集成电路设计学科评估
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集成电路设计学科评估范文第1篇
关键词 工程教育专业认证；射频微电子；卓越工程师
中图分类号：G642.3 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2015）11-0007-02
1 引言
工程教育专业认证对保证和提高工程教育质量、推动我国卓越工程师教育培养计划具有重要作用。我国工程教育于2013年6月在韩国首尔召开的国际工程联盟会议上成功加入《华盛顿协议》，成为预备会员，这标志着我国工程教育迈出重大步伐，为工程类学生今后走向世界提供了具有国际互认质量标准的“通行证”。工程教育专业认证作为国家工程师制度改革的基础和前提，也将为广大工科学生未来的工程执业提供便利[1-2]。
随着国内半导体制造现代化工艺线的不断建设和扩展，以及微电子技术的飞速发展，IC产业对微电子人才需求日益增加。目前我国正面临微电子技术人才奇缺的局面，对培养人才的要求也日益提高。射频微电子学课程作为电磁场与微波技术方向的专业核心课程，是数字通信、射频系统以及射频集成电路设计的基础。建立能适应新形势下满足工程教育认证标准要求的射频微电子学课程教学体系，提高射频微电子学课程教学水平，是电类专业顺利通过工程教育专业认证的重要环节之一。
为实施教育部“卓越工程师教育培养计划”，切实增强学生的工程实践能力、工程设计能力和工程创新能力，本文结合客观实际，从教学方式方法改革、学生工程实践能力培养、侧重学生对所学知识的应用和创新能力的教学评价方法的研究和实践等方面着手，建设面向工程教育专业认证的射频微电子学课程教学体系[3]。
2 改进教学方式方法，提高学生学习的积极性
采用先进现代教学手段是提高学生学习兴趣和积极性的重要方法之一。
1）在保证知识结构的系统性和知识点布局的全面性基础上，采用启发式互动教学法，充分调动学生学习微电子课程的积极主动性，引导学生主动分析工程实际问题，有效提高课程的教学质量。
2）改进多媒体课件，使教学更贴近工程实践。使用视频剪辑、动画、实物照片等教学手段，向学生展现该课程的核心内容以及所学理论的工程实践应用，增加学生对射频和微电子的感性认识。例如：在介绍S参数时，可以通过视频录像介绍工程实践中利用矢量网络分析仪测试射频无源器件及有源器件S参数的方法；在介绍微波传输线时，可以向学生展示由微带构成的射频前端系统中的馈电网络的实物照片和调试过程的视频录像；通过收集并展示各种射频无源（滤波器、功分器等）、有源器件（低噪声放大器、混频器等）的照片和实物，使学生更形象地认识射频器件，提高学生的学习兴趣。
3）推进课程网站的建设，以网络教学作为教学辅助手段。在教学网站上提供国外著名科教网络频道有关射频技术和微电子学的课程课件和相关教学资源，课堂教学课件、射频微电子技术常用的网络资源和网址，建立讨论区供学生相互讨论和教师答疑，建立专门的网页介绍射频微电子技术的前沿和发展方向，鼓励学生跟踪前沿技术自主创新。
4）在教学评价方面，侧重学生对所学知识的应用和创新能力的考查，将小组自主学习、研究性学习的情况纳入对学生成绩的评价，引导学生重视课程的实践环节，改变单一的考试成绩评价方式，重视学生在学习过程中的自我评价和自我改进。
3 注重学生面向工程实际的能力培养，改革射频微电子学实践教学内容
微电子学课程体系主要包括微电子器件和工艺、集成电路设计与应用两大类，应用性极强，学生需经过实际器件工艺的操作和具体集成电路的设计，才能深刻理解器件工作原理、掌握集成电路仿真和版图绘制方法，全面了解集成电路设计的全过程，达到很好的教学效果。
作为该课程体系中重要的一门课程，射频微电子学是一门理论性与工程性都很强的课程。如图1所示，射频微电子学涉及许多学科交叉领域，因此，学生不仅需要学习数字集成电路设计、模拟集成电路设计等理论课程，掌握集成电路原理，还要能利用各代工厂提供的工艺库和器件模型进行各种集成电路原理设计和版图绘制。现代射频集成电路的开发流程，由仿真域（设计、仿真、验证）实体域（电路实现）测试域（测试验证）三个环节构成。工业界需要的合格的射频微电子工程师必须具备在上述三个领域的全面知识和技能。目前培养的学生比较注重基础理论的学习，仅对仿真域中的设计环节比较熟悉，而仿真、电路实现、测试等方面的能力比较欠缺。
因此，在教学过程中，为了培养学生的工程实践能力，除了基础理论知识的教授外，还需教授学生掌握电路CAD软件、电磁场仿真设计工具（HFSS、IE3D或CST）、各种集成电路测试设备（矢量网络分析仪、示波器、信号源、频谱仪和噪声仪），并要求学生利用电磁仿真软件对所学的射频无源及有源器件（如滤波器、功分器，低噪声放大器、混频器、振荡器等）进行分析和设计，使学生不仅能更深刻地理解所学习的射频器件的工作原理及射频集成电路设计方法，也能熟悉和掌握仿真软件。学生在教师或助教的指导下，自主设计、仿真验证射频无源器件（如滤波器、功分器、工分器等）及其有源器件（如低噪声放大器、混频器等），在此基础上进行射频系统前端的集成电路设计，然后通过评估筛选出性能较好的设计，制作实物并进行工程测试。这样就实现了对学生在射频集成电路工程设计重要环节由仿真域（设计、仿真、验证）实体域（电路实现）测试域（测试验证）能力的培养。
在理论教学的基础上，通过小组学习讨论的方式，鼓励学生按课题小组设计多种射频元器件。但由于射频器件及射频系统前端的集成电路的制作和工程测试的成本较高，无法满足所有学生的需求，对器件的制作和测试必须择优进行。在实际的实践教学中，只进行某种器件设计的小组为参照组，评估完成整个设计、仿真、制作、测试流程的小组对该器件掌握的改善情况。
4 进行校企合作的卓越工程人才联合培养
射频微电子学教学可在校企联合培养机制下，建立必要的激励政策，充分发挥企业的行业优势，引导教学从注重学生“考试结果”向注重学生“学习过程”的转变。这反映到本课程的教学内容上，要强调理论性与本课程的有机结合，突出案例分析和实践研究；反映到教学过程中，要重视运用团队学习、案例分析、实践研究和模拟训练等方法的运用。在考核时，对校外课外的实践内容实行严格的考核，比如邀请校外射频微电子工程技术人员与校内专业教师组成考核小组，考核学生在企业实习的具体表现。根据实际条件，增加工厂生产实习环节，使学生能在综合运用所学知识的基础上，加强对企业岗位操作规程及相关管理规程等的详细了解。
5 结束语
本文在工程教育专业认证背景下并结合本校的本科卓越工程师教育培养和专业建设，基于笔者近两年来在微波技术与天线、射频微电子学课程授课过程中的总结，探讨建立新形势下能满足工程教育认证标准要求的射频微电子学课程教学体系，从而适应国际化、社会化、高素质、创新型人才的培养需求。需要指出的是，由于受到教学经验和客观实际的限制，笔者只是简要地讨论了在工程教育背景下本课程教学的转变，在未来的教学过程中会进一步进行思考和总结。
参考文献
[1]修开喜.中美工程教育专业认证体系的比较研究[D].辽宁：大连理工大学，2013.
[2]刘昭亚.本科院校工程教育专业认证制度研究[D].安徽：淮北师范大学，2014.
[3]林健.“卓越工程师教育培养计划”质量要求与工程教育认证[J].高等工程教育研究，2013（6）：49-61.
集成电路设计学科评估范文第2篇
发挥人才培养优势，为“海西”建设提供人才支持
改革开放以来，厦门大学在福建省就业的毕业生共5万多人，占毕业生总数50％以上。厦门大学培养的研究生占福建省研究生总数的一半以上；在厦门经济特区的各条战线上，每50人中就有1人毕业于厦门大学或曾在厦门大学接受继续教育。厦门大学作为福建唯一的国家重点大学，为福建实施科教兴省、教育强省战略，发挥着“龙头”的作用，做出了突出的贡献。
学校主动适应福建省和厦门市改革开放的需要，与地方政府共建艺术教育学院、政法学院、海洋与环境学院、工学院、医学院、软件学院。积极适应地方产业结构调整和升级，进行学科专业的调整和改造，在全国率先成立经济学院及建设了国际贸易、国际金融、国际会计等一批涉外型专业，兴办了化工、机电、信息、通信、飞机维修、环境工程、建筑与土木工程等一批应用型专业。这些专业的毕业生已经成为福建省经济建设主战场的骨干和中坚力量。
1993年厦门太古飞机工程有限公司急需维修人才。厦门大学急企业之所急，专门设立飞机维修工程专业，从1997年至今已为“太古”输送了300多名技术“蓝领”，大大加快了企业的飞速发展。近年来公司发展迅速，到2008年底将成为世界最大和维修能力最强的飞机维修中心。
发挥学科优势，带动“海西”科技和产业的发展
厦门大学充分发挥多学科的综合优势，围绕建设福建、厦门产业发展的战略目标，积极推动和促进相关的基础研究和应用技术的发展，成为地方经济社会发展的重要“助推器”。
适应省委省政府“建设海洋经济强省，推进福建省由海洋资源大省向海洋经济强省转变”的发展战略，厦门大学发挥海洋学科和“985工程”海洋科技创新平台的优势，着力打造“国家南方海洋研究中心”，使其不仅成为国家海洋知识创新的中坚力量，而且成为建设“海洋经济强省”的强劲支撑。
围绕农业和渔业等地方优势产业，厦门大学组织科研攻关，促进了海峡西岸经济区优势农产品产业带的发展。学校研发的优质稻品种“佳辐占”被福建省农业厅定为储备种子的品种之一，目前已由企业委托农户实行订单生产。据测算，全省年推广“佳辐占”种植面积200万亩，可生产8亿多公斤优质稻谷，共可使农民增收1.6亿~3.2亿元。在海洋经济动物增养殖及病害防治、海洋环境保护等应用研究方面，学校也取得丰硕成果。“福建典型海水养殖区富营养化的生物修复技术研究”、“南方养殖鲍的杂交和遗传选育及中试示范”、“性外激素诱导大弹涂鱼成熟产卵研究”、“养殖大黄鱼品质改良育种技术”项目完成后，直接应用于生产领域，经济效益和社会效益显著。
厦门市传统的三大支柱产业（机械、电子和化工），长期以来依靠厦门大学相关学科的技术支撑，柯达、厦华等知名企业的技术力量很大一部分来自厦门大学。而新兴发展的三大支柱产业（软件、生物制药和光电）也同样有厦门大学的科研力量做后盾。为了承接台湾高技术的产业转移，目前厦门市分别兴建起了翔安高新区、同集工业区、厦门软件园（二期），已引进了如台达光电、华映光电等大型的光电企业，有望新增工业产值上千亿，并开始瞄准引进台湾的集成电路（IC）企业，发展厦门IC产业。为此，厦门市政府非常重视IC产业的基础设施建设，已一次性立项投资4000万元用于建设厦门IC设计公共服务平台，并指定由学校郭东辉教授负责技术支持和人才培训业务的开展。
为了推动厦门市软件、信息等高新产业的发展，学校成立了软件学院、通信技术研究中心、数字媒体艺术开放实验室、半导体光子学公共技术服务平台，与厦门市软件园、厦门市信息港等企业实现了对接。
