集成電路設計學科評估

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集成電路設計學科評估范文第1篇

關鍵詞 工程教育專業認證；射頻微電子；卓越工程師

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）11-0007-02

1 引言

工程教育專業認證對保證和提高工程教育質量、推動我國卓越工程師教育培養計劃具有重要作用。我國工程教育于2013年6月在韓國首爾召開的國際工程聯盟會議上成功加入《華盛頓協議》，成為預備會員，這標志著我國工程教育邁出重大步伐，為工程類學生今后走向世界提供了具有國際互認質量標準的“通行證”。工程教育專業認證作為國家工程師制度改革的基礎和前提，也將為廣大工科學生未來的工程執業提供便利[1-2]。

隨著國內半導體制造現代化工藝線的不斷建設和擴展，以及微電子技術的飛速發展，IC產業對微電子人才需求日益增加。目前我國正面臨微電子技術人才奇缺的局面，對培養人才的要求也日益提高。射頻微電子學課程作為電磁場與微波技術方向的專業核心課程，是數字通信、射頻系統以及射頻集成電路設計的基礎。建立能適應新形勢下滿足工程教育認證標準要求的射頻微電子學課程教學體系，提高射頻微電子學課程教學水平，是電類專業順利通過工程教育專業認證的重要環節之一。

為實施教育部“卓越工程師教育培養計劃”，切實增強學生的工程實踐能力、工程設計能力和工程創新能力，本文結合客觀實際，從教學方式方法改革、學生工程實踐能力培養、側重學生對所學知識的應用和創新能力的教學評價方法的研究和實踐等方面著手，建設面向工程教育專業認證的射頻微電子學課程教學體系[3]。

2 改進教學方式方法，提高學生學習的積極性

采用先進現代教學手段是提高學生學習興趣和積極性的重要方法之一。

1）在保證知識結構的系統性和知識點布局的全面性基礎上，采用啟發式互動教學法，充分調動學生學習微電子課程的積極主動性，引導學生主動分析工程實際問題，有效提高課程的教學質量。

2）改進多媒體課件，使教學更貼近工程實踐。使用視頻剪輯、動畫、實物照片等教學手段，向學生展現該課程的核心內容以及所學理論的工程實踐應用，增加學生對射頻和微電子的感性認識。例如：在介紹S參數時，可以通過視頻錄像介紹工程實踐中利用矢量網絡分析儀測試射頻無源器件及有源器件S參數的方法；在介紹微波傳輸線時，可以向學生展示由微帶構成的射頻前端系統中的饋電網絡的實物照片和調試過程的視頻錄像；通過收集并展示各種射頻無源（濾波器、功分器等）、有源器件（低噪聲放大器、混頻器等）的照片和實物，使學生更形象地認識射頻器件，提高學生的學習興趣。

3）推進課程網站的建設，以網絡教學作為教學輔助手段。在教學網站上提供國外著名科教網絡頻道有關射頻技術和微電子學的課程課件和相關教學資源，課堂教學課件、射頻微電子技術常用的網絡資源和網址，建立討論區供學生相互討論和教師答疑，建立專門的網頁介紹射頻微電子技術的前沿和發展方向，鼓勵學生跟蹤前沿技術自主創新。

4）在教學評價方面，側重學生對所學知識的應用和創新能力的考查，將小組自主學習、研究性學習的情況納入對學生成績的評價，引導學生重視課程的實踐環節，改變單一的考試成績評價方式，重視學生在學習過程中的自我評價和自我改進。

3 注重學生面向工程實際的能力培養，改革射頻微電子學實踐教學內容

微電子學課程體系主要包括微電子器件和工藝、集成電路設計與應用兩大類，應用性極強，學生需經過實際器件工藝的操作和具體集成電路的設計，才能深刻理解器件工作原理、掌握集成電路仿真和版圖繪制方法，全面了解集成電路設計的全過程，達到很好的教學效果。

作為該課程體系中重要的一門課程，射頻微電子學是一門理論性與工程性都很強的課程。如圖1所示，射頻微電子學涉及許多學科交叉領域，因此，學生不僅需要學習數字集成電路設計、模擬集成電路設計等理論課程，掌握集成電路原理，還要能利用各代工廠提供的工藝庫和器件模型進行各種集成電路原理設計和版圖繪制。現代射頻集成電路的開發流程，由仿真域（設計、仿真、驗證）實體域（電路實現）測試域（測試驗證）三個環節構成。工業界需要的合格的射頻微電子工程師必須具備在上述三個領域的全面知識和技能。目前培養的學生比較注重基礎理論的學習，僅對仿真域中的設計環節比較熟悉，而仿真、電路實現、測試等方面的能力比較欠缺。

因此，在教學過程中，為了培養學生的工程實踐能力，除了基礎理論知識的教授外，還需教授學生掌握電路CAD軟件、電磁場仿真設計工具（HFSS、IE3D或CST）、各種集成電路測試設備（矢量網絡分析儀、示波器、信號源、頻譜儀和噪聲儀），并要求學生利用電磁仿真軟件對所學的射頻無源及有源器件（如濾波器、功分器，低噪聲放大器、混頻器、振蕩器等）進行分析和設計，使學生不僅能更深刻地理解所學習的射頻器件的工作原理及射頻集成電路設計方法，也能熟悉和掌握仿真軟件。學生在教師或助教的指導下，自主設計、仿真驗證射頻無源器件（如濾波器、功分器、工分器等）及其有源器件（如低噪聲放大器、混頻器等），在此基礎上進行射頻系統前端的集成電路設計，然后通過評估篩選出性能較好的設計，制作實物并進行工程測試。這樣就實現了對學生在射頻集成電路工程設計重要環節由仿真域（設計、仿真、驗證）實體域（電路實現）測試域（測試驗證）能力的培養。

在理論教學的基礎上，通過小組學習討論的方式，鼓勵學生按課題小組設計多種射頻元器件。但由于射頻器件及射頻系統前端的集成電路的制作和工程測試的成本較高，無法滿足所有學生的需求，對器件的制作和測試必須擇優進行。在實際的實踐教學中，只進行某種器件設計的小組為參照組，評估完成整個設計、仿真、制作、測試流程的小組對該器件掌握的改善情況。

4 進行校企合作的卓越工程人才聯合培養

射頻微電子學教學可在校企聯合培養機制下，建立必要的激勵政策，充分發揮企業的行業優勢，引導教學從注重學生“考試結果”向注重學生“學習過程”的轉變。這反映到本課程的教學內容上，要強調理論性與本課程的有機結合，突出案例分析和實踐研究；反映到教學過程中，要重視運用團隊學習、案例分析、實踐研究和模擬訓練等方法的運用。在考核時，對校外課外的實踐內容實行嚴格的考核，比如邀請校外射頻微電子工程技術人員與校內專業教師組成考核小組，考核學生在企業實習的具體表現。根據實際條件，增加工廠生產實習環節，使學生能在綜合運用所學知識的基礎上，加強對企業崗位操作規程及相關管理規程等的詳細了解。

5 結束語

本文在工程教育專業認證背景下并結合本校的本科卓越工程師教育培養和專業建設，基于筆者近兩年來在微波技術與天線、射頻微電子學課程授課過程中的總結，探討建立新形勢下能滿足工程教育認證標準要求的射頻微電子學課程教學體系，從而適應國際化、社會化、高素質、創新型人才的培養需求。需要指出的是，由于受到教學經驗和客觀實際的限制，筆者只是簡要地討論了在工程教育背景下本課程教學的轉變，在未來的教學過程中會進一步進行思考和總結。

參考文獻

[1]修開喜.中美工程教育專業認證體系的比較研究[D].遼寧：大連理工大學，2013.

