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专题ｔ生物医学ｓ健康Ｉ程）
技术
面向普适医疗
的低功耗医学集成电路芯片设计
王磊耀圳先进技术研究院ｔ摊圳５１９０５５１
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Ｐｅｒｖａｓｉｖｅ
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１工作背｝－．－ｇｔ学含义．研究现状
．需求分析等
的。我国在２Ｉ世纪面临着如何有效改善人民健康水平
系统芯片（ｓｙｓｔｅｍ—ｏｉｌ－ｃｈｉｐ）设计在国内外得到了
的重大挑战。国
务院新近颁布的《国家中长期科学技
越来越多的重视。所谓系统芯片．即将尽可能多的集
术发展规划纲要（２００６～２０２０）》指出．重大疾病防治要
成电路
知识产权（ＴＰ）模块集成到一片单硅片上。目前，
战咯前移．重点研究开发自主知识产权的心脑 血管病
系统芯片有向两个方面发展的趋势．一方面，继续遵
和肿瘤等重大 疾病的早期预警和诊断、疾病危险因索
循Ｍｏｏｒｅ。ｓ
Ｌａｗ
，即利用最瓤的集成电路加工工艺，在
早期干预等医疗健康技术。普适医疗与我国正在推
广
单位面积内集成更多的晶体管，不断地提高芯片的运
的“全民健康科技 行动５密切相关，是国家重点发展
算处理能力．其代表是ＩＮＴＥＬ公司研制的集成丁千
万
领域之一。
门级以上晶体管的通用处理器芯片，这不是本研究的
低功耗嶷成电路设计及系统级集成是实现昔适医
重点，另一方面，是利
用比较成熟的加工工艺．将模
疗的关键技术。低功耗设计非常重要．因为普适医
< br>拟采集与处理电路，数模及模数转换电路、徽控制器
疗电子｛殳备基本出电池供电，且要求 有较长的连续工
及徽处理器．编码／解码器、基带处理器．电源／电池
作 时同。低功耗设计优化可队在不阿的设计层次上实
管理电路，基准源等集成在一个硅片上
，实现一个“片
现，如，系统级、算挂级，逻辑结构级、电路级、版
上系
统”，并通过系统级封装技术将该片上系统和传感
图及工艺级。其中，在系统级、算法缓
和电路级上的
器、执行器及其它分立元件集成在一起，进而形成一
优化设 计需要建立在肘生物医学信号深入理解的基础
个自治的微系统（ａＬＥｔｏｆｌｏｌｎｏ
ｕｓ
ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ），这被称作
上。系统芯片设计在降低系统功耗的同 时．可以减步
ＭｏｍｍＭｏｏｒｅ。
１殳备的几何尺寸，从而增
加其“普适型”，将其对日常
与前者相比，Ｍｏｒｎ
Ｔｈａｎ<
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Ｍｏｏｒｅ虽然不要求超强的
起居和活动等的干扰减至最低。而这
恰恰是目前限制
运算处理能力，但强调多种功能在幕统芯片上的复台
这类 设备普及的一个重要方面。对于可吞咽电子胶囊
和集成。由这样的片上系统构成的传感器
结点．体积
而言，系统芯片设计意味着更小的体积和更长的工作
小、功耗
低．可以在各种环境下长时间．不间断的工作
时间。推而广之，低功耗医学集成电路系统芯片在微
实现信息的采集／处理／传输的一体化。针对普适医疗
型化、集成化、网 络化，数宇化、智能化（取开头的英
（ｐｅｒｖａｓｉｖｅ
ｈｅ
ａｌｔｈｃａｒｅ）的系统芯片设计是报告人傲为中
文字母，即ＭＩＮＤＳ）的普适医疗电子设备 中有着极大
科院“百人计划”人选者的重点研究方向。
的应用前景。
所谓普适医疗，即通过便携式，可穿戴或可吞咽
我国是一个发展中国家，医疗 卫生赍源是有限的。
式的医疗健康电子设备．在尽量不影响人的正常生活
如果拥有了自主知识产权的低功耗医学集成电路系统
节奏和活动规律的情况下．对其重要
的生理信息，如
芯片的关键技术，就可以以点带面，带动一批国内相
心率
、血压，体温等．进行远程监控－井利用嵌入智
关的医疗器械和保健器具制造企业，开发
出一系列低
能算法提供实时生物反馈，从而起到预防和保健的目
成本的医 疗保健电子设备．从而满足我国广大人民群
收聃日期：２０１０４１６４Ｊ２
万方数据
专题ｔ生物医学与健康Ｉ程）
技术
１ｈ—ｍｈｒｍｆＢｍｍｄＩｄｍｄＩｋ¨Ｅ％８ｗ１％）
众习益提高
的卫生保健需求。其结果是缓解了看病难、
项目一德国Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ
ＩＺＭ开发的具有传感功能的Ｔ
看病贵的现状，井缩短了我国医疗保健设备
行业与国
恤衫，等。这些项目的一个共同点是注重产学研结台，
际领先水