近年来，厦门大学高度重视工科领域的学科建设，特别是在半导体与集成电路学科领域投入了数千万元建立起厦门大学MEMS研究中心、半导体光子学研究中心、集成电路工程技术研究中心、IC设计与测试分析福建省高校重点实验室等机构，不仅成为海峡西岸经济区半导体与集成电路产业的高层次人才培养基地，同时也是海峡西岸经济区半导体与集成电路相关领域国家产业化基地的支撑单位。
发挥科学研究优势，着力增强“海西”科技创新能力
厦门大学始终注重将发挥科研优势，围绕建设创新型省份，为地方搭建高水平的科技平台。厦门大学拥有2个国家重点实验室、4个部级重点实验室、1个国家级工程技术研究中心、6个“985工程”科技创新平台。近年来，厦门大学教师在化学、海洋和生物研究领域取得了一批拥有自主知识产权的世界前沿科研成果，数篇论文登上Science和Nature等世界顶级学术杂志。厦门大学国家大学科技园近五年累计申请专利427项，获授权专利224项，其中发明专利83项。福建省共依托厦门大学建立了福建省化学生物学重点实验室、福建省医学分子病毒研究中心、集成电路设计工程技术研究中心、萨本栋微机电研究中心、纳米科技中心、厦门海洋与海岸带发展研究院等20多家重点实验室、研究中心。为了实现“厦门制造”向“厦门创造”的不断升级，推进厦门新一轮跨越式发展，厦门市重点支持十大重大科技平台建设，其中“半导体照明产品检测与营销中心”、“厦门集成电路设计公共服务平台”、“养生堂传染病诊断试剂与疫苗工程技术研究中心及产业基地的关键技术平台建设”等5个直接依托厦门大学或与厦大密切相关。
依托生命科学学院建设的福建省医学分子病毒学研究中心，承担了福建省重大科技专项项目“福建省病毒性疾病新药研发平台”建设的任务，先后成功研制了人类T淋巴细胞白血病病毒诊断试剂盒、艾滋病毒快速诊断试剂盒、戊型肝炎系列诊断试剂盒、禽流感病毒H5N1快速诊断试剂盒、世界首个戊型肝炎疫苗等一系列具有自主知识产权的新药品种。中心成功研制出了国内唯一一个能完全满足艾滋病毒抗体诊断试剂盒生产要求的艾滋病毒重组抗原，填补了国内的空白。该项目使生产企业在该领域国内市场占有率跃居第一，至2005年底累计创造产值约15亿元。中心先后主持了30余项国家级、省部级重大重点科技项目，获得6项国家新药证书，3项成果被列入国家重点新产品，1项成果列入国家计委产业化示范工程计划。中心为促进福建省医疗卫生单位的科技研究水平，在病毒性疾病的预防以及公共卫生应急反应体系建设等方面发挥了重要作用，成为我国诊断试剂和疫苗研究开发领域的核心公共平台之一。
依托厦门大学建立的厦门半导体照明工程技术研究中心，以全力打造厦门半导体照明检测公共服务平台为目标，开展产、学、研合作和技术攻关，促进了厦门半导体照明产业在近两年发展迅猛，并使之取得了五个全国第一的成绩，即第一个成为国家半导体照明产业化基地，第一个制定半导体照明产业发展规划，第一个制定国家半导体照明产业化基地骨干企业认定办法，第一个大规模实施半导体照明夜景工程，第一个向科技部申报半导体照明示范城市。最近该产业化基地还被认定为海峡西岸经济区集成电路设计产业化的龙头基地。
学校坚持积极主动地走出校园，将科研项目和科技成果在全省各地推介。2004年，全校20多个学院分管科研的院长、副院长，带着长期以来积累的400项科技成果和200多项专利技术，在全省8个设区市巡回推介科技成果，主动大规模地集中推介自己的科技成果，有100多个项目和企业实现了对接。这种被地市亲切地称为科技“大篷车”的科技服务，深受省市欢迎。学校与漳州市等地市政府签订了科技合作协议，建立长期稳定的合作关系，以多种形式共建研究所、工程中心、实验室、孵化基地等产学研联合体，利用厦门大学的高新技术改造传统产业，推进工业化进程。
发挥技术创新优势，着力增强企业自主创新能力
学校始终注重将提高自身科技创新与促进企业自主创新能力相结合。学校围绕主导产业集群和产业链需求，主动服务地方企业，提高企业自主创新能力。2000年以来，共承担横向课题2004项，到位经费2亿元。
“十五”期间，厦门大学国家大学科技园建成生物医药、合成化学、纳米科技、微光机电、新型能源、农业技术等孵化中心，成为促进企业的技术创新，增强企业的自主创新能力，加快产业结构的调整和升级的发展动力。
学校组建了包括“丙谷二肽”、“高效表达转胸腺素基因蓝藻”等核心科研技术为支撑的若干个高新技术企业，“丙谷二肽”已取得中试成功并获得国家药监局颁发的药品生产许可证，现已进入工业化生产阶段，预计年产值将超过10亿元人民币；2004年，由厦门大学教授创办的厦门三达膜科技在新加坡证券交易所主板成功上市。这是福建省首家高科技企业在海外上市并喜获成功。
“计算机网络光纤信号传输收发器的研制”项目完成后，积极进行成果转化，通过和福信集团合作，以该成果为基础，组建了厦门福信光电集成有限公司，使之成为全国最大的专业生产光纤收发器的企业。
2005年同志在厦门考察3家高新技术企业，其中2家均由厦门大学教师提供核心技术（“国人虚拟眼及其临床应用”、“免电池再生式环保型LED照明器”），获得同志好评。
发挥哲学社会科学研究实力雄厚的优势，为省市政府及企业提供决策参考
2001年以来，厦门大学坚持为地方政府科学决策提供服务，成为海峡西岸经济区经济建设与社会发展的思想库和重要咨询服务基地。目前拥有文科科研机构50多个，其中教育部文科重点研究基地5个，“985工程”哲学社会科学创新基地5个。“十五”期间，学校共承担福建省哲学社会科学科研项目510项，经费达2011万元。
在决策咨询与服务方面，面对海峡西岸经济区发展的难得机遇，厦门大学成立了海峡两岸发展研究院（福建省委书记卢展工担任名誉院长）。研究院整合厦门大学相关学科的力量，从经济、社会、科教等各方面，把海峡两岸作为一个实体进行研究，对两岸如何优势互补、共同发展，作全面而深入的研究，为省委、省政府的决策提供咨询意见。研究院组织课题组进行了关于厦门、漳州行政区划调整问题的调研。这是打造海峡西岸中心城市，实现海峡西岸经济区建设战略的重要课题之一，课题组已完成40多万字的调研报告。
长期以来，厦门大学教授受聘福建省省长经济顾问和省人民政府国民经济与社会发展规划的咨询专家，积极参加福建省人民政府举办的“福建省社会经济发展季谈会”、“福建经济论坛”等，数十人次参与厦门经济特区经济社会发展计划等重大决策的调研、论证工作。不同学科专业的教师，积极发挥聪明才智，为省市所属行业、领域的发展与决策出谋划策，提供服务专业服务。比如：法学院为政府和政法部门提供了许多专家咨询意见；会计发展研究中心为政府部门和企业提供咨询培训服务；人文学院的教授也以自己的专业优势积极投入厦门的精神文明建设，为宣传与塑造厦门形象和厦门的文化建设做出重要贡献；外文学院主动为福建省和厦门市的对外开放和文化交流提供了各种外语类服务等。
在参与重大课题研究方面，“建设海峡两岸繁荣带战略研究”、“福建省全面小康社会建设进程的评价和比较研究”和“厦门市‘十一五’规划总体思路”等课题的研究，为地方科学规划与决策提供了参考；“福建省九龙江流域水污染防治和生态保护立法研究”、“福建省和谐社会与多元化纠纷解决机制的构建”等课题研究，为福建省构建和谐社会提供了决策依据；“当前我省对台合作与交流存在的政策问题与建议”、“台湾高科技产业对外投资动向及我省的对策”和“加快两岸直接三通与提高福建区位优势研究”等课题研究，为政府部门对台决策提供了专家视野；“厦华品牌运营现状、问题及对策研究”和“面向中小企业制造业信息化的ASP平台”等面向企业的课题研究，则为企业的发展注入了新的思想与理念。“公共部门绩效评估管理系统”研究，应用于厦门市思明区政府的管理实践，极大地提高了政府效率，获得了2003~2004年度“中国地方政府创新奖”。
发挥对台优势，为构建海峡西岸经济区“前沿平台”服务
厦门大学是距离台湾最近的重点大学，学校发挥区位优势，加强对台交流与合作，成为了祖国大陆对台研究的重镇和对台教育、科技、文化交流最为活跃的高校。
目前厦大已与10多所台湾高校和科研机构签订了交流合作协议。学校每年接受邀请赴台交流的学者有近200人次；每周都有台湾的学者到校进行学术交流；每年还主办或承办近十次的两岸学术会议。2006年4月，学校在85周年校庆之际举办“海峡两岸论坛”，萧万长先生等许多两岸知名人士参加了会议，中国荣誉主席连战到校演讲，并接受厦门大学授予的名誉法学博士学位。
学校高度重视对台问题研究，主动承担调研任务，为中央决策服务，其台湾研究院被港台媒体称为“大陆的台湾通”、“两岸关系权威”。近5年来，学校每年完成几十项专题调研任务，提交了上百份的决策咨询报告，向中央和省市及有关部门提供一批具有很高价值的信息资料及对策建议。厦门大学主编的《台湾文献汇刊》100册，以大量的历史事实和文献史料无可辩驳地说明两岸源远流长的血缘关系。2006年4月，总书记出访美国，把《台湾文献汇刊》作为代表性图书赠送给耶鲁大学。厦门大学和台湾学者还启动了共同编纂《闽南文化研究丛书》和《闽南文化百科全书》，这是首次由海峡两岸学者共同参与编纂的大型闽南文化系列丛书。丛书将进一步证明闽南文化与台湾文化在血缘、地缘等方面水融的源流和依存关系，为促进两岸统一做出贡献。
发挥国际化优势，搭建厦门、福建与世界沟通的舞台
“十五”以来，厦门大学实施国际化战略，国际合作与交流进入实质性阶段，与世界上100多所高校建立了校际合作关系，拥有2个由教育部、国家外专局立项的国家级学科创新引智基地。走向国际化的厦门大学，也成为厦门市和福建省招商引资、提升国际形象的最美丽的名片。
厦门大学以其国际知名度和影响力，成为厦门市的招商引资的重要“软环境”。沙特阿拉伯的著名跨国集团――阿美石油公司要与福建炼油厂开展合作、戴尔计算机公司将中国总部设在厦门，他们看中的都是厦门大学的科技和人才优势。2006年，厦门大学与哈佛大学将在厦门合作，建设厦大富邦国际医院，这是福建省首次引进国际知名的医学资源建设具有国际水准的高等级综合医院。
2000以来，厦门大学举办100多次国际学术会议，200多场“南强学术讲座”。这些会议和讲座除了学术意义之外，还有效地提升了福建省和厦门市的国际学术影响力和知名度。2004年起，厦门大学每年积极参与协办在厦门举行的国际海洋城市论坛，几十个国内外沿海城市市长及代表、国际组织和国外政府部门，数百名国际知名专家和会议代表，齐聚厦门，共同探讨海洋城市的可持续发展问题，会议的成功举办，提升了厦门的国际影响。厦门大学与厦门市政府联手，先后多次赢得一系列大型国际会议的主办权，如“第国际统计物理会议”，“第46届国际电化学年会”、“第35届国际光谱化学大会”和“第17届国际有机磷化学学术大会”等等。
集成电路设计学科评估范文第3篇
1医疗健康领域的需求现状
在医疗健康领域,关注的热点正在渐渐从最基本的疾病产业向保健产业转变。这二者都是以健康服务为最终目的,但是前者主要是有针对性的“对症下药”,而后者则更倾向于为一般消费者提供更全面的保健解决方案。