[2]劉昭亞.本科院校工程教育專業認證制度研究[D].安徽：淮北師范大學，2014.

[3]林健.“卓越工程師教育培養計劃”質量要求與工程教育認證[J].高等工程教育研究，2013（6）：49-61.

集成電路設計學科評估范文第2篇

發揮人才培養優勢，為“海西”建設提供人才支持

改革開放以來，廈門大學在福建省就業的畢業生共5萬多人，占畢業生總數50％以上。廈門大學培養的研究生占福建省研究生總數的一半以上；在廈門經濟特區的各條戰線上，每50人中就有1人畢業于廈門大學或曾在廈門大學接受繼續教育。廈門大學作為福建唯一的國家重點大學，為福建實施科教興省、教育強省戰略，發揮著“龍頭”的作用，做出了突出的貢獻。

學校主動適應福建省和廈門市改革開放的需要，與地方政府共建藝術教育學院、政法學院、海洋與環境學院、工學院、醫學院、軟件學院。積極適應地方產業結構調整和升級，進行學科專業的調整和改造，在全國率先成立經濟學院及建設了國際貿易、國際金融、國際會計等一批涉外型專業，興辦了化工、機電、信息、通信、飛機維修、環境工程、建筑與土木工程等一批應用型專業。這些專業的畢業生已經成為福建省經濟建設主戰場的骨干和中堅力量。

1993年廈門太古飛機工程有限公司急需維修人才。廈門大學急企業之所急，專門設立飛機維修工程專業，從1997年至今已為“太古”輸送了300多名技術“藍領”，大大加快了企業的飛速發展。近年來公司發展迅速，到2008年底將成為世界最大和維修能力最強的飛機維修中心。

發揮學科優勢，帶動“海西”科技和產業的發展

廈門大學充分發揮多學科的綜合優勢，圍繞建設福建、廈門產業發展的戰略目標，積極推動和促進相關的基礎研究和應用技術的發展，成為地方經濟社會發展的重要“助推器”。

適應省委省政府“建設海洋經濟強省，推進福建省由海洋資源大省向海洋經濟強省轉變”的發展戰略，廈門大學發揮海洋學科和“985工程”海洋科技創新平臺的優勢，著力打造“國家南方海洋研究中心”，使其不僅成為國家海洋知識創新的中堅力量，而且成為建設“海洋經濟強省”的強勁支撐。

圍繞農業和漁業等地方優勢產業，廈門大學組織科研攻關，促進了海峽西岸經濟區優勢農產品產業帶的發展。學校研發的優質稻品種“佳輻占”被福建省農業廳定為儲備種子的品種之一，目前已由企業委托農戶實行訂單生產。據測算，全省年推廣“佳輻占”種植面積200萬畝，可生產8億多公斤優質稻谷，共可使農民增收1.6億~3.2億元。在海洋經濟動物增養殖及病害防治、海洋環境保護等應用研究方面，學校也取得豐碩成果。“福建典型海水養殖區富營養化的生物修復技術研究”、“南方養殖鮑的雜交和遺傳選育及中試示范”、“性外激素誘導大彈涂魚成熟產卵研究”、“養殖大黃魚品質改良育種技術”項目完成后，直接應用于生產領域，經濟效益和社會效益顯著。

廈門市傳統的三大支柱產業（機械、電子和化工），長期以來依靠廈門大學相關學科的技術支撐，柯達、廈華等知名企業的技術力量很大一部分來自廈門大學。而新興發展的三大支柱產業（軟件、生物制藥和光電）也同樣有廈門大學的科研力量做后盾。為了承接臺灣高技術的產業轉移，目前廈門市分別興建起了翔安高新區、同集工業區、廈門軟件園（二期），已引進了如臺達光電、華映光電等大型的光電企業，有望新增工業產值上千億，并開始瞄準引進臺灣的集成電路（IC）企業，發展廈門IC產業。為此，廈門市政府非常重視IC產業的基礎設施建設，已一次性立項投資4000萬元用于建設廈門IC設計公共服務平臺，并指定由學校郭東輝教授負責技術支持和人才培訓業務的開展。

為了推動廈門市軟件、信息等高新產業的發展，學校成立了軟件學院、通信技術研究中心、數字媒體藝術開放實驗室、半導體光子學公共技術服務平臺，與廈門市軟件園、廈門市信息港等企業實現了對接。

近年來，廈門大學高度重視工科領域的學科建設，特別是在半導體與集成電路學科領域投入了數千萬元建立起廈門大學MEMS研究中心、半導體光子學研究中心、集成電路工程技術研究中心、IC設計與測試分析福建省高校重點實驗室等機構，不僅成為海峽西岸經濟區半導體與集成電路產業的高層次人才培養基地，同時也是海峽西岸經濟區半導體與集成電路相關領域國家產業化基地的支撐單位。

發揮科學研究優勢，著力增強“海西”科技創新能力

廈門大學始終注重將發揮科研優勢，圍繞建設創新型省份，為地方搭建高水平的科技平臺。廈門大學擁有2個國家重點實驗室、4個部級重點實驗室、1個國家級工程技術研究中心、6個“985工程”科技創新平臺。近年來，廈門大學教師在化學、海洋和生物研究領域取得了一批擁有自主知識產權的世界前沿科研成果，數篇論文登上Science和Nature等世界頂級學術雜志。廈門大學國家大學科技園近五年累計申請專利427項，獲授權專利224項，其中發明專利83項。福建省共依托廈門大學建立了福建省化學生物學重點實驗室、福建省醫學分子病毒研究中心、集成電路設計工程技術研究中心、薩本棟微機電研究中心、納米科技中心、廈門海洋與海岸帶發展研究院等20多家重點實驗室、研究中心。為了實現“廈門制造”向“廈門創造”的不斷升級，推進廈門新一輪跨越式發展，廈門市重點支持十大重大科技平臺建設，其中“半導體照明產品檢測與營銷中心”、“廈門集成電路設計公共服務平臺”、“養生堂傳染病診斷試劑與疫苗工程技術研究中心及產業基地的關鍵技術平臺建設”等5個直接依托廈門大學或與廈大密切相關。