平的差距．具有一定的战略意义。有鉴于此．
以应用为导向．其中的有些研究成果已经成
功的转亿
报告人瞄准国际前沿，在现代擞电子技术、信息技术
为
产品。在中国，由香港中文大学的张兀亭教授负－＊
与生物医学工程学多学科交叉的基础
上，开发自主知
的“卫士”（ＷＩＳＳＨ）和保健衫（ｈ－Ｓｈｉｒｔ）项目，以及空<
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识产权的医学系统芯片（医芯）及完善相应的ＩＰ库。
军医学：【
程研究所的俞梦孙院士及其团队的研究成果
近年来，国家通过科技部８６３超大规模集成
电路
代表了国内的领先水平。
重大专项等各种途径，大力扶持我
国自主知识产权的
市场需求方面，先咀监护类医疗电于产品为铡，
通用和专用微处理器的研制和开发，成效显著。目前
国际卜的发展趋势是利用系坑芯片
设计这一核心技术，
我国拥有龙芯、方舟、Ｃ＋ＣＯＲＥ、众志等一系列自主
知识产权的ＣＰＵ内核，同时也
涌现出了中星徽电子
低功耗，然而，我国医疗器械企业由于技术条件限制，
和炬力集成等一批进军国际市场的ＩＣ设计企业，但
仍以台式监护仪为丰打产品，产品
中使用的核心集成
是，这些国产芯片的主要应用场台为多媒体和个人计
< br>电路芯片绝大部分为国外产品，企业缺乏自主知识产
算机，并不针对生物医学应用
。国内对生物医学系统
权，制约了其产品的更新换代和市场竞争力，在产品
芯片的研制开发起步较晚，尚未有商业化的产品出
创新上与国际领先水平的差
距正在拉太。另一方面，
现。在学术研究领域，目前主要有清华大学的王志华
教授和东南大学的王志功教授等
在从事相关领域的
理器，通信／移动多媒体及消费类电子产品巾的专用址
研究工作。
理器的开发．肘适用于监护类医疗电子产品的专用集
国际上．咀ＰＨＩＬＩＰＳ和Ｔｌ等公司为代表的大公
成电路芯片的开发投入极少。这就
造成了产业链上游
司早已瞄准生物医学应用领域．开发出了一系列适用
< br>的Ｉｃ设计企业和产业链下游的医疗电子整机企业的脱
于医学信号采集和处理的系
统芯片，如ＣｏｏｌＦｌｕｘＤＳＰ
节。因此，开发自主知识产权的低功耗医学系统芯片
芯片和ＯＭＡＰ极低功耗处理器芯片等。一些相对规
和ＩＰ库，
可啦缩短我国医疗电子产品与国际水平的差
模较小的公司则将产品设计集中在特定的生物
医学应
距，祢补产业链脱节，提高我国医疗器械企业的闻际
用，
例如，ＺＡＲＬｌＮＫ公司推出了针对植人式医疗电
竞争力。
子
设备的无线收发器芯片，Ａｕｒｅｌｉａ
Ｍｉｃｒｏｅｌｅｔｔｒｏｎｉｃａ推
同时，快速成长的家用医疗健康电子市场已经
出了针对多导联ＥＣＧ信号采集和处
理的集成电路芯
是半导体供货商最看好的商机。根据市场研究机构
片，Ｔ
ｏｕｍａｚ正在研制适用于躯感网的板低功耗系统芯
Ｄａｔａｂｅａｎｓ预测，到２０１
１年．全球医疗器材市场将突破
片，等。与国际工业界对生物医学系统芯片产品开发
２０００亿美元，在医疗电子方面将达９００亿美元左右市
相对应，
国际学术界对生物医学系统芯片的研究经常
场规模。家用医疗电子的市场规模将从２００
７年的１４６
见诸报道．近三年来在ＩＥＥＥ各会刊上发表豹关于生物
< br>亿美元增长至２０１１年的２００亿美元左右，与微电子相
医学集成电路设计的文
章５０余篇，涵盖了模拟，数字
关的产值将增长至４０亿美元左右。这类设备的代表是
< p>和射频等方面。
血糖仪和血压计，每年销量在３０００万台左右，占据
医芯应用方面．国际上正在进行的主要项目有美
家用医疗电子６０％以上市场份额。其 整机平均售价在
国佐治亚理工学院的智总衫（Ｓｍａｒｔ
Ｓｈｉ
ｒｔ）项目一美国
５００元左右．成本约在２００元左右，集成电路芯片组
ＶｉｖｏＭｅｔｒｉｃｓ公司开发的生命衫－美国麻省理工学院的
的价格占成本的５０ ％左右。换言之．仅在血糖仪和血
Ｍ１Ｔｈｒｉｌ项目．欧盟ＩＳＴ
ＦＰ ５项目?ＺＭＯＮ，欧盟ＩＳＴ
压计市场中，医芯潜在市场份额就有３０亿元（成本价<
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ＦＰ５项目－ＷＥＡＬＴＨＹＩ欧盟ＩＳＴ
ＦＰ６项目－ＭｙＨｅａｒｔ，
格），再加上在数字温度计／听诊器．心率／健身检测
欧盟ＩＳ
Ｔ
ＦＰ６．ＮＭＰ－２项目－ＢＩＯＴＥＸ，拄国的ＶＴＡＭＮ
系坑，便
携式心电７脑电仪，脉搏血氧测定仪等其它普
２２
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万方数据
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