美国著名经济学家保罗・皮尔泽(Paul Zane Pilzer)曾是花旗银行最年轻的副总裁并出任布什、克林顿两任总统的经济顾问,在他的《财富第五波》一书中指出:二十一世纪人类面临严重饮食失衡,却人人希望更健康、抗老化,预防胜于治疗,从而开启保健产业的兆亿商机。这是继第四波网络革命后的明星产业,相比疾病产业的被动性,保健事业是主动积极的产业。
世界卫生组织(WHO)在2008年10月公开的一份档案中提到:人口老龄化助长癌症和心脏病病例上升;心血管疾病是全世界主要的死亡原因,听力丧失、视力问题和精神障碍是最常见的残疾原因。
庞大的老龄化群体和慢性疾病患者等群体的现状(换言之,是社会需求和市场需求的现状)使得疾病产业、保健产业中亟需发展应用新的技术和产品。
2.1 世界人口老龄化,对医疗护理产品提出了更高的要求。
随着医疗水平的提高,世界平均人口寿命增加,世界和中国都面临着人口结构老龄化的问题。如根据联合国经济社会部的研究数据(如图 1),到2050年世界60岁以上的老年人将达20亿,约占世界总人口的1/3,其中有79%生活在发展中国家;而中国国家人口发展战略研究报告也指出,我国在2007年老龄人口为1.43亿,占人口比重的11%,但是在2040年左右,这个数字将达到4.3亿,占全国人口的30%。这些数字意味着届时每4个人中将有1~2名老年人,同时也表明针对老年人护理的配套设施将会有很大需求。
近几年来,中国社会老龄化趋势日益明显,也引起了各有关方面的关注。“人口老龄化将伴随21世纪始终”。我国现在虽然还处于劳动力黄金时期,但60岁以上人口超过14%,65岁以上人口超过10%,按照国际社会标准,已经跨进了老龄化社会的门槛。老龄化问题将从多方面给中国社会带来巨大压力和挑战,同时也会带来新的机遇,其中最大的机遇就是老年人群消费所带来的“银发产业”发展。
我国老龄化的趋势及特点如下:
(1)老龄化速度快于全国总人口增长速度;
(2)我国老龄化速度快于世界老龄化速度;
(3)我国老龄化速度快于经济发展速度,呈现了“未富先老”的特征;
(4)经济发达地区率先进入老龄化;
(5)老年人生活质量有所提高;
在目前我国经济发展水平尚处于世界中下水平时,老龄化程度却己进入了发达国家的行列。老龄化的加速对经济社会都将产生巨大的压力。
老人占全球人口的比例越来越高,这助长了与年龄有关的慢性病增加,在发展中国家尤其如此。在世界各地,护理人员、卫生系统乃至整个社会均需作好准备,应付老人持续增长的需求。
1.2疾病特别是慢性病的威胁和困扰日益扩大化,以及家用保健产品需求的加强,对医疗保健产品的便携程度提出了更高的要求。
随着社会的发展和人们生活水平的提高,对一些多发性的慢性疾病、残疾障碍、以及神经功能失调疾病的治疗需求越来越迫切。
心血管疾病是全世界主要的死亡原因,主要是心脏和血管疾病,可造成心脏病和中风。通过健康饮食、经常性身体活动和避免使用烟草,可预防80%以上的心脏病和中风,而为了进一步减少威胁,这些病往往还需要长期的、经常性的检查和治疗。
最常见的残疾原因中如听力丧失、视力问题和精神障碍等,其中许多障碍是容易通过电刺激设备进行辅助治疗的(例如听力丧失和白内障)。这些疾患的总体罹患率较高,需要改善获得治疗的机会和方法,改善患者的生活质量,使人们过上有意义的生活。
另外,神经功能失调是一大类神经系统疾病,高发病率而且重症的帕金森病等运动障碍疾病、癫痫、顽固性疼痛等,导致病人明显残障,造成巨大的经济和社会负担。传统上,神经功能失调疾病的治疗有药物方法和外科手术毁损方法。但是长期服用药物副作用多且难以避免,而由于脑和神经的复杂性和人类认识的局限性,不可逆的手术毁损具有不可预知的恶性后果。
进入21世纪后,随着生活质量的提高,人们健康意识也普遍增强。特别是在医院内“一次性治愈”目标很难实现的阶段下,新的产业应运而生:除了医院的医生诊断,可家用的医疗及保健电子设备的需求明显,如疾病预防和协助诊断、慢性病的长期监测及治疗、特别是老年人护理等。另外,包括慢性疾病的监测和控制、治疗在内,医疗保健需要同时实现在临床上的诊断准确性和日常家用的普及性,以及建立以预防和早期诊断为导向的健康观念。比如对于盲人、癫痫症、糖尿病等患者,传统医疗护理手段所带来的长期的临床生活是社会和病人都无法承担的,而离开了医院又会造成生活质量的下降。于是医疗电子终端产品的普遍发展趋势将主要是便携式、穿戴式,某些特殊方面还向植入式发展,以实现“随时随地”的动态、连续的检测和初步诊断。可以预见在不远的将来,这些便携、可穿戴或植入式的医疗及保健电子设备将给人类的生活提供极大便利,产生重大的影响。
1.3 世界医用市场需求的迅猛发展,将成为半导体市场的重要推动力。
在世界范围内,医疗电子市场连续25年增长,很有可能成为未来(半导体市场的)主要驱动。全球医疗保健费用每年5万亿美元,而中国的医疗保健则消耗了GDP的5%,平均每年增加38%。特别是从全球医用半导体行业的收入来看,医用半导体行业的几个主要的部分预计在未来的5年内年均复合增长率(CAGR)在10%附近。
而另一份来自Databeans (Sept. 2008)的数据则预计在未来5年医用集成电路市场的年增长率将高达14%,甚至高于消费类集成电路(11%)和计算机集成电路(9%)的增长。可以看出,在21世纪医用集成电路的重大革新将会像上世纪80年代的电子计算机、90年代的移动通信一样,成为影响全球半导体市场的主要推动力。
世界范围内的医疗电子市场同时会带动我国的医疗电子产业。比如现阶段我国的“银发产业”刚刚起步,根据中国国家老龄委提供的数据,目前中国老年人用品市场的需求量为4000亿元,到2010年将达到10万亿元,而现阶段全国为老年人提供的产品不足10%,离市场需求差距巨大。而且随着中国经济社会的持续发展,各方面因素将为“银发产业”蓬勃发展提供更加强大的动力。在推动经济增长的同时,老年人生活质量能够提高、身心健康得到保障,借助产业发展也可以缓解老龄化问题给社会带来的压力。
2我国医疗电子产业面临的机遇
医疗电子产业的涵盖领域非常广,包括超声波成像、计算机断层扫描等应用电子设备,以及电子血压计、血糖仪等消费类终端产品都属于医疗电子领域。在我国的电子信息产业中,医疗电子产业是很重要的一环,是最贴近民生的电子信息产业细分行业之一。随着2009年4月份《电子信息产业调整和振兴规划》的出台以及国家新医改方案的公布,尤其是8500亿元医改的投入,我国医疗电子产业无疑面临着广阔的发展空间,这对我国的医疗电子产业将带来积极的影响。而且政策别还强调了要加强在医疗电子产业领域自主创新能力的建设,这无疑为我国医疗电子产业带来了很好的发展机遇。另外,医疗设备行业的高速增长也将刺激医疗电子市场的需求:据预测,当前我国医疗电子市场规模为250多亿元,同比增速在16%以上,超过了全球市场的增长率。
为了更好的应对这个难得的发展机遇,要在如下两个方面有所建树:一方面是在医疗信息系统领域。这一领域迫切需要提高远程医疗水平,以及其所依赖的信息传输和管理技术。另一方面是在医疗电子领域。这两个方面的要求,需要在技术上关注网络标准与便携技术的走势:第一是网络互联操作标准。几年前一些著名国际企业包括思科、IBM、英特尔、三星电子等就成立了“持续健康联盟”产业组织,以进行标准选择、互用性指南的编写等工作。ADI亚太区医疗事业部也认识到“为了适应医疗体系的网络化建设,从长远发展来看互联的数据平台变得非常重要”。第二是便携医疗产品与技术。随着人们健康意识、健康需求及相应支付能力的不断提高,以预防为主和早诊治的指导思想,以及医疗电子随着集成电路技术的发展不断涌现出小型化、集成化、网络化、数字化、智能化的趋势,这些都将成为便携医疗电子快速增长的催化剂。在便携医疗产品中,电子血压计、便携血糖仪、电子助听器等便携式设备占到家用便携医疗产品市场的90%,而便携式多参数监护仪、便携式超声诊断仪、便携式胎儿监测仪、便携式心电图仪位居我国医用便携设备市场前列。此外,基层医疗机构所需的低成本、高可靠性、操作简单的X光机、超声诊断仪、核磁共振设备和计算机断层扫描设备的市场容量也将大幅提升。而这些产品所涉及的智能化、小型化、低功耗、高分辨率的技术都备受关注。
3集成电路技术应用的概要介绍
集成电路技术在医疗电子领域内的应用非常广阔且多样化,大致可分为下述四种不同的应用类型:
(1)医学影像――这一类型包括超声波、计算机化的X射线断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射线、正电子发射断层显像等;
(2)医疗仪器――主要是实验室配套电子设备、透析机、分析仪器、外科手术设备、牙科设备等;
(3)消费型医疗设备――偏重于患者(可家用,非临床)使用的终端设备,包括数字体温计、血糖计、血压计、胰岛素泵、心率计、辅助听力(数字助听)等;
(4)诊断、患者监护与治疗设备――协助医生判断的(主要是临床使用)相应设备,都包括心电图、脑电图、血氧计、血压计、温度计、呼吸计、除颤器、植入设备等;
这四种类型基本涵盖了医疗电子领域的各种应用。其中后两类,特别是消费型医疗设备尤其需要通过先进的集成电路技术来达到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目标。
小型化、低功耗:通过这些便携、可穿戴、或是植入式的设备,才可以实现人体相关体征信号的动态采集和连续监测,在必要时还可以达到24x7的工作要求;
智能化、低成本:可医院用、家庭用、其他非医院环境用,并通过网络接入等技术实现远程医疗,从而更合理地配置医疗资源,提供更高水平的医疗服务,同时减缓医院就诊压力。还可普及供大范围内的人群使用:如病人用来治疗、健康人用来预防,或老年人用于辅助护理、年轻人用于锻炼健身,可提供早诊治的信息,对人体最小干预(无创/微创),等等。
世界上集成电路领域最权威的会议――国际固态电路会议(ISSCC)的技术专题委员会,围绕以上四种类型的医疗电子应用中日益凸显的关键技术问题,在2009年预测了在未来医疗电子应用领域中集成电路技术的研究热点:
(1)人工辅助听觉、视觉、无线肌肉刺激、神经刺激:这类研究重点在于需要对人体安全无危害,包括和人体组织的电极接触界面、泄漏电流检测、过热断电等。同时还对系统的可靠性、外壳包装、集成度和工作寿命等方面有要求;
(2)传感量:生物分子检测(如DNA等),神经感知、集成核磁共振等;
(3)超小型:遥控或远程诊断;
(4)自适应控制:场景分析、管理方法等;
(5)无线测量技术中的瓶颈:数据流压缩、拓宽频道等;
(6)带有马达和姿态控制的智能内窥镜胶囊;
(7)pH值的测量阵列(离子敏感的场效应管,ISFET);
(8)其他系统级需求。