依托生命科學學院建設的福建省醫學分子病毒學研究中心，承擔了福建省重大科技專項項目“福建省病毒性疾病新藥研發平臺”建設的任務，先后成功研制了人類T淋巴細胞白血病病毒診斷試劑盒、艾滋病毒快速診斷試劑盒、戊型肝炎系列診斷試劑盒、禽流感病毒H5N1快速診斷試劑盒、世界首個戊型肝炎疫苗等一系列具有自主知識產權的新藥品種。中心成功研制出了國內唯一一個能完全滿足艾滋病毒抗體診斷試劑盒生產要求的艾滋病毒重組抗原，填補了國內的空白。該項目使生產企業在該領域國內市場占有率躍居第一，至2005年底累計創造產值約15億元。中心先后主持了30余項國家級、省部級重大重點科技項目，獲得6項國家新藥證書，3項成果被列入國家重點新產品，1項成果列入國家計委產業化示范工程計劃。中心為促進福建省醫療衛生單位的科技研究水平，在病毒性疾病的預防以及公共衛生應急反應體系建設等方面發揮了重要作用，成為我國診斷試劑和疫苗研究開發領域的核心公共平臺之一。

依托廈門大學建立的廈門半導體照明工程技術研究中心，以全力打造廈門半導體照明檢測公共服務平臺為目標，開展產、學、研合作和技術攻關，促進了廈門半導體照明產業在近兩年發展迅猛，并使之取得了五個全國第一的成績，即第一個成為國家半導體照明產業化基地，第一個制定半導體照明產業發展規劃，第一個制定國家半導體照明產業化基地骨干企業認定辦法，第一個大規模實施半導體照明夜景工程，第一個向科技部申報半導體照明示范城市。最近該產業化基地還被認定為海峽西岸經濟區集成電路設計產業化的龍頭基地。

學校堅持積極主動地走出校園，將科研項目和科技成果在全省各地推介。2004年，全校20多個學院分管科研的院長、副院長，帶著長期以來積累的400項科技成果和200多項專利技術，在全省8個設區市巡回推介科技成果，主動大規模地集中推介自己的科技成果，有100多個項目和企業實現了對接。這種被地市親切地稱為科技“大篷車”的科技服務，深受省市歡迎。學校與漳州市等地市政府簽訂了科技合作協議，建立長期穩定的合作關系，以多種形式共建研究所、工程中心、實驗室、孵化基地等產學研聯合體，利用廈門大學的高新技術改造傳統產業，推進工業化進程。

發揮技術創新優勢，著力增強企業自主創新能力

學校始終注重將提高自身科技創新與促進企業自主創新能力相結合。學校圍繞主導產業集群和產業鏈需求，主動服務地方企業，提高企業自主創新能力。2000年以來，共承擔橫向課題2004項，到位經費2億元。

“十五”期間，廈門大學國家大學科技園建成生物醫藥、合成化學、納米科技、微光機電、新型能源、農業技術等孵化中心，成為促進企業的技術創新，增強企業的自主創新能力，加快產業結構的調整和升級的發展動力。

學校組建了包括“丙谷二肽”、“高效表達轉胸腺素基因藍藻”等核心科研技術為支撐的若干個高新技術企業，“丙谷二肽”已取得中試成功并獲得國家藥監局頒發的藥品生產許可證，現已進入工業化生產階段，預計年產值將超過10億元人民幣；2004年，由廈門大學教授創辦的廈門三達膜科技在新加坡證券交易所主板成功上市。這是福建省首家高科技企業在海外上市并喜獲成功。

“計算機網絡光纖信號傳輸收發器的研制”項目完成后，積極進行成果轉化，通過和福信集團合作，以該成果為基礎，組建了廈門福信光電集成有限公司，使之成為全國最大的專業生產光纖收發器的企業。

2005年同志在廈門考察3家高新技術企業，其中2家均由廈門大學教師提供核心技術（“國人虛擬眼及其臨床應用”、“免電池再生式環保型LED照明器”），獲得同志好評。

發揮哲學社會科學研究實力雄厚的優勢，為省市政府及企業提供決策參考

2001年以來，廈門大學堅持為地方政府科學決策提供服務，成為海峽西岸經濟區經濟建設與社會發展的思想庫和重要咨詢服務基地。目前擁有文科科研機構50多個，其中教育部文科重點研究基地5個，“985工程”哲學社會科學創新基地5個?！笆濉逼陂g，學校共承擔福建省哲學社會科學科研項目510項，經費達2011萬元。

在決策咨詢與服務方面，面對海峽西岸經濟區發展的難得機遇，廈門大學成立了海峽兩岸發展研究院（福建省委書記盧展工擔任名譽院長）。研究院整合廈門大學相關學科的力量，從經濟、社會、科教等各方面，把海峽兩岸作為一個實體進行研究，對兩岸如何優勢互補、共同發展，作全面而深入的研究，為省委、省政府的決策提供咨詢意見。研究院組織課題組進行了關于廈門、漳州行政區劃調整問題的調研。這是打造海峽西岸中心城市，實現海峽西岸經濟區建設戰略的重要課題之一，課題組已完成40多萬字的調研報告。

長期以來，廈門大學教授受聘福建省省長經濟顧問和省人民政府國民經濟與社會發展規劃的咨詢專家，積極參加福建省人民政府舉辦的“福建省社會經濟發展季談會”、“福建經濟論壇”等，數十人次參與廈門經濟特區經濟社會發展計劃等重大決策的調研、論證工作。不同學科專業的教師，積極發揮聰明才智，為省市所屬行業、領域的發展與決策出謀劃策，提供服務專業服務。比如：法學院為政府和政法部門提供了許多專家咨詢意見；會計發展研究中心為政府部門和企業提供咨詢培訓服務；人文學院的教授也以自己的專業優勢積極投入廈門的精神文明建設，為宣傳與塑造廈門形象和廈門的文化建設做出重要貢獻；外文學院主動為福建省和廈門市的對外開放和文化交流提供了各種外語類服務等。

