造商實現他們的夢想。”

ADAS1128是CT應用的極佳例子。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間和病人準備時間。“作為2009年初向市場引進的突破性技術，ADAS1128是一款128通道電流數字轉換器，可以幫助醫療設備制造商在不降低性能的條件下實現更高層數、小尺寸和低功耗的CT產品。”周文勝表示。ADI與大型醫療系統制造商有著良好的關系，特別是那些行業領先客戶，他們可以幫助ADI定義恰當的產品來滿足市場需求。

醫療成像設備對FPGA和DSP的最新需求

Altera公司市場經理Paul Chan指出，大多數成像設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，需要對假像進行校正，或者失真校正。相對于X射線，MRI是更好的技術，這兩種技術主要是靜態圖像(例如，沒有運動或者旋轉處理)，需要較多的梯度處理。超聲功能要求提供較強的DSP處理能力，完成聚束、頻譜多普勒處理和運動處理，著色或者3D超聲則需要更強的DSP處理能力。

圖2：Paul Chan：需要強調的是設計重用特性非常重要，它縮短了研發時間，同時推動了模塊化設計，實現了較長的產品生命周期，支持產品更新。

“需要強調的是，使用通用圖像處理功能的設計重用特性非常重要，它縮短了研發時間，同時推動了模塊化設計，實現了較長的產品生命周期，支持產品更新。”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，具有較高的內核和I/O性能，支持最新最快的存儲器接口以及收發器信號完整性。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，同時使工程師能夠靈活地應對市場需求的變化。隨著功能的改進，同時使用豐富的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市場及應用總監張宇清則認為，內嵌處理器的FPGA非常適合作為醫療電子系統中的高度整合的一體化系統核心。賽靈思的Virtex-5 FXT平臺, 是可提供多達兩個業界標準的PowerPC 440處理器模塊的FPGA產品,加上高性能DSP和高速SerDes，對于需要高分辨率圖像處理、高性能數據分析、高速數據傳輸的設備開發非常理想。采用賽靈思FPGA，開發人員還可以集成自己開發的專用IP。賽靈思Virtex-5 FPGA產品已經廣泛應用在醫療系統中，包括PCI express接口，SATA接口，以太網接口；高速數據緩存和高速查表；高性能濾波器，Beam forming，FFT和其他核心算法；ADC/DAC接口和各種復雜控制；圖象處理和顯示。

圖3：Douglas Hunter：現代醫療電子的復雜性不僅僅需要多功能的FPGA，還需要解決模擬功能，提供電源管理和時鐘生成IC來幫助管理系統的復雜性。

Lattice公司市場部副總裁Douglas Hunter補充道：“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緩沖器讓設計人員能夠輕松地與采用先進的系統I/O標準的其它設備相連。當然，現代醫療電子的復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備之中)，提供電源管理和時鐘生成IC來幫助管理系統的復雜性，也很關鍵。例如，Lattice的混合信號Power Manager II系列可以為電路板電源管理實現單芯片解決方案，降低了電路板空間需求并提高了可靠性。同時，ispClock 5400D混合信號IC，作為包括LatticeECP3在內的SERDES FPGA的參考時鐘源。有了ispClock5400D，就可以使用成本和頻率較低的CMOS振蕩器的時鐘源，從而降低總體執行成本。

在DSP需求方面，對于超聲波系統，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，以增加功能并改善性能。某些超聲波系統需要高動態范圍，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。當超聲波解決方案需要一個操作系統時，TMS320DM6446 可滿足這一需求。DM6446 不僅具有功能強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，可滿足運行操作系統的需求。

另一項重要的 DSP 控制功能就是 ECG 門控，它用于減少由心臟跳動引起的運動偽影。其中的數據采集與心臟跳動完全同步。用于與 PC 連接的千兆以太網收發器可實現高速全雙工點對點數據傳輸。