在这些预测的研究热点中,既有针对某一种具体应用提出了更进一步的功能研究(如用于肠胃内窥镜中的马达和姿态控制),也有对从应用中提炼出的共性关键技术(如对于无线通信技术方面的瓶颈分析),还有对于生物医疗与集成电路的交叉学科发展趋势(如需要更完善的知识结构和传感技术完成生物分析检测等)。
从技术实现的角度来看,上述医疗应用中有关的信息工程在医疗电子领域面临的根本性问题可分为四个主要方面:
(1)数据采集:电子电路需要通过传感器来感知物理世界。在实际世界中的各种物理量需要首先转换成为电信号,之后才能够由集成电路进行处理。采用适合类型的传感器对适合的物理量进行采集,以及对传感器的接口进行完善的交互控制就显得尤为重要;
(2)数据处理:将外界物理量信息提取成电信号后,还需要做初步的信号调理和采样、变换、滤波等预处理操作,并将原始数据进行存储或是根据一定的算法做分析计算;
(3)数据传输:经过处理的数据还需要进行传递,通过由集总的控制设备进行数据融合后才能够判断。可分为基带通信和射频通信,前者大部分是电信号有线连接或是通过人体组织等导电介质,后者主要是用无线电磁波通过空气等介质;
(4)能量供应:对于一般的医疗电子设备而言,体积微型化和延长工作寿命是矛盾的,因为电源的体积往往与其可提供的能量大小成比例。这样就需要在进行低功耗、低能耗设计研究的同时,开发出新的能量供应方式如能量恢复、光电池效应、压电效应等,保证医疗设备(特别是便携式、植入式)的续航能力。
接下来以几个具体的研究课题项目为基础,针对不同的应用例做更深入的分析,来介绍一下目前国内在如下两个研究方向上取得的一些进展:
1)对较为基本的物理量如温度、脉搏等,待处理的数据量比较少,硬件系统的工作流程也非常类似,可以考虑采用一种具有共性的硬件结构进行实现。同时这些有共性的硬件系统还可以通过一种通信协议组成网络,实现人体区域的传感器网络。
2)在另一些特殊的应用中如人工辅助的听觉、视觉,以及智能内窥镜胶囊等,由于原始数据是语音和图像,过程中会涉及到傅里叶变换、数据压缩等更为复杂的算法,数据运算量相对于简单的生命体征信号要大得多,成为制约低功耗的瓶颈之一。
4实例
4.1 用于体征监测的传感器网络
无线人体区域传感器网络(Wireless Body Area Sensor Networks, WBASN)是一种能够满足前述应用要求的“通用”解决方案。它是进行人体生命要素信息采集与控制的小区域传感器网络,一般主要用于特定人群/人体的长时间健康状况监测、身体健康指标分析等。最典型的应用例为糖尿病患者、癫痫症患者、神经紊乱或衰弱患者,以及慢性心脏病患者等。通过这种网络内的可定制监测,人们可以根据实际需要对身体的一个或多个相关数据指标做连续采集监测,并通过良好人机交互界面进行控制。
1)WBASN的结构
WBASN通常由近人体区域的传感子节点和基站主节点组成。近人体区域包括体表测量、体内测量、探针测量和体检测量等。完成这些测量的传感子节点中包括前端的传感器件/能量转换器件,目标是由对有关健康状况的数据进行测量、处理和交换。基站主节点随时接受区域中每个传感节点的数据,并控制和调配这些传感节点的采集状态、休眠方案等,需要有能力做较大量的数据处理、累计、判断及交换。所测量的数据信息也都是与人体密切相关的,如心电、心率、血压、心音、肺音、血氧、呼吸、温度、加速度等。不同种类的数据采集需要不同的传感器件(能量转化器件,简称换能器),如单导电极、热敏电阻、惠斯通电桥、电流式传感器和3轴加速度计等。所有传感子节点的数据信息通过基站主节点进行统一的融合处理和分析判断,实现WBASN的基本功能。
图 3示出了简要的WBASN结构示意图。整个网络的基本功能是由传感子节点(位于体表或体内的粘附或植入式装置)完成的,如采集血压、温度等信息。这些信息由主节点(体外的便携装置,如PDA等)统一接收后进行数据融合,完成初步判断和处理,还可以给出信息的实时反馈、超限数据的安全警告等。另外,主节点还可以作为“网关”接入到因特网、GPRS等广域网络中,将本地的数据上传到远程服务器供医生远程诊断,实现远程医疗等。如果主节点初步判断后认为需要完成进一步的操作,会再次采集相关信息、给出警告信息或进行干预操作――给药、电刺激等,以实现慢性病护理或及时诊治。虽然这一网络的研究目前还处于实验室为主的原型验证,但是在一些应用中还是会或多或少的发现WBASN的影子:如前不久的“神七”宇航服中就实现了压力、心率、呼吸等传感器,采集的数据统一上传到宇航员之外的接收设备上,然后再发回地面指挥中心进行分析。
2)WBASN的子节点系统结构框图
一个典型的子节点系统结构框图如图 4,包括了传感器和电刺激驱动模块、模数转换器、微控制器MCU、数据流的预处理(协处理)单元、存储器和射频(RF)收发机,其中MCU与传感器模块之间还可以实现可配置的多标准数据接口、电源可视情况采用电池或无线供能方式等等。各模块连接后即可实现相应功能的子节点系统。若将图 4所示的结构进行高集成度的电路实现,就是片上系统(SoC)平台芯片。一种较为简单的平台芯片实现中不含有传感器模块和RF收发机(但包含对应的接口),通过外接(1)不同类型、不同功能的传感器件前端和(2)相同类型的射频收发芯片后,就可以完成相应种类数据信息的采集,进行一些预处理,然后与主节点建立通信并传输数据、接收配置等。还有一种集成度较高的SoC平台芯片中会带有片上RF模块,这样每个子节点系统就只需外接一个传感器芯片即可完成采集、组网等功能。SoC平台的作用是在功能异构的WBASN各个子节点应用中作为一个基础的“通用的”平台。
3)WBASN的子节点系统的设计重点
上述分析表明WBASN的近人体子节点系统的整体设计实现中,应该以超低功耗和高度集成的(SoC)设计为重点。于是就要综合系统的各方面需求,整合设计并实现出核心的数字微控制单元和电源管理单元,以便在达到功能上的灵活性、完备性的同时,实现系统的极低功耗。这些数字系统设计中的关键技术包括几个方面:(1)在各个功能相异的节点休眠间隔不等的情况下进行接入;(2)医疗用途的紧急情况下“给药”或“电刺激”的实时控制实现;(3)星型网络中单跳的组网方式对指令集的优化;(4)无线方式的节点功能更替;(5)兼容多标准的传感器器件接口;(6)电路级的低功耗技术如门控、多电压、异步电路设计等。在我们的研究中,综合考虑了上述方面进行了设计优化。这样还会带来很多其他的好处,如设计成本低、系统扩充性好、针对WBASN应用开发的软件/硬件效率高,等等。
下面针对上述子节点系统设计的几个关键技术进行具体说明:
第一,在低功耗方面,通过对具体实例的分析发现,“工作状态”和“空闲状态”的功耗一般相差20倍甚至更多,所以工作状态下的低功耗优化是首要任务。目前的绝大多数SoC实现方案基本上都是采用各种措施将工作时低功耗达到更低的指标。但是对于WBASN的具体应用而言,子节点通常都会处于非常低的工作占空比,也就是说在整个子节点寿命内的绝大多数时间里,子节点是在空闲状态的。如体温测量可以每1分钟测量一次,每次测量只需要几个毫秒;心率测量也只需要每100毫秒测量几个毫秒,等等。这样,子节点的总能量消耗往往更多浪费在空闲时的状态上。所以对于WBASN的优化需要从工作时功耗和休眠时功耗协同考虑完成,目标是提高电池的能量使用效率。
第二,子节点的实时控制。在许多研究中广泛采用了实时性操作系统(如TinyOS),其实只保证了子节点在工作状态下处理器处理各个任务的实时性。还需要子节点保证网络行为的“实时性”:如用于闭环施放药物的子节点系统,在接到主节点发来的“给药”指令之后应该以最短的反应时间给出操作。这就与低功耗的指标相矛盾:为了更快的反应速度,应该在空闲时采用“侦听”方案或者休眠间隔很短的方案――这样同时增大了空闲时功耗;反之,为了避免该给药子节点的电池能量大都浪费在空闲时状态,应该采用空闲时休眠的方案,并且该加大休眠间隔――这样在主节点开始发送唤醒要求(大多数这种时候都是紧急情况)之后还要等到子节点的下次定时唤醒才能够给出响应,最坏情况下的反应速度为子节点的定时唤醒周期。所以目前这一问题的解决方案就是空闲休眠间隔、侦听时间的折中选取。以具体数据进行分析:在“国内外研究动态”中的ADICOL项目中,胰岛素施放操作的闭环控制是每3分钟定时唤醒工作一次,以保证最坏情况下的给药控制延迟不超过3分钟。而保守情况下(按每天需施放胰岛素10次估计推算)都至少有97%的唤醒是不需要做给药的,这样就浪费了子节点大量的电池能量,降低了有效用能量的使用效率。
第三是功能的灵活性。由于每个子节点系统的RF模块和通讯协议都没有差别,所以通常的设计都主要考虑传感器接口模块的灵活可配置等等。很多现有的传感器件或芯片接口大致分为两种:模拟量(需要SoC提供ADC进行转换)和数字量(传感器自带ADC,仅需要满足相应时序)。已有的相关研究大多是基于这两类接口进行展开的。但是在不同功能的子节点系统内,除了传感器件前端需要采集的物理量类型和接口不一样之外,其软件程序在操作顺序、运算复杂度、处理方法等方面都有区别,SoC本身的软件部分就需要根据具体子节点的功能进行调整。如果在每个子节点设备封装前预先写好软件算法,还需要专门的“烧写”设备。我们的研究中采用一种可由主节点远程配置子节点软件的协议,就可以在满足“软件灵活性”要求的同时不引入其他设备。
4)总结
如前述,WBASN的优化重点在于子节点系统, 而子节点系统的核心是SoC平台。为了保证子节点SoC平台的超低功耗、高集成度、灵活性、高效率、可靠性等,需要SoC平台中的数字系统有完善的功能和异常处理能力、优化的结构、良好的可靠性和能量管理等。
系统内各个传感器设备(或称网络内“近人体节点”)的主要指标可以归结为:系统集成度,小型化/微型化,低功耗电路设计,无线遥感链路和信号处理算法等。除此之外,其他一些指标如服务质量、安全性、多传感器数据融合和诊断支持等也都是世界上相关领域内各研究组正在研究的课题。
4.2 带有植入式处理器的电刺激器
电刺激治疗方法是当今临床和日常的物理康复最常用的、重要的治疗手段之一,在心脏起搏器、人工听觉、人工视觉、脑电刺激等许多领域中有着非常重要的作用。该方法通过将一定量的电流通过特制电极施加到人体组织,实现促进恢复正常的神经传导和调节功能等治疗作用,不仅可起到镇痛、消肿、消炎、脱敏、缓解肌肉痉挛等功效,有时甚至还可以修复、替代某些受损的人体组织和器官。一般的电脉冲刺激时采用无极性微分型指数波形,由电荷相等的正负脉冲波构成,负指数脉冲起神经纤维去极化作用,正脉冲起电荷平衡的作用,可避免组织损伤。集成电路技术,特别是植入式的处理器控制应用在电刺激器中,可以完成复杂的信号处理,同时极大的保证操作的可靠性和无侵害性。