在參與重大課題研究方面，“建設海峽兩岸繁榮帶戰略研究”、“福建省全面小康社會建設進程的評價和比較研究”和“廈門市‘十一五’規劃總體思路”等課題的研究，為地方科學規劃與決策提供了參考；“福建省九龍江流域水污染防治和生態保護立法研究”、“福建省和諧社會與多元化糾紛解決機制的構建”等課題研究，為福建省構建和諧社會提供了決策依據；“當前我省對臺合作與交流存在的政策問題與建議”、“臺灣高科技產業對外投資動向及我省的對策”和“加快兩岸直接三通與提高福建區位優勢研究”等課題研究，為政府部門對臺決策提供了專家視野；“廈華品牌運營現狀、問題及對策研究”和“面向中小企業制造業信息化的ASP平臺”等面向企業的課題研究，則為企業的發展注入了新的思想與理念?！肮膊块T績效評估管理系統”研究，應用于廈門市思明區政府的管理實踐，極大地提高了政府效率，獲得了2003~2004年度“中國地方政府創新獎”。

發揮對臺優勢，為構建海峽西岸經濟區“前沿平臺”服務

廈門大學是距離臺灣最近的重點大學，學校發揮區位優勢，加強對臺交流與合作，成為了祖國大陸對臺研究的重鎮和對臺教育、科技、文化交流最為活躍的高校。

目前廈大已與10多所臺灣高校和科研機構簽訂了交流合作協議。學校每年接受邀請赴臺交流的學者有近200人次；每周都有臺灣的學者到校進行學術交流；每年還主辦或承辦近十次的兩岸學術會議。2006年4月，學校在85周年校慶之際舉辦“海峽兩岸論壇”，蕭萬長先生等許多兩岸知名人士參加了會議，中國榮譽主席連戰到校演講，并接受廈門大學授予的名譽法學博士學位。

學校高度重視對臺問題研究，主動承擔調研任務，為中央決策服務，其臺灣研究院被港臺媒體稱為“大陸的臺灣通”、“兩岸關系權威”。近5年來，學校每年完成幾十項專題調研任務，提交了上百份的決策咨詢報告，向中央和省市及有關部門提供一批具有很高價值的信息資料及對策建議。廈門大學主編的《臺灣文獻匯刊》100冊，以大量的歷史事實和文獻史料無可辯駁地說明兩岸源遠流長的血緣關系。2006年4月，總書記出訪美國，把《臺灣文獻匯刊》作為代表性圖書贈送給耶魯大學。廈門大學和臺灣學者還啟動了共同編纂《閩南文化研究叢書》和《閩南文化百科全書》，這是首次由海峽兩岸學者共同參與編纂的大型閩南文化系列叢書。叢書將進一步證明閩南文化與臺灣文化在血緣、地緣等方面水融的源流和依存關系，為促進兩岸統一做出貢獻。

發揮國際化優勢，搭建廈門、福建與世界溝通的舞臺

“十五”以來，廈門大學實施國際化戰略，國際合作與交流進入實質性階段，與世界上100多所高校建立了校際合作關系，擁有2個由教育部、國家外專局立項的國家級學科創新引智基地。走向國際化的廈門大學，也成為廈門市和福建省招商引資、提升國際形象的最美麗的名片。

廈門大學以其國際知名度和影響力，成為廈門市的招商引資的重要“軟環境”。沙特阿拉伯的著名跨國集團――阿美石油公司要與福建煉油廠開展合作、戴爾計算機公司將中國總部設在廈門，他們看中的都是廈門大學的科技和人才優勢。2006年，廈門大學與哈佛大學將在廈門合作，建設廈大富邦國際醫院，這是福建省首次引進國際知名的醫學資源建設具有國際水準的高等級綜合醫院。

2000以來，廈門大學舉辦100多次國際學術會議，200多場“南強學術講座”。這些會議和講座除了學術意義之外，還有效地提升了福建省和廈門市的國際學術影響力和知名度。2004年起，廈門大學每年積極參與協辦在廈門舉行的國際海洋城市論壇，幾十個國內外沿海城市市長及代表、國際組織和國外政府部門，數百名國際知名專家和會議代表，齊聚廈門，共同探討海洋城市的可持續發展問題，會議的成功舉辦，提升了廈門的國際影響。廈門大學與廈門市政府聯手，先后多次贏得一系列大型國際會議的主辦權，如“第國際統計物理會議”，“第46屆國際電化學年會”、“第35屆國際光譜化學大會”和“第17屆國際有機磷化學學術大會”等等。

集成電路設計學科評估范文第3篇

1醫療健康領域的需求現狀

在醫療健康領域,關注的熱點正在漸漸從最基本的疾病產業向保健產業轉變。這二者都是以健康服務為最終目的,但是前者主要是有針對性的“對癥下藥”,而后者則更傾向于為一般消費者提供更全面的保健解決方案。

美國著名經濟學家保羅?皮爾澤(Paul Zane Pilzer)曾是花旗銀行最年輕的副總裁并出任布什、克林頓兩任總統的經濟顧問,在他的《財富第五波》一書中指出:二十一世紀人類面臨嚴重飲食失衡,卻人人希望更健康、抗老化,預防勝于治療,從而開啟保健產業的兆億商機。這是繼第四波網絡革命后的明星產業,相比疾病產業的被動性,保健事業是主動積極的產業。

世界衛生組織(WHO)在2008年10月公開的一份檔案中提到:人口老齡化助長癌癥和心臟病病例上升;心血管疾病是全世界主要的死亡原因,聽力喪失、視力問題和精神障礙是最常見的殘疾原因。

龐大的老齡化群體和慢性疾病患者等群體的現狀(換言之,是社會需求和市場需求的現狀)使得疾病產業、保健產業中亟需發展應用新的技術和產品。

2.1 世界人口老齡化,對醫療護理產品提出了更高的要求。

隨著醫療水平的提高,世界平均人口壽命增加,世界和中國都面臨著人口結構老齡化的問題。如根據聯合國經濟社會部的研究數據(如圖 1),到2050年世界60歲以上的老年人將達20億,約占世界總人口的1/3,其中有79%生活在發展中國家;而中國國家人口發展戰略研究報告也指出,我國在2007年老齡人口為1.43億,占人口比重的11%,但是在2040年左右,這個數字將達到4.3億,占全國人口的30%。這些數字意味著屆時每4個人中將有1~2名老年人,同時也表明針對老年人護理的配套設施將會有很大需求。

近幾年來,中國社會老齡化趨勢日益明顯,也引起了各有關方面的關注。“人口老齡化將伴隨21世紀始終”。我國現在雖然還處于勞動力黃金時期,但60歲以上人口超過14%,65歲以上人口超過10%,按照國際社會標準,已經跨進了老齡化社會的門檻。老齡化問題將從多方面給中國社會帶來巨大壓力和挑戰,同時也會帶來新的機遇,其中最大的機遇就是老年人群消費所帶來的“銀發產業”發展。

我國老齡化的趨勢及特點如下:

(1)老齡化速度快于全國總人口增長速度;

(2)我國老齡化速度快于世界老齡化速度;

(3)我國老齡化速度快于經濟發展速度,呈現了“未富先老”的特征;

(4)經濟發達地區率先進入老齡化;

(5)老年人生活質量有所提高;

在目前我國經濟發展水平尚處于世界中下水平時,老齡化程度卻己進入了發達國家的行列。老齡化的加速對經濟社會都將產生巨大的壓力。

老人占全球人口的比例越來越高,這助長了與年齡有關的慢性病增加,在發展中國家尤其如此。在世界各地,護理人員、衛生系統乃至整個社會均需作好準備,應付老人持續增長的需求。

1.2疾病特別是慢性病的威脅和困擾日益擴大化,以及家用保健產品需求的加強,對醫療保健產品的便攜程度提出了更高的要求。

隨著社會的發展和人們生活水平的提高,對一些多發性的慢性疾病、殘疾障礙、以及神經功能失調疾病的治療需求越來越迫切。

心血管疾病是全世界主要的死亡原因,主要是心臟和血管疾病,可造成心臟病和中風。通過健康飲食、經常性身體活動和避免使用煙草,可預防80%以上的心臟病和中風,而為了進一步減少威脅,這些病往往還需要長期的、經常性的檢查和治療。

最常見的殘疾原因中如聽力喪失、視力問題和精神障礙等,其中許多障礙是容易通過電刺激設備進行輔助治療的(例如聽力喪失和白內障)。這些疾患的總體罹患率較高,需要改善獲得治療的機會和方法,改善患者的生活質量,使人們過上有意義的生活。

另外,神經功能失調是一大類神經系統疾病,高發病率而且重癥的帕金森病等運動障礙疾病、癲癇、頑固性疼痛等,導致病人明顯殘障,造成巨大的經濟和社會負擔。傳統上,神經功能失調疾病的治療有藥物方法和外科手術毀損方法。但是長期服用藥物副作用多且難以避免,而由于腦和神經的復雜性和人類認識的局限性,不可逆的手術毀損具有不可預知的惡性后果。

進入21世紀后,隨著生活質量的提高,人們健康意識也普遍增強。特別是在醫院內“一次性治愈”目標很難實現的階段下,新的產業應運而生:除了醫院的醫生診斷,可家用的醫療及保健電子設備的需求明顯,如疾病預防和協助診斷、慢性病的長期監測及治療、特別是老年人護理等。另外,包括慢性疾病的監測和控制、治療在內,醫療保健需要同時實現在臨床上的診斷準確性和日常家用的普及性,以及建立以預防和早期診斷為導向的健康觀念。比如對于盲人、癲癇癥、糖尿病等患者,傳統醫療護理手段所帶來的長期的臨床生活是社會和病人都無法承擔的,而離開了醫院又會造成生活質量的下降。于是醫療電子終端產品的普遍發展趨勢將主要是便攜式、穿戴式,某些特殊方面還向植入式發展,以實現“隨時隨地”的動態、連續的檢測和初步診斷?？梢灶A見在不遠的將來,這些便攜、可穿戴或植入式的醫療及保健電子設備將給人類的生活提供極大便利,產生重大的影響。

1.3 世界醫用市場需求的迅猛發展,將成為半導體市場的重要推動力。

在世界范圍內,醫療電子市場連續25年增長,很有可能成為未來(半導體市場的)主要驅動。全球醫療保健費用每年5萬億美元,而中國的醫療保健則消耗了GDP的5%,平均每年增加38%。特別是從全球醫用半導體行業的收入來看,醫用半導體行業的幾個主要的部分預計在未來的5年內年均復合增長率(CAGR)在10%附近。

而另一份來自Databeans (Sept. 2008)的數據則預計在未來5年醫用集成電路市場的年增長率將高達14%,甚至高于消費類集成電路(11%)和計算機集成電路(9%)的增長?？梢钥闯?在21世紀醫用集成電路的重大革新將會像上世紀80年代的電子計算機、90年代的移動通信一樣,成為影響全球半導體市場的主要推動力。

世界范圍內的醫療電子市場同時會帶動我國的醫療電子產業。比如現階段我國的“銀發產業”剛剛起步,根據中國國家老齡委提供的數據,目前中國老年人用品市場的需求量為4000億元,到2010年將達到10萬億元,而現階段全國為老年人提供的產品不足10%,離市場需求差距巨大。而且隨著中國經濟社會的持續發展,各方面因素將為“銀發產業”蓬勃發展提供更加強大的動力。在推動經濟增長的同時,老年人生活質量能夠提高、身心健康得到保障,借助產業發展也可以緩解老齡化問題給社會帶來的壓力。

2我國醫療電子產業面臨的機遇

醫療電子產業的涵蓋領域非常廣,包括超聲波成像、計算機斷層掃描等應用電子設備,以及電子血壓計、血糖儀等消費類終端產品都屬于醫療電子領域。在我國的電子信息產業中,醫療電子產業是很重要的一環,是最貼近民生的電子信息產業細分行業之一。隨著2009年4月份《電子信息產業調整和振興規劃》的出臺以及國家新醫改方案的公布,尤其是8500億元醫改的投入,我國醫療電子產業無疑面臨著廣闊的發展空間,這對我國的醫療電子產業將帶來積極的影響。而且政策別還強調了要加強在醫療電子產業領域自主創新能力的建設,這無疑為我國醫療電子產業帶來了很好的發展機遇。另外,醫療設備行業的高速增長也將刺激醫療電子市場的需求:據預測,當前我國醫療電子市場規模為250多億元,同比增速在16%以上,超過了全球市場的增長率。

為了更好的應對這個難得的發展機遇,要在如下兩個方面有所建樹:一方面是在醫療信息系統領域。這一領域迫切需要提高遠程醫療水平,以及其所依賴的信息傳輸和管理技術。另一方面是在醫療電子領域。這兩個方面的要求,需要在技術上關注網絡標準與便攜技術的走勢:第一是網絡互聯操作標準。幾年前一些著名國際企業包括思科、IBM、英特爾、三星電子等就成立了“持續健康聯盟”產業組織,以進行標準選擇、互用性指南的編寫等工作。ADI亞太區醫療事業部也認識到“為了適應醫療體系的網絡化建設,從長遠發展來看互聯的數據平臺變得非常重要”。第二是便攜醫療產品與技術。隨著人們健康意識、健康需求及相應支付能力的不斷提高,以預防為主和早診治的指導思想,以及醫療電子隨著集成電路技術的發展不斷涌現出小型化、集成化、網絡化、數字化、智能化的趨勢,這些都將成為便攜醫療電子快速增長的催化劑。在便攜醫療產品中,電子血壓計、便攜血糖儀、電子助聽器等便攜式設備占到家用便攜醫療產品市場的90%,而便攜式多參數監護儀、便攜式超聲診斷儀、便攜式胎兒監測儀、便攜式心電圖儀位居我國醫用便攜設備市場前列。此外,基層醫療機構所需的低成本、高可靠性、操作簡單的X光機、超聲診斷儀、核磁共振設備和計算機斷層掃描設備的市場容量也將大幅提升。而這些產品所涉及的智能化、小型化、低功耗、高分辨率的技術都備受關注。