心脏起搏器是最早的医用电刺激仪器之一,它发放电脉冲,通过与心内膜相接触的电极导线,刺激心脏使之激动收缩,以模拟心脏的冲动发生和传导等电生理功能,起到治疗由于某些心律失常所致的心脏功能障碍。心脏起搏器的结构包括脉冲发生器(pulse generator)和电极-导线(lead)两大系统。脉冲发生器由电池、释放与调节电脉冲的电路和外壳构成。脉冲发生器控制起搏节律,犹如整个系统的“大脑”。现在的脉冲发生器是非常小的,一种典型的尺寸为5cm x 5cm x 6mm,重量在30克左右。
在正常的听觉系统中,声音的机械震动通过外耳和中耳之后,会在耳蜗的各处与基底膜发生共振。基底膜的振动带动毛细胞纤毛的振动,产生毛细胞的感受器电位,进而产生听神经的动作电位发放。脑的中枢听觉系统能够根据听神经中不同神经纤维的发放情况判断基底膜的振动情况,进而推断声音的频率成分。在一些患有感觉神经性耳聋的病人内,毛细胞由于多种因素如遗传、疾病等而遭到损伤或者数量减少,无法正常地驱动听神经。而人工耳蜗的基本工作原理就是绕过毛细胞这一环节,直接对听神经进行电刺激。于是这种电刺激的效果就好像是听神经被声音通过正常的基底膜和毛细胞驱动一样。
人工耳蜗只是一种听觉假体,并不能“治愈”耳聋或其他听觉障碍。人工耳蜗的工作是基于耳蜗的不同部分与不同声音频率之间一种规则的对应关系(频率拓扑性质)。一般需要使用更加复杂的处理方法以避免造成组织、电极损伤等一些不良影响。
视觉假体技术也属于功能电刺激的一种。大多数盲人的视觉通路中往往只有一部分发生病变,而其余部分神经组织的结构和功能尚完好。于是就能够对视觉通路的完好部位施加特定的人工电刺激,来兴奋神经细胞以模拟自然光刺激的效果,使盲人产生视觉感受。
视觉假体的工作原理与人工耳蜗相似。视觉假体系统包括一个位于病人体外的视频采集设备(如小型摄像机),视频处理模块,电刺激编码模块和植入到视觉通路特定部位的多电极阵列。由视频采集设备采集到的实时视频图像经过处理,转化为驱动多电极阵列的信号。多电极阵列对视觉神经组织施加一定幅度、波形和频率的电流刺激,兴奋视觉神经元,从而使病人产生视觉感受。
人工视觉刺激器主要包括视网膜刺激器、视皮层刺激器和视神经刺激器。其中视网膜刺激器发展最快。视网膜刺激器是在视网膜下或视网膜表面植入不同微电极,使外界光线转换成电流,通过微电极刺激并激活视网膜神经细胞及其网络,而产生光感。这种装置可使失明或接近失明的眼重新获得部分有用视力。其优点是可以产生较准确的视觉感知,而且所需电流强度较小,玻璃体有利于热量的散发,以及可直接观察到植入刺激器及植入后的反应。至今已有较多实验表明视网膜前或膜下芯片植入方法可行,有较好的生物相容性及长期稳定性,达到预期效果。
目前全世界范围内已经接受植入的病人较之佩戴人工耳蜗的病人要少得多。而且目前美国食品药品监督局(FDA)也尚未批准任何类型的视觉假体的临床应用。
下面以人工听觉的具体系统为例,详细介绍一下带有植入式处理器的电刺激器:
带植入式处理器的双模人工耳蜗系统
人工耳蜗就是通过电刺激末梢神经系统的方式来修复听觉的一种医疗电子装置。它把外部的声音转换为听神经需要的电刺激,将这种刺激通过植入电极刺激听觉神经,帮助传感性耳聋患者恢复(人工制造出)听觉。它是迄今为止治疗极重度耳聋唯一有效的方法,也是唯一被商品化的感官神经修复技术。目前各种人工耳蜗产品在设计上细节不尽相同,但它们的基本硬件构成和工作原理却是一样的。
1)人工耳蜗的硬件构成
人工耳蜗的基本硬件构成如图 6所示,主要分为体外和体内两个部分,其工作原理和流程如下:
(1)体外的麦克风首先把采集到的机械声音信号转换成模拟电信号;
(2)模拟电信号经过模数转换器转换成数字电信号;
(3)数字信号处理器(DSP)对数字声音信号进行分析并决定如何驱动埋植于耳蜗内的电极去刺激听神经,形成刺激指令序列;
(4)刺激指令序列经过调制后以无线电波的方式发送给体内部分;
(5)体内的解调器从无线电波中获取体内电路工作所需的能量,并对刺激指令序列进行解析;
(6)体内的刺激器对解调出来的指令序列进行译码,然后根据指令要求在电极上产生相应的电流,刺激听神经产生听觉。
2)新型全植入系统的应用
在当前植入式电池不足以支撑数字式全植入人工耳蜗系统,而模拟式全植入系统又存在着诸多缺陷的情况下,新型全植入系统的设计思路除了继续降低数字系统本身的功耗外,还可以在结构上进行调整,降低系统对电池的使用量。基于这些考虑,我们提出了带植入式处理器的可双模工作的新型人工耳蜗系统,如图 7所示。
该系统在体内集成了一套完整的语音信号采集、处理电路,以及与体外的无线接口,同时配有植入式电池。所谓“双模”,是指该系统既可以工作在不带任何外部辅助装置的体内单机模式下,如图 7(b)所示,也可以工作于体外语音信号采集电路与体内处理电路协同的联机模式下,如图 7(c)所示。从技术可行性的角度上讲,联机模式下的系统在当前的电路技术条件下是可以实现的,而单机模式则受制于电池容量和安全性等非电路因素。
这种系统的意义在于,通过两种模式的交替使用可以很大程度上减少对植入式电池的使用量。而且该系统包含了一个完整的全植入数字式子系统,对该系统的研究可以涵盖下一代全植入式系统的关键技术难点。也就是说,该系统的很多关键技术将可以直接应用到下一代全植入系统当中。实际上,在植入式电池的容量和安全方面的性能提升到一定程度之后,这个系统可以自然而然地转换成一个全植入式系统。
3)植入式数字信号处理器的低功耗设计
在双模系统中,最大的技术难题就在于植入式数字信号处理器(DSP)的设计(图 8),因为它几乎是整个系统里功耗最大的部件。传统人工耳蜗中的DSP 处在体外,对功耗的要求还可以宽松一些,毕竟体外的电池可以随便更换。而在新系统中,无论是哪一种工作模式,对DSP 的功耗要求都是非常苛刻的。在体内单机模式下,DSP 的功耗直接影响着植入式电池的寿命,而植入式电池又不可以随便更换,所以这种情况下DSP 功耗的重要性自不待言。在联机模式下,由于无线能量传输效率低下,DSP 的功耗将会被严重放大,这比DSP 在体外时的情况要恶化很多。
实际的设计和测试结果表明,基于开放源代码硬件的专用指令集处理器(OSH-ASIP)设计方法有助于提高效率并降低成本,同时可以有助于去除通用处理器中存在的冗余,从而提高处理器的执行效率、降低功耗。通过综合运用指令集简化、等待模式、循环暂存、存储器切割、操作数隔离和时钟门控等多种低功耗设计技术,在0.18μm CMOS 工艺下设计实现的一款人工耳蜗专用的低功耗DSP实际测量结果为:在10MHz 的时钟频率下执行连续交织采样(CIS)算法的功耗小于2mW,低功耗效果显著。
4)总结
就当前的技术水平来讲,数字式全植入的人工耳蜗系统仍然因为能量供应不足(功耗大而电池容量小)的缘故无法实现。但是除了功耗外并没有其他理由可以阻碍数字系统的进一步发展,况且相比于模拟系统中那些固有的缺陷,功耗实际上是一个会随着微电子设计和制造水平的提高而逐步得到解决的问题。因此,从长远看数字式全植入系统才是人工耳蜗系统最优的选择方案。
4.3 智能内窥镜胶囊
传统医用内窥镜(如胃镜和肠镜)需要使用光纤或电缆插入人体体腔内拍摄病征图像以供医生诊断,这些连接线会给病人带来很大不适,而且诊断存在盲区,并可能会有消化道伤损等并发症。智能内窥镜胶囊的出现给消化道疾病的诊断带来了便利,克服了上述缺点。如图 9所示,病人在吞服了胶囊内镜以后,胶囊依靠消化道的蠕动在其中缓慢移动。移动的过程中会采集人体内消化道的图像并以无线的方式发送至体外记录仪,并可以上传至基站以供医生诊断病情。胶囊内镜不会给病人带来不适,在检测时病人也可活动,而且它可以完成全消化道的检测,扫除了传统内窥镜存在的盲区。
1)智能内窥镜胶囊的发展历史
智能内窥镜胶囊(消化道胶囊内镜)的概念最早于2000年由以色列科学家提出并实现,之后Given Imaging公司生产出第一款商用的胶囊内镜产品Pillcam。最近的几年里各国的工业界和学术界相继开始对这种产品的研发,一些新产品和新技术陆续面世:日本的奥林巴斯公司推出的EndoCapsule产品在日本也开始商用;日本NORIKA Syaka RF lab正在研发用无线供能,代替电池供电的技术,以及控制胶囊内镜姿态的控制技术;韩国研究机构推出了以人体作为导体来直接传输信息的技术,用以代替射频收发机,目前也已成功地利用到胶囊内镜产品中。在可预见的将来还将出现集诊断、活检、给药及消化道行走等各种功能于一体的产品。
2)胶囊内镜的结构
完整的口服式智能内窥镜胶囊系统由胶囊内镜、体外便携式记录仪和工作站三部分构成。胶囊内镜是整个系统最为重要的部分,也是设计难度最高的部分,在集成电路设计时尤其要注意功耗等问题。外壳内的电路系统主要由五个部分组成,如图 10所示,包括一个商用CMOS图像传感器、白色发光LED、一个商用射频收发机芯片及天线、一块用于控制和数据处理的专用集成电路和两节钮扣电池。
商用的CMOS图像传感器位于整个胶囊的一端,负责采集消化道中的彩色图像数据。支持多种图像分辨率,最高速率可达30fps。高亮度的白光LED均匀地排布在图像传感器镜头座外的环形PCB上,在采集图像时提供照明光线。高性能、低功耗的商用射频收发机位于胶囊的另一端,保证胶囊系统的无线通信。射频收发机工作在433MHz的ISM频段,采用FSK的调制方式,有效码率最高可达500kbps。两颗1.5V的钮扣电池串联后为整个电路系统提供所需的能量。它们位于胶囊的中部,在图像传感器和射频收发机之间。用于控制和数据处理的专用集成电路位于图像传感器与电池之间,它将系统各部分的功能组合起来,形成完整的电路系统。
专用集成电路是胶囊内镜的控制核心(图 11),它由数字基带、电源管理单元和无线唤醒子系统三部分组成。其中数字基带部分主要实现通信控制和图像压缩两大功能。电源管理单元可将电池电压转换为系统各个部分所需的电源电压。无线唤醒子系统可以对密封在胶囊中的电路系统进行开启、关闭、复位和配置操作,提高了系统可靠性,也便利了产品的组装和生产过程。
3)胶囊内镜的低功耗实现
在胶囊内镜的电路系统中,射频部分消耗的能量一般超过总能量的60%。为了在不增加射频电路功耗的前提下缩短有效的射频传输时间,在系统的数字基带中引入了信源编码――图像压缩。这样大大减少了射频收发机发送一帧图像的数据量,也就相应地减少了每帧图像射频部分的能量,并且有利于进一步减小系统工作的占空比,延长电池的工作时间。
引入图像压缩功能实际上是使用数字电路的能量去换取射频部分的能量,而且数字电路的低功耗技术比较容易实现,使得降低数字电路的功耗相对于降低射频电路的功耗更为容易。因此,只要对图像压缩的计算复杂度做出仔细的评估,电路系统整体能量的降低不难实现。
目前智能内窥镜胶囊系统还没有正式的产品国家标准,但一般包括如下几个重要指标:
1)工作时间:至少为8小时,因为一般胶囊内镜通过人体消化道的时间为8小时。
2)尺寸:为方便病人吞服,胶囊尺寸一般直径为10~12mm,长度为20~30mm。
3) 图像帧率和分辨率:目前产品的图像帧率一般为2fps。当然,在满足基本工作时间的条件下,图像帧率和分辨率都是越大越好。