3集成電路技術應用的概要介紹

集成電路技術在醫療電子領域內的應用非常廣闊且多樣化,大致可分為下述四種不同的應用類型:

(1)醫學影像――這一類型包括超聲波、計算機化的X射線斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射線、正電子發射斷層顯像等;

(2)醫療儀器――主要是實驗室配套電子設備、透析機、分析儀器、外科手術設備、牙科設備等;

(3)消費型醫療設備――偏重于患者(可家用,非臨床)使用的終端設備,包括數字體溫計、血糖計、血壓計、胰島素泵、心率計、輔助聽力(數字助聽)等;

(4)診斷、患者監護與治療設備――協助醫生判斷的(主要是臨床使用)相應設備,都包括心電圖、腦電圖、血氧計、血壓計、溫度計、呼吸計、除顫器、植入設備等;

這四種類型基本涵蓋了醫療電子領域的各種應用。其中后兩類,特別是消費型醫療設備尤其需要通過先進的集成電路技術來達到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目標。

小型化、低功耗:通過這些便攜、可穿戴、或是植入式的設備,才可以實現人體相關體征信號的動態采集和連續監測,在必要時還可以達到24x7的工作要求;

智能化、低成本:可醫院用、家庭用、其他非醫院環境用,并通過網絡接入等技術實現遠程醫療,從而更合理地配置醫療資源,提供更高水平的醫療服務,同時減緩醫院就診壓力。還可普及供大范圍內的人群使用:如病人用來治療、健康人用來預防,或老年人用于輔助護理、年輕人用于鍛煉健身,可提供早診治的信息,對人體最小干預(無創/微創),等等。

世界上集成電路領域最權威的會議――國際固態電路會議(ISSCC)的技術專題委員會,圍繞以上四種類型的醫療電子應用中日益凸顯的關鍵技術問題,在2009年預測了在未來醫療電子應用領域中集成電路技術的研究熱點:

(1)人工輔助聽覺、視覺、無線肌肉刺激、神經刺激:這類研究重點在于需要對人體安全無危害,包括和人體組織的電極接觸界面、泄漏電流檢測、過熱斷電等。同時還對系統的可靠性、外殼包裝、集成度和工作壽命等方面有要求;

(2)傳感量:生物分子檢測(如DNA等),神經感知、集成核磁共振等;

(3)超小型:遙控或遠程診斷;

(4)自適應控制:場景分析、管理方法等;

(5)無線測量技術中的瓶頸:數據流壓縮、拓寬頻道等;

(6)帶有馬達和姿態控制的智能內窺鏡膠囊;

(7)pH值的測量陣列(離子敏感的場效應管,ISFET);

(8)其他系統級需求。

在這些預測的研究熱點中,既有針對某一種具體應用提出了更進一步的功能研究(如用于腸胃內窺鏡中的馬達和姿態控制),也有對從應用中提煉出的共性關鍵技術(如對于無線通信技術方面的瓶頸分析),還有對于生物醫療與集成電路的交叉學科發展趨勢(如需要更完善的知識結構和傳感技術完成生物分析檢測等)。

從技術實現的角度來看,上述醫療應用中有關的信息工程在醫療電子領域面臨的根本性問題可分為四個主要方面:

(1)數據采集:電子電路需要通過傳感器來感知物理世界。在實際世界中的各種物理量需要首先轉換成為電信號,之后才能夠由集成電路進行處理。采用適合類型的傳感器對適合的物理量進行采集,以及對傳感器的接口進行完善的交互控制就顯得尤為重要;

(2)數據處理:將外界物理量信息提取成電信號后,還需要做初步的信號調理和采樣、變換、濾波等預處理操作,并將原始數據進行存儲或是根據一定的算法做分析計算;

(3)數據傳輸:經過處理的數據還需要進行傳遞,通過由集總的控制設備進行數據融合后才能夠判斷。可分為基帶通信和射頻通信,前者大部分是電信號有線連接或是通過人體組織等導電介質,后者主要是用無線電磁波通過空氣等介質;

(4)能量供應:對于一般的醫療電子設備而言,體積微型化和延長工作壽命是矛盾的,因為電源的體積往往與其可提供的能量大小成比例。這樣就需要在進行低功耗、低能耗設計研究的同時,開發出新的能量供應方式如能量恢復、光電池效應、壓電效應等,保證醫療設備(特別是便攜式、植入式)的續航能力。

接下來以幾個具體的研究課題項目為基礎,針對不同的應用例做更深入的分析,來介紹一下目前國內在如下兩個研究方向上取得的一些進展:

1)對較為基本的物理量如溫度、脈搏等,待處理的數據量比較少,硬件系統的工作流程也非常類似,可以考慮采用一種具有共性的硬件結構進行實現。同時這些有共性的硬件系統還可以通過一種通信協議組成網絡,實現人體區域的傳感器網絡。

2)在另一些特殊的應用中如人工輔助的聽覺、視覺,以及智能內窺鏡膠囊等,由于原始數據是語音和圖像,過程中會涉及到傅里葉變換、數據壓縮等更為復雜的算法,數據運算量相對于簡單的生命體征信號要大得多,成為制約低功耗的瓶頸之一。

4實例

4.1 用于體征監測的傳感器網絡

無線人體區域傳感器網絡(Wireless Body Area Sensor Networks, WBASN)是一種能夠滿足前述應用要求的“通用”解決方案。它是進行人體生命要素信息采集與控制的小區域傳感器網絡,一般主要用于特定人群/人體的長時間健康狀況監測、身體健康指標分析等。最典型的應用例為糖尿病患者、癲癇癥患者、神經紊亂或衰弱患者,以及慢性心臟病患者等。通過這種網絡內的可定制監測,人們可以根據實際需要對身體的一個或多個相關數據指標做連續采集監測,并通過良好人機交互界面進行控制。

1)WBASN的結構

WBASN通常由近人體區域的傳感子節點和基站主節點組成。近人體區域包括體表測量、體內測量、探針測量和體檢測量等。完成這些測量的傳感子節點中包括前端的傳感器件/能量轉換器件,目標是由對有關健康狀況的數據進行測量、處理和交換。基站主節點隨時接受區域中每個傳感節點的數據,并控制和調配這些傳感節點的采集狀態、休眠方案等,需要有能力做較大量的數據處理、累計、判斷及交換。所測量的數據信息也都是與人體密切相關的,如心電、心率、血壓、心音、肺音、血氧、呼吸、溫度、加速度等。不同種類的數據采集需要不同的傳感器件(能量轉化器件,簡稱換能器),如單導電極、熱敏電阻、惠斯通電橋、電流式傳感器和3軸加速度計等。所有傳感子節點的數據信息通過基站主節點進行統一的融合處理和分析判斷,實現WBASN的基本功能。

圖 3示出了簡要的WBASN結構示意圖。整個網絡的基本功能是由傳感子節點(位于體表或體內的粘附或植入式裝置)完成的,如采集血壓、溫度等信息。這些信息由主節點(體外的便攜裝置,如PDA等)統一接收后進行數據融合,完成初步判斷和處理,還可以給出信息的實時反饋、超限數據的安全警告等。另外,主節點還可以作為“網關”接入到因特網、GPRS等廣域網絡中,將本地的數據上傳到遠程服務器供醫生遠程診斷,實現遠程醫療等。如果主節點初步判斷后認為需要完成進一步的操作,會再次采集相關信息、給出警告信息或進行干預操作――給藥、電刺激等,以實現慢性病護理或及時診治。雖然這一網絡的研究目前還處于實驗室為主的原型驗證,但是在一些應用中還是會或多或少的發現WBASN的影子:如前不久的“神七”宇航服中就實現了壓力、心率、呼吸等傳感器,采集的數據統一上傳到宇航員之外的接收設備上,然后再發回地面指揮中心進行分析。

2)WBASN的子節點系統結構框圖

一個典型的子節點系統結構框圖如圖 4,包括了傳感器和電刺激驅動模塊、模數轉換器、微控制器MCU、數據流的預處理(協處理)單元、存儲器和射頻(RF)收發機,其中MCU與傳感器模塊之間還可以實現可配置的多標準數據接口、電源可視情況采用電池或無線供能方式等等。各模塊連接后即可實現相應功能的子節點系統。若將圖 4所示的結構進行高集成度的電路實現,就是片上系統(SoC)平臺芯片。一種較為簡單的平臺芯片實現中不含有傳感器模塊和RF收發機(但包含對應的接口),通過外接(1)不同類型、不同功能的傳感器件前端和(2)相同類型的射頻收發芯片后,就可以完成相應種類數據信息的采集,進行一些預處理,然后與主節點建立通信并傳輸數據、接收配置等。還有一種集成度較高的SoC平臺芯片中會帶有片上RF模塊,這樣每個子節點系統就只需外接一個傳感器芯片即可完成采集、組網等功能。SoC平臺的作用是在功能異構的WBASN各個子節點應用中作為一個基礎的“通用的”平臺。

3)WBASN的子節點系統的設計重點

上述分析表明WBASN的近人體子節點系統的整體設計實現中,應該以超低功耗和高度集成的(SoC)設計為重點。于是就要綜合系統的各方面需求,整合設計并實現出核心的數字微控制單元和電源管理單元,以便在達到功能上的靈活性、完備性的同時,實現系統的極低功耗。這些數字系統設計中的關鍵技術包括幾個方面:(1)在各個功能相異的節點休眠間隔不等的情況下進行接入;(2)醫療用途的緊急情況下“給藥”或“電刺激”的實時控制實現;(3)星型網絡中單跳的組網方式對指令集的優化;(4)無線方式的節點功能更替;(5)兼容多標準的傳感器器件接口;(6)電路級的低功耗技術如門控、多電壓、異步電路設計等。在我們的研究中,綜合考慮了上述方面進行了設計優化。這樣還會帶來很多其他的好處,如設計成本低、系統擴充性好、針對WBASN應用開發的軟件/硬件效率高,等等。

下面針對上述子節點系統設計的幾個關鍵技術進行具體說明:

第一,在低功耗方面,通過對具體實例的分析發現,“工作狀態”和“空閑狀態”的功耗一般相差20倍甚至更多,所以工作狀態下的低功耗優化是首要任務。目前的絕大多數SoC實現方案基本上都是采用各種措施將工作時低功耗達到更低的指標。但是對于WBASN的具體應用而言,子節點通常都會處于非常低的工作占空比,也就是說在整個子節點壽命內的絕大多數時間里,子節點是在空閑狀態的。如體溫測量可以每1分鐘測量一次,每次測量只需要幾個毫秒;心率測量也只需要每100毫秒測量幾個毫秒,等等。這樣,子節點的總能量消耗往往更多浪費在空閑時的狀態上。所以對于WBASN的優化需要從工作時功耗和休眠時功耗協同考慮完成,目標是提高電池的能量使用效率。

第二,子節點的實時控制。在許多研究中廣泛采用了實時性操作系統(如TinyOS),其實只保證了子節點在工作狀態下處理器處理各個任務的實時性。還需要子節點保證網絡行為的“實時性”:如用于閉環施放藥物的子節點系統,在接到主節點發來的“給藥”指令之后應該以最短的反應時間給出操作。這就與低功耗的指標相矛盾:為了更快的反應速度,應該在空閑時采用“偵聽”方案或者休眠間隔很短的方案――這樣同時增大了空閑時功耗;反之,為了避免該給藥子節點的電池能量大都浪費在空閑時狀態,應該采用空閑時休眠的方案,并且該加大休眠間隔――這樣在主節點開始發送喚醒要求(大多數這種時候都是緊急情況)之后還要等到子節點的下次定時喚醒才能夠給出響應,最壞情況下的反應速度為子節點的定時喚醒周期。所以目前這一問題的解決方案就是空閑休眠間隔、偵聽時間的折中選取。以具體數據進行分析:在“國內外研究動態”中的ADICOL項目中,胰島素施放操作的閉環控制是每3分鐘定時喚醒工作一次,以保證最壞情況下的給藥控制延遲不超過3分鐘。而保守情況下(按每天需施放胰島素10次估計推算)都至少有97%的喚醒是不需要做給藥的,這樣就浪費了子節點大量的電池能量,降低了有效用能量的使用效率。

第三是功能的靈活性。由于每個子節點系統的RF模塊和通訊協議都沒有差別,所以通常的設計都主要考慮傳感器接口模塊的靈活可配置等等。很多現有的傳感器件或芯片接口大致分為兩種:模擬量(需要SoC提供ADC進行轉換)和數字量(傳感器自帶ADC,僅需要滿足相應時序)。已有的相關研究大多是基于這兩類接口進行展開的。但是在不同功能的子節點系統內,除了傳感器件前端需要采集的物理量類型和接口不一樣之外,其軟件程序在操作順序、運算復雜度、處理方法等方面都有區別,SoC本身的軟件部分就需要根據具體子節點的功能進行調整。如果在每個子節點設備封裝前預先寫好軟件算法,還需要專門的“燒寫”設備。我們的研究中采用一種可由主節點遠程配置子節點軟件的協議,就可以在滿足“軟件靈活性”要求的同時不引入其他設備。