4)总结
基于上述胶囊内镜的结构,可以对其应用需求做出细致的分析,对系统的供电方式、体积尺寸、通信方式、工作时间、可靠性等要求进行综合考虑。分析和测量结果表明,在系统级设计上采用了图像压缩、双向通信和无线唤醒等功能能够满足性能要求,而且这些技术的应用对于有类似的大数据量、高码率的植入式电子医疗集成系统也具有参考价值。
目前国内有清华大学、中科院合肥智能机械研究所、重庆大学、重庆金山科技集团等单位都在分别从事这方面的研究。
5 结语
本文从医疗健康领域的社会需求、市场需求现状入手,对我国医疗电子产业面临的机遇进行了分析,并对其中的关键技术――集成电路技术应用做了基本介绍。多方面的数据分析表明,医学微电子系统研究设计的核心发展趋势可以归结为小型化/微型化、集成化、网络化、数字化、智能化。最后还通过几个在研项目实例进一步阐释了集成电路技术在医疗健康领域的应用。
集成电路设计学科评估范文第4篇
北京理工大学国家大学科技园位于中关村科技园区中心地带，地处三环路西北角，紧邻中关村科技园区中轴线，交通便利，信息畅通。科技园以场地、设施、物业服务为基础，在1992年起步建设的学校周边产业开发区的硬件设施基础上，针对大学科技园的功能定位，重点开展了通过资源整合提供增值服务。通过体制与机制的创新搭建创新创业平台。形成了比较完善的创业服务体系和创新支撑体系，促进了校内创新资源与科技园基础设施、风险投资等要素以及社会入园创业企业的结合，在企业与技术的孵化以及向社会输出成熟的高技术企业进程中发挥了重要作用，探索出了一条通过大学科技园建设实现创新要素合理流动的新路。
建基础，多支撑
目前，北京理工大学科技园已经建有一个核心园区和5个校外辐射基地。核心园区围绕学校周边建设。占地约140亩，已经建成近10万平方米建筑物。5个校外辐射基地分别是密云工业园、房山石楼医药化工孵化基地、昆明分园、宁波分园和赤峰分园。
针对科技园的功能定位，围绕着科技园的创新创业能力建设，重点建设了基础、融资、孵化、服务、产业五个支撑平台。五大平台以孵化平台为中心，互相衔接，互相促进，构成了园区的创新创业服务支撑体系，实现了从基础设施保障风险投资创业服务企业孵化产业化的流程。
基础平台由科技园组织学校企业、社会企业共同参与，合作建设。近年来，先后吸引了三亿多元资金，建设了三座大厦。园区成立了物业管理中心，对现有物业设施进行管理，保障物业正常、高效运转，为入园企业提供良好的物业环境和高质量服务。
园区内由留学人员创业园、综合孵化器、专业孵化器、技术转移中心、创业服务中心、重大项目服务中心、生产基地管理中心等机构形成的孵化平台，在不同阶段从不同的角度对项目和企业开展孵化及创业服务。
科技园开辟了多元化的投融资渠道。搭建了具有自身特色的投融资平台。主要包括：引入社会资金、建立自有融资体系、引入社会风险投资、与金融机构合作、协助企业申报国家和地方政府的项目资助等。
为吸引更多的海外留学人员回国创业，加快中关村科技园区建设，北京理工大学和中关村科技园区管委会共建了“北京理工留学人员创业园”。创业园以服务为宗旨，追求高效务实的工作作风，致力于为留学人员搭建创业平台，落实政府专项政策，创造和谐创业环境；对于留学人员入园企业，创业园为他们提供了各种创业服务以及实验室设备条件、图书阅览、体育休闲等方面的便利，支持和促进留学人员企业健康快速发展。目前已吸引100多家留学人员企业入驻。
北京理工大学与北京市科委共同建立的北京理工创新高科技孵化器公司，是北京市正式批准的孵化基地，是科技园开展项目孵化、企业孵化的主要机构。现有70多家企业进驻孵化器公司。他们在光机电一体化、软件开发与应用、自动控制系统、信息安全技术、环保与现代高效农业等领域，已经开展了一系列孵化活动。
车辆北京市技术转移中心是在北京市教育委员会、北京市工业促进局的指导和支持下成立的，是依托北京理工大学，与北京工业大学、北汽福田汽车股份有限公司、北京汽车制造厂共同合作建立的，旨在将北京理工大学等北京地区高校在车辆工程领域内多年研究积累的高新技术成果转移到北京市的有关企业。提升北京市企业和大学在车辆工程领域的综合实力。
北京理工大学科技园依托北京理工大学实验设备条件优势，已经与学校有关学院共同建设了车辆、民产品、网络安全、生物医药等孵化平台，以及学生创新基地。科技园还在密云、房山、宁波、昆明、赤峰等地建设了为企业产业化发展的环境。
科技园优越的地理环境，使得各类创业服务机构荟萃于此，继而提升了园区创业服务综合能力。地处园区内的海淀人才交流中心、中海源产权经纪公司等中介机构，以及各类咨询公司、策划公司、产品设计公司、会计师事务所、律师事务所、证券公司、资产评估所、测试中心、人才培训中心、信息网络中心等服务机构，可为园区企业提供多方位的综合创新服务。
重服务，推特色
北京理工大学科技园针对其功能定位，围绕着科技园的创新创业能力建设，进一步建设北理工创业公共服务平台，在继续加强已有平台建设的同时，建设几个新的具有专业特色的服务平台。北理工创业公共服务平台主要包括基础服务、信息服务、创业咨询服务、人才服务、企业诊断服务、技术平台服务、教育培训服务等以下服务平台内容。
基础服务平台
北京理工大学科技园对进驻的企业提供基本办公环境，协助办理工商注册、税务登记、法律咨询、高新技术企业认定、项目推介等服务，还按照北京市政府提供的有关优惠政策，协助入驻留学人员办理身份认定、政府支持资金落实等方面的具体事务。
北京理工大学科技园根据入驻企业创业中遇到的问题和实际需求，定期和不定期地举办论坛、项目交流推介会、联谊等各种活动，为入驻企业提供更为全面和有效的服务，为企业人员交流和了解国际科技发展趋势、国内经济情况、国家各项政策等提供机会。
北京理工大学科技园还为企业提供国家有关创办企业的支持政策方面的信息，协助企业申请各类科技计划项目和各类基金项目等。
通过不定期邀请北京理工大学和中关村地区创业园领域内的知名院士、专家、成功企业家作为创业园顾问和创业导师，为企业提供管理、研发、市场、人才等方面的指导和咨询服务，并与园区内的企业进行交流和合作，为园区内企业提供技术支持服务。通过这些中介机构的服务。使入驻企业提高办事效率，健康发展，增加孵化成功率。
北京理工大学科技园为入驻企业联系北京理工大学的校内开放资源，可以提供实验条件、资料查询、图书阅览、技术交流、会务、培训、就餐、运动休闲等方面的便利；同时，科技园还充分利用并发挥了北京理工大学专家、实验室、设备条件、科研等方面的优势，以支持企业的项目研发，促进企业健康发展。同时也解决了企业在实验设备、经费、人力、经验等方面的难题，改善了企业的研发环境。
通过多媒体培训以及专业培训等方式，为园区内企业提供多层次的教育培训，组织企业参加各种展览会、投融资推介会，联合多家金融、法律机构开展各种投融资讲座。
人力资源服务平台
北京理工大学科技园建立了人力资源服务平台。科技园与前程无忧和中华英才网建立了良好的合作关系，企业通过科技园在网站上刊登对人才招聘的需求信息，科技园安排专门的工作人员联系人才中介机构企业招聘信息，并每日刷新企业招聘信息、将收到的简历即时发送给企业。科技园每天为企业接收转发简历1000多份。
北京理工大学科技园与园内企业北京时代金鹰科技发展有限公司合作，为企业提供人才甄选服务系统，帮助企业找到高素质的人才，以加快企业的成长和发展。时代金鹰公司
开发了一系列人才甄选系统，他们借鉴国内外的先进技术和行业内的成熟做法，综合运用心理学、组织行为学、计量学、网络与数据库技术，通过心理测验、结构化面试、情境模拟等技术手段对人员进行客观地测量，从而对其素质状况、发展潜力、个性特点等心理特征做出科学地评价，进而从大量的求职者中间甄选出适合相关岗位的人才，尤其是管理岗位和销售岗位人才。这一平台把现代企业人才甄选和人力资源管理的方法相结合。采用数据挖掘技术，动态优化素质模型，创建适合不同行业、不同企业规模、不同岗位的通用岗位胜任素质模型，在一定程度上加快了企业招聘人才的速度，降低人员招聘与培训的成本，为园区内的企业改善其人力资源管理提供了很好的支持。
信息咨询服务平台
北京理工大学科技园正在建立经济、政策、科技、市场咨询服务等信息服务平台。通过平台可以为入驻园区的企业提供有关国家经济政策、科技发展及潜在市场需求等方面的信息咨询服务。根据企业产业领域的不同，每日为企业发送不同内容的《中小企业快讯简报》，从而为企业的创办提供有效的市场信息，帮助企业做好市场定位。
科技型中小企业通常拥有技术优势，却往往缺乏把握市场、将技术优势转换为市场优势的能力。而这种市场能力的缺失，正是许多科技型中小企业走向末路的真正原因。针对这种现象与危机，为了帮助企业解决市场方面的部分难题，北京理工大学科技园将提供信息服务与咨询。
北京理工大学科技园将针对园区内现有企业所在行业，将行业进行分类，收集各行业、子行业的信息，然后与各行业内的权威的信息、市场调研机构建立合作关系，通过这些机构的可靠的市场数据和信息，再经过平台工作人员的整理、加工和统计分析，为企业提供准确的行业信息。行业分析报告将覆盖园区内所有企业所在的行业。如汽车电子行业、生物医药行业、精细化工行业以及信息技术行业，同时还要兼顾分析报告的时效性以及全面性。
在时效性方面，科技园与园区内的企业合作，了解企业的具体需求，在此基础上，购买企业所需的行业分析报告。通过为园区企业提供其所处行业的市场规模、市场潜力、投资回报、竞争状况、客户购买习惯等方面的信息，可以使企业了解本行业、公司技术等方面的发展现状与发展前景，为企业做出正确决策，确定明确的发展目标，提供专业的理论依据，从而避免企业盲目投资，在不了解市场的。情况下就把新产品投向市场。北京理工大学科技园所提供的行业分析报告，具有量大面宽的优点。期望通过提供专业化的市场咨询服务，提高园区科技型中小企业的市场竞争力、提高园区企业的创业成功率。
企业诊断服务平台
北京理工大学科技园在对自身服务体系清楚认识的基础上，借鉴国内科技园区的建设经验，提出以建立“科技型中小企业评估系统”为突破点，从企业诊断入手，建立以人力资源服务体系、市场服务体系、技术服务体系、企业管理服务体系、投融资服务体系为核心的创业园创业公共服务平台。
北京理工大学科技园组织有关专家建立了科技型中小企业评估系统。目前正在使用与修改过程中。通过科技型中小企业评估系统，可以为高科技中小企业及时诊断企业弊病，促使提高企业运营素质，使企业能够健康发展。同时，也可以为外部投资者投资、金融机构资信评估提供依据；为北京理工大学科技园建立企业信息库提供原始数据。为深入了解和分析企业提供基本依据，从而提高自身服务水平。增强创业服务能力。
创业培训服务平台
科技园将根据企业的需求加强培训方面的服务，建立创业培训服务平台。企业在成长和发展过程中会遇到各种各样的困难和问题。举办有针对性的讲座和培训活动对他们的发展将起到一定的促进和指导作用。科技园采用视频教授与现场互动的方式进行培训活动。一方面收集、整理有关知名专家关于创业培训方面的视频教材，组织企业统一学习；另一方面与专业培训机构进行合作，邀请专业的创业导师进行现场互动及答疑。针对初创的科技型中小企业在人力资源、财务管理、技术管理、市场开拓等方面遇到的困难和问题。通过培训过程中的学习、互动、交流，将会有效提高企业创业者和管理者的整体素质。通过多媒体手段的培训。将吸引更多的企业来参与到培训的过程中，从而扩大培训的受益面。
生物医药共享实验室平台
科技园依托北京理工大学的学科、人才、实验室设备等优势，与学校的生命科学与技术学院共同建设了生物医药共享实验室服务平台。建立了一套通过实验室管理公司对平台进行企业化和专业化运作的管理模式，进而形成一套规范化、标准化的实验室服务平台创新体系。
通过该平台，企业与学校的教授、学者、学生进行了实实在在的沟通与合作。因此借助该平台，更多的企业受益于学校的科研力量。也更加了解北京理工大学以及生命科学技术学院，他们也更为关注学校的发展与建设；学校与企业接触得更多，很好地宣传了自己。同时也了解到企业对技术、人才的关注点，并且这些意见纳入到教学与科研中。双方的交流与合作明显增多，解决了企业在实验设备、经费、人力、经验等方面的难题，改善了企业的研发环境。
汽车电子技术测试平台
汽车电子技术测试平台主要是通过借助学校现有的技术和设备，发挥北京理工大学在车辆及电子技术方面的技术和实验室设备优势，聚集中关村地区已有的汽车电子领域的企业与试验设备资源，逐渐建设一个网络化的区域的汽车电子技术测试平台。提高这一测试平台吸引汽车电子技术企业入驻理工留学人员创业园，形成创业园的专业特色。
繁绿叶，衬红花
科技园以服务为宗旨，追求高效务实的工作作风，致力于为入驻企业搭建创业平台，落实政府专项政策，创造和谐创业环境；为企业提供了各种创业服务，支持和促进企业健康快速发展。优越的地理环境，使得各类创业服务机构荟萃于此，继而提升了园区创业服务综合能力。地处园区内的海淀人才交流中心、中海源产权经纪公司等中介机构，以及各类咨询公司、策划公司、产品设计公司、会计师事务所、律师事务所、证券公司、资产评估所、测试中心、人才培训中心、信息网络中心等服务机构，为园区企业提供多方位的综合创新服务。
良好的创业环境吸引了大批优秀的高新技术企业入驻。国内良好的创业环境也吸引了越来越多的海外学子回国创业。面对众多的创业人员，理工创业园一方面认真帮助他们解读政府专项政策，解决他们遇到的各种创业难题；另一方面，科技园认真筛选。慧眼识英才，优先吸引市场潜力大的企业入驻，并为这些“好苗”提供更为良好的创业环境，重点关注他们的发展。企业在发挥各种自有优势的同时，理工科技园也利用各种机会加大对他们的宣传力度。推动企业的壮大发展。
北京尤迈克流体工程技术有限公司是由旅居比利时的流体力学专家康顺博士创立的外商独资高科技企业。企业法人
代表康顺博士在国内流体工程技术领域是知名专家。曾入选中国科学院《百人计划》，在国内多所高校担任兼职教授。公司拥有的核心技术――计算流体动力学方法及其软件，属于国际一流水平，其中公司研发、应用和推广的Fine系列CFD软件是国际叶轮机械领域内，用于流场分析和部件设计最先进可靠的软件。利用理工科技园所拥有的服务平台与条件平台优势和便利条件，使得公司的创业团队一直都致力于研发和应用国际上最先进的计算流体动力学技术，促进流体动力学技术在中国流体工程推广应用，并努力为中国流体工程领域的产业研发具有自主知识产权的产品。目前该公司已经在航空、航天、兵器等部门完成了多个项目，获得了好评，企业正在稳步发展。
北京联星科通微电子技术有限公司2004年10月成立。由从事卫星导航技术、集成电路设计和应用研究多年的高级专家组成，研发和制造拥有自主知识产权的多系统卫星定位导航终端芯片和嵌入式软件。联星科通制造的GPS/GLONASS双系统卫星定位导航接收器芯片和主机板为国内首创，填补了该领域无国产芯片的空白，并突破了国外产品性能上的限制，现已形成批量生产能力和系列化产品线，应用于我国测绘、航天、航空等专业领域，高动态性能是其突出特点。联星科通自2004年以来，先后三次承担了国家“863”计划超大规模集成电路专项“多系统卫星定位导航终端芯片”的课题，并通过了专家组的鉴定审查。同时也承担了北京市工业发展资金技术开发项目等多项课题和任务。SR8824芯片作为国家重大科技成果，参加了2005年底在北京举办的“国家‘十五’重大科技成就展”。2007年5月成功举办了2007导航产品会，多家媒体竞相报道。
游戏风雷(北京)科技有限公司是由留学归国人员叶展、叶丁兄弟共同创办的高新技术企业，致力于开发“基于视频识别的手机游戏动态监测引擎”，是具有国际先进水平的专用软件开发项目，产品面向特定应用领域的软件生成环境与工具套件，是国家科技部2007年重点支持的软件产品中的支撑软件类。叶展先生是美国留学归国的留学人员，从1995年开始进入中国游戏业从事开发和游戏媒体工作，曾发表过多篇论文，2003年与他人合作撰写中文游戏创作《游戏设计与开发：理论与实践》一书。2004年创建了中国唯一的游戏开发者杂志《游戏创造》。叶展、叶丁兄弟二人在众多国际展会(Game Developers Conference、CHI、SIGGRAPH等)上多次发言并获奖。叶氏兄弟的作品《条码战争》(Barcode War)成为2007年全球“游戏开发者大会”十四款最终入围作品之一，也是唯一一款来自中国的手机游戏。
集成电路设计学科评估范文第5篇
[关键词]国内图书馆 RFID产品 高频 超高频
[分类号]G250.76
1、引言
RFID(Radi0 Frequency ldentification)技术的全称是无线射频识别技术，它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境下。
RFID的基本技术原理起源于第二次世界大战时期，但由于成本较高，该技术并未很快在民用领域推广应用。直到20世纪80、90年代，随着芯片和电子技术的提高与普及，欧洲开始率先将RFID技术应用到公路收费等民用领域。到2l世纪初，RFID迎来了一个崭新的发展时期。其大量应用于牛产自动化、门禁、公路收费、停车场管理、身份识别、货物跟踪等民用领域中，其新的应用范围还在不断扩展，层出不穷。目前，RFID已经开始在中国进行试探性的应用，行很快得到政府的大力支持，2006年6月，中国了《中国RFID技术政策白皮书》，标志着RFID的发展已经提高到国家产业发展战略层面。
2、RFID技术在国内图书馆的应用背景与现状
RFID技术在图书馆领域也已经有了广泛的应用，世界上最早在图书馆应用RFlD技术的案例是1998年的新加坡国家图书馆，其在Bukit Batok社区图书馆率先使用高频RFID来改变传统借还书的服务模式，取得了一定的成效。而在国内图书馆领域，最早引进RFID技术的是厦门集美大学诚毅学院图书馆，在2006年与厂商合作建设并推出了“RFID智能馆藏管理系统”，成为国内第一家建成具有完善功能模块并进入实用阶段的图书馆RFID综合管理系统。
图书馆RFID技术的引进初衷是为了代替传统的条形码技术。RFID标签相对条形码具有存储容量大，读取距离远，能多标签同时读写等显著优点。但从目前的应用现状来看条形码并不能被完全取代，一是由于现在的大部分图书管理系统依然使用条形码信息来与图书进行关联，因此RFID标签也必须先与条形码信息关联后才能投入使用；二是出于数据信息完整性与安全性的考虑，RFID标签相对条形码是一种新技术，未经过长时间的考验，假如发生标签损坏或丢失的情况，那么在取消条形码的情况下图书就无法与图书管理系统关联，会造成比较严重的后果。
在这样的背景下图书馆引进RFID技术主要是出于如下几方面的考虑：
2.1 改进服务模式
RFID实现的自助借还、自动分拣、智能盘点理架等服务能很大程度上提升馆员的工作效率，虽然新技术的引进并不一定能节省人力，反而可能会增加大量的盘点理架等工作，但是馆员由传统借还书、图书分拣等环节抽取出来的时间可以从事更多其他服务，例如参考咨询与学科服务，可以说这是一种服务观念与模式的转变。
2.2 方便读者，增加人气
依靠馆内的自助设备，公共图书馆的街区自助设备，读者可以更方便的借还图书，不需要再在人工借还台排起长龙；精确的图书定位系统，使得查找图书更为方便；新技术的引进带来人气的提升，从深圳图书馆的实例可以看到，引进RFID设备后到馆人数比原来增加了6－8倍，外借数量增加了5－7倍。
2.3 更深层次的应用
RFID技术其实远不止目前所开展的这些基础应用，还有巨大的潜力有待挖掘，例如个性化学科书目推送，合理排架与剔旧，图书位置的精确定位，图书馆资产管理等等，只有不断挖掘新需求与开发新的应用，RFID技术在图书馆才能具备长久的生命力，从而提升整个图书馆的人文理念与服务水准。
据不完全统计，截止到2011年3月，国内已经有近70家高校与公共图书馆正式启用了RFID系统与设备，这一数字还在不断增加中，可见RFID在图书馆的应用是大势所趋，但在正式应用之前还是应该做好详细的分析与调研工作，从而确保比较好的投资回报率。
3、国内图书馆RFID产品应用调研
3.1 RFID厂商调研
目前国内图书馆领域的RFID厂商有以下类型：
国内市场占有率较大，同时具备标签生产及设备集成能力的厂商：上海阿法迪智能标签系统技术有限公司(以下简称“阿法迪”)，深圳海恒智能科技公司(以下简称“海恒”)，深圳市远望谷信息技术有限公司(以下简称“远望谷”)，美国3M公司等。
只生产RFID标签、芯片、读写器的厂商：厦门信达汇聪科技有限公司，上海真灼电子技术有限公司，UPM芬欧蓝泰，上海贝岭股份有限公司，上海华虹集成电路设计公司，江苏瑞福智能科技有限公司等。
只做RFID设备集成的厂商，国内市场占有率较小的厂商：东莞市树煜智能图书设备科技有限公司，上海希华通讯科技有限公司(香港HKC子公司)，宁波博一格数码科技有限公司，武汉飞天智能工程有限责任公司，上海博镁讯智能技术有限公司，法国TAGSYS公司(与海恒合作)等。
3.2 RFID产品工作频率概述
通常情况下，RFID标签天线的接受频率以及阅读器发送的频率称为RFID产品的工作频率。RFID产品常见的工作频率有低频125kHz与134.2 kHz、高频13.56 MHz、超高频433Mhz、860MHz－930MHz、2.45GHz等。目前大多数图书馆RFID设备供应商如阿法迪、海恒、3M等选择13.56MHz频段高频技术，少部分图书馆RFID设备供应商如远望谷等选择900MHz频段超高频技术。
高频技术与超高频技术的不同特点使得其在图书馆的应用各有优势与劣势：高频的优势是穿透非金属的能力强，技术比较成熟，供应商可选择的多，实际使用的图书馆也比较多；缺点是由于工作原理所限，标签的尺寸较大，隐蔽性不够，安全性较差，读写距离近，标签价格偏高。超高频的优势是标签尺寸较小，隐蔽性、安全性较高，与高频相比读写速度快，读写距离远，标签价格低；缺点是由于读写距离远造成读写范围较难控制，容易造成误读，抗干扰能力弱于高频，供应商选择较少。
从特性上分析高频与超高频在图书馆的应用孰优孰劣仍然没有定论，图书馆应当在经过周密的调研，分析与测试后才最终选择最适合自己的频率。
3.3 国内图书馆RFID产品应用调研
笔者对截止到2011年3月已经正式使用了RFlD产品的67家图书馆进行了相关的调研工作。
其中公共图书馆(包括专业馆)47家：包括深圳图书馆，国家图书馆，上海图书馆等。高校图书馆20家：包括集美大学诚毅学院图书馆，北京理工大学图书馆，
香港大学图书馆等。具体如表1所示：
如表1所示，目前国内图书馆应用RFID技术的公共馆数量远高于高校馆数量，从调研结果看为47家对20家，并不是高校图书馆对于新技术的应用不热心、不关切，笔者觉得可能的原因有如下4点：
・经费预算存在差异。公共图书馆对于新技术的资金投入以及财力要大大优于高校图书馆，因此新技术也能应用实施的较快。RFID标签目前的成本为1―2元人民币一张，假如图书馆所有图书都进行标签转换，那么就是几百万的费用，加上各类设备的费用，对于高校图书馆无疑是一笔巨大的开销，高校在做项目预算的时候肯定也会有所顾虑。
・技术的成熟度。RFID虽然已有比较广泛的应用基础，归根结底依然是比较新的技术，在技术成熟度上还存在不少问题，比如在抗干扰性、安全性等方面都有显著缺陷。公共图书馆对此不太在意，等技术成熟了可以再更换产品；但高校图书馆对于新技术的引进及应用相对严谨，需要经过一段较长时间的调研和测试，证明该技术应用不存在重大问题后才会展开进一步的计划。
・应用成效的考虑。公共图书馆利用RFID产品主要进行自助借还等基本流通操作；而高校图书馆对于RFID的投资回报，RFID对图书馆服务管理模式带来的变革及可能的拓展性应用等问题研究的更深入，简单的自助借还减轻人力并不能成为上马RFID项目的理由，高校图书馆更关注于RFID技术能够带来更多的服务成效，例如与学科服务的结合从而提高读者体验与服务水准，因此在投入应用上更为审慎。
・服务模式不同。公共图书馆面向的读者范围较广，目前主要还是以纸质资源的借还为主，因此应用RFID技术实现的自助借还等功能存在很大的需求空间；而高校图书馆目前服务的主心骨已经不再是纸质资源的服务，而是把重心调整到电子书。电子文献、期刊检索，学科咨询服务等方面，因此RFID的一些基础应用如自助借还等对于高校图书馆来说不具有很强的吸引力。
4.1 频率选择分析
在参与调研的所有67家图书馆中，使用高频的图书馆数量为43家，占总数的64.2％；选择超高频的图书馆数量为24家，占总数的35.8％。公共图书馆中选择高频的有35家，选择超高频的有12家，百分比为74.5％对25.5％；高校图书馆中选择高频的有8家，选择超高频的有12家，百分比为40％对60％。
从调研结果中可以看到高频技术占据了国内市场的主力，而且厂家众多，发展时间较长，技术较为成熟；而超高频属于后起之秀，目前只有少数几个厂家力推，国内占有量从当前来看远不及高频厂家。在公共图书馆领域高频的占有率更是远远超过了超高频，但是在高校图书馆领域我们可以发现超高频占据一定的优势，这可能由如下三个原因决定的：
・安全性：由于工作原理的不同，超高频标签的体积可以做的很小，像磁条一样粘贴于图书的书脊或夹缝里；而高频标签由于体积过大，只能贴于书页上。因此超高频标签的隐蔽性明显强于高频标签，不容易被读者发现并撕毁，因此在相对更注重安全性的高校图书馆领域，超高频标签更受欢迎；公共图书馆也会考虑安全问题，但不像高校馆这么看重图书的丢失率，而更看重书籍的借阅量，高频标签的抗干扰性更强、技术更成熟，不失为一个稳妥的选择。
・标签成本问题：当前超高频标签的价格大大低于高频，价差几乎达到了一倍，对于上百万册图书来说就是上百万的费用差别，因此对经费预算相对不算宽裕的高校图书馆来说，超高频标签性价比更高；对于公共图书馆来说，经费预算相对充足，因此选择技术更为成熟，问题少些，产品更为丰富多样的高频标签及技术也是合乎常理的。
・未来的潜力与发展：高频技术相对较为成熟，但已经被研究的比较透彻；而超高频技术由于读写距离可控、应用到图书馆的时间较短，具有更强的发展潜力。很多高校图书馆无疑是看中了这一点，对于未来的应用场景有着比较美好的规划与憧憬，因此只有超高频技术能够满足他们的需求；公共馆则相对更为现实，以目前的RFID应用功能来说高频技术已足够胜任。
在频率选择确定后，意味着数十万甚至数百万册图书标签类型的确定，这是一笔相当大的投资，而且一旦确定后就不可能再次更改，所以图书馆在做出选择的时候不仅要考虑当前的应用，还需要对未来所可能开展的应用做出相应的评估，从而决定适合自身的应用模式。
4.2 产品应用分析
从应用模式来看，大部分图书馆仍保留了原来的图书管理系统，图书管理系统通过NCIP或SIP2接口的方式与RFlD厂商提供的系统互连，从而保护了自己的投资且不至于使传统业务流程模式发生太大的变化。
4.2.1 产品应用现状 不管是高频还是超高频，图书馆使用的不同RFID厂商的产品功能与特点都大同小异，基本的产品包括：自助借还书设备，馆员工作站，图书分拣设备等；也有少量图书馆使用了智能书车、智能书架、全自动闭架书库系统等当前较为先进的RFID应用产品。总体来看目前RFID应用仍然集中在图书馆传统流通业务上，使用机器代替或简化了人力操作，并未有更深层次的应用出现。
4.2.2 应用模式的区别 从表1可以发现公共馆与高校馆产品应用的模式有所不同。
公共馆有RFID自助办证机，自助缴费机，使用新的RFID读者借书证，但从个人隐私保护的角度考虑，RFID读者证可以记录读者信息，因此在使用RFID读者址的情况下如何保护读者隐私不泄露是个值得研究的课题。而高校馆基本都选择保留原有的读者证，一方面是使学生不至于有携带多张卡片的麻烦；另一方面高校往往采用统一的校园一卡通认证系统，因此改变原有模式是不太现实的。
公共图书馆有24小时街区RFID图书馆，使居民无需前往图书馆，在街区即可借还图书；高校图书馆的特点是只服务于学校师生，因此会在学院或食堂等人流量较大的场所放置移动书亭，进行学科书目的推送，从功能上来讲与街区图书馆类似，但服务的目的与侧重点显然有所不同
4.2.3 新产品的应用趋势 公共馆应用的一些新产品，例如智能书车、智能书架、立体分拣等有很多是高校馆尚未引进使用的，由于这些新产品成本过高，所以高校交馆在看不到比较好的投资回报率日经费预算不充足的情况下不会贸然花大价钱引进这些新技术。不过也有一些高校馆例如北京理工大学就自主研发了RFID全自动闭架书库、全自动光盘库等产品，与厂商合作利用这些新技术为其图书馆建造了全自动闭架书库。在科研能力上高校馆并不弱于公共馆，因此很多新想法的涌现与新技术的实施率先在高校馆中开展也是比较常见的。
相信随着时间的推移RFID的巨大潜能会随着新应用的层出不穷而不断被释放出来，从而真正实现图书馆智能化的目标。
5、问题分析与探讨
5.1 图书馆需求难以得到满足
现在国内的RFID领域是厂商主导市场，一般厂商
提供成型的产品，只会根据图书馆的个性需求对软件进行改动，而不会做大的调整。厂商根据自己想法所设计开发的产品显然不能完全满足图书馆的需求，这就造成了图书馆“被动选择”的局面，只能被迫接受自己所并不满意的技术与产品。例如汕头大学图书馆发生过学生用捡来的卡在RFID自助借还书设备上使用的事件，很多自助设备上没有足够的空间放置多余图书，这些都是厂商在设计产品时对于实际应用需求不了解、考虑不周的情况。
图书馆需要“主动选择”，将所有的需求明确并反馈给厂商，厂商根据图书馆提出的需求来开发并设计产品，这才是正确的应用模式。上海交通大学、清华大学、香港城市大学三家图书馆为此成立了一个高校图书馆RFID技术应用联盟，明确图书馆之问划于RF]D标签、读写器以及应用设备的共同需求和规范，从而制定统一的、共同的需求，各个图书馆也可以提出自已个性化的需求，和厂商签署合作协议，成立研发基金或研发实验室，建立起“产学研用”的机制，从而得到图书馆真正需要的技术与产品，进而推动RFID技术在图书馆获得最佳应用，不断提升服务品质和模式。
5.2 现有技术的融合与兼容
RFID技术本身还存在不少固有的缺陷，比如陕西省图书馆指出高频RFID标签而积大、隐蔽性较差，集美大学诚毅学院图书馆指出RFID多标签识别时存在互相干扰，武汉图书馆指出RFID设备的抗干扰能力较差，这些问题是目前的技术所无法解决的，但可以扬长避短，充分发挥高频与超高频技术的特长
一款特定标签或改备并不能包打天下，所以最理想的应用模式是根据不同的应用场景来选择对应的技术，要求厂商按照不同场景设计最适用的标签与应用设备。比如一本图书上同时安装高频标签与超高频标签，自助借还、门禁检查时发挥高频抗干扰强的优势，自动分拣、盘点理架时又可以发挥超高频读写距离远的优势。这就要求标签与设备分离开来，无论是高频标签或超高频标签，读取到的数据通过中间件传递到统一的后台系统，使得高频与超高频设备能够兼容混用，各种设备设计时遵循统一标准、开放接口，使互通互用成为可能。如此不仅规范了RFID产品市场，且打破了厂商垄断的格局，使图书馆的产品选择更趋多样性，对于RFID的技术进步起到了积极的促进作用。
5.3 服务模式的变革
RFID技术的应用对图书馆服务模式是一次变革，许多传统的业务例如借还书、分拣、盘点都可以被机器设备所取代，因此如何利用RFID技术更好地改进图书馆的服务模式、增强读者体验是当前迫切需要研究的课题，但是很多图书馆并没有意识到这一点，只是单纯为了节约人力或者“赶时髦”而引进RFID技术。
可以利用RFID技术的智能化、自动化来打造一个智慧图书馆的理念。从读者角度来说，从进馆开始就进行身份识别，自动将其预约的书籍推送到书架，并在热门书架上推荐他感兴趣的书目，使用手持终端即可进行三维立体的图书查找与定位；从馆员角度来说，从传统流通业务中解放出来，开展学科服务与咨询服务，在各种利用RFID技术的服务中思索与探究如何使读者获取更佳的体验。如此的理念将使图书馆的服务模式发生巨大的变化，这样才能充分释放出RFID技术的应用潜能，获得最佳的应用成效。
5.4 图书馆间的知识互通
现在大部分应用了RFID技术的图书馆的图书，都不存在互通性，也即不存在通借通还的可能性，这是RFID市场技术垄断所造成的。
图书馆之间应该联合起来制定或推行标准规范，将数据模型标准化，所有图书馆使用的标签格式统一，可以互相读写，使用类似“所属图书馆代码”的字段来标识本馆信息；要求厂商按照标准规范来生产设计RFID标签与产品。这样才能实现不同馆之间图书的自由流动与馆际互借，有利于资源共享、知识共享，达到资源开放获取的目标。