4)總結

如前述,WBASN的優化重點在于子節點系統, 而子節點系統的核心是SoC平臺。為了保證子節點SoC平臺的超低功耗、高集成度、靈活性、高效率、可靠性等,需要SoC平臺中的數字系統有完善的功能和異常處理能力、優化的結構、良好的可靠性和能量管理等。

系統內各個傳感器設備(或稱網絡內“近人體節點”)的主要指標可以歸結為:系統集成度,小型化/微型化,低功耗電路設計,無線遙感鏈路和信號處理算法等。除此之外,其他一些指標如服務質量、安全性、多傳感器數據融合和診斷支持等也都是世界上相關領域內各研究組正在研究的課題。

4.2 帶有植入式處理器的電刺激器

電刺激治療方法是當今臨床和日常的物理康復最常用的、重要的治療手段之一,在心臟起搏器、人工聽覺、人工視覺、腦電刺激等許多領域中有著非常重要的作用。該方法通過將一定量的電流通過特制電極施加到人體組織,實現促進恢復正常的神經傳導和調節功能等治療作用,不僅可起到鎮痛、消腫、消炎、脫敏、緩解肌肉痙攣等功效,有時甚至還可以修復、替代某些受損的人體組織和器官。一般的電脈沖刺激時采用無極性微分型指數波形,由電荷相等的正負脈沖波構成,負指數脈沖起神經纖維去極化作用,正脈沖起電荷平衡的作用,可避免組織損傷。集成電路技術,特別是植入式的處理器控制應用在電刺激器中,可以完成復雜的信號處理,同時極大的保證操作的可靠性和無侵害性。

心臟起搏器是最早的醫用電刺激儀器之一,它發放電脈沖,通過與心內膜相接觸的電極導線,刺激心臟使之激動收縮,以模擬心臟的沖動發生和傳導等電生理功能,起到治療由于某些心律失常所致的心臟功能障礙。心臟起搏器的結構包括脈沖發生器(pulse generator)和電極-導線(lead)兩大系統。脈沖發生器由電池、釋放與調節電脈沖的電路和外殼構成。脈沖發生器控制起搏節律,猶如整個系統的“大腦”。現在的脈沖發生器是非常小的,一種典型的尺寸為5cm x 5cm x 6mm,重量在30克左右。

在正常的聽覺系統中,聲音的機械震動通過外耳和中耳之后,會在耳蝸的各處與基底膜發生共振。基底膜的振動帶動毛細胞纖毛的振動,產生毛細胞的感受器電位,進而產生聽神經的動作電位發放。腦的中樞聽覺系統能夠根據聽神經中不同神經纖維的發放情況判斷基底膜的振動情況,進而推斷聲音的頻率成分。在一些患有感覺神經性耳聾的病人內,毛細胞由于多種因素如遺傳、疾病等而遭到損傷或者數量減少,無法正常地驅動聽神經。而人工耳蝸的基本工作原理就是繞過毛細胞這一環節,直接對聽神經進行電刺激。于是這種電刺激的效果就好像是聽神經被聲音通過正常的基底膜和毛細胞驅動一樣。

人工耳蝸只是一種聽覺假體,并不能“治愈”耳聾或其他聽覺障礙。人工耳蝸的工作是基于耳蝸的不同部分與不同聲音頻率之間一種規則的對應關系(頻率拓撲性質)。一般需要使用更加復雜的處理方法以避免造成組織、電極損傷等一些不良影響。

視覺假體技術也屬于功能電刺激的一種。大多數盲人的視覺通路中往往只有一部分發生病變,而其余部分神經組織的結構和功能尚完好。于是就能夠對視覺通路的完好部位施加特定的人工電刺激,來興奮神經細胞以模擬自然光刺激的效果,使盲人產生視覺感受。

視覺假體的工作原理與人工耳蝸相似。視覺假體系統包括一個位于病人體外的視頻采集設備(如小型攝像機),視頻處理模塊,電刺激編碼模塊和植入到視覺通路特定部位的多電極陣列。由視頻采集設備采集到的實時視頻圖像經過處理,轉化為驅動多電極陣列的信號。多電極陣列對視覺神經組織施加一定幅度、波形和頻率的電流刺激,興奮視覺神經元,從而使病人產生視覺感受。

人工視覺刺激器主要包括視網膜刺激器、視皮層刺激器和視神經刺激器。其中視網膜刺激器發展最快。視網膜刺激器是在視網膜下或視網膜表面植入不同微電極,使外界光線轉換成電流,通過微電極刺激并激活視網膜神經細胞及其網絡,而產生光感。這種裝置可使失明或接近失明的眼重新獲得部分有用視力。其優點是可以產生較準確的視覺感知,而且所需電流強度較小,玻璃體有利于熱量的散發,以及可直接觀察到植入刺激器及植入后的反應。至今已有較多實驗表明視網膜前或膜下芯片植入方法可行,有較好的生物相容性及長期穩定性,達到預期效果。

目前全世界范圍內已經接受植入的病人較之佩戴人工耳蝸的病人要少得多。而且目前美國食品藥品監督局(FDA)也尚未批準任何類型的視覺假體的臨床應用。

下面以人工聽覺的具體系統為例,詳細介紹一下帶有植入式處理器的電刺激器:

帶植入式處理器的雙模人工耳蝸系統

人工耳蝸就是通過電刺激末梢神經系統的方式來修復聽覺的一種醫療電子裝置。它把外部的聲音轉換為聽神經需要的電刺激,將這種刺激通過植入電極刺激聽覺神經,幫助傳感性耳聾患者恢復(人工制造出)聽覺。它是迄今為止治療極重度耳聾唯一有效的方法,也是唯一被商品化的感官神經修復技術。目前各種人工耳蝸產品在設計上細節不盡相同,但它們的基本硬件構成和工作原理卻是一樣的。

1)人工耳蝸的硬件構成

人工耳蝸的基本硬件構成如圖 6所示,主要分為體外和體內兩個部分,其工作原理和流程如下:

(1)體外的麥克風首先把采集到的機械聲音信號轉換成模擬電信號;

(2)模擬電信號經過模數轉換器轉換成數字電信號;

(3)數字信號處理器(DSP)對數字聲音信號進行分析并決定如何驅動埋植于耳蝸內的電極去刺激聽神經,形成刺激指令序列;

(4)刺激指令序列經過調制后以無線電波的方式發送給體內部分;

(5)體內的解調器從無線電波中獲取體內電路工作所需的能量,并對刺激指令序列進行解析;

(6)體內的刺激器對解調出來的指令序列進行譯碼,然后根據指令要求在電極上產生相應的電流,刺激聽神經產生聽覺。

2)新型全植入系統的應用

在當前植入式電池不足以支撐數字式全植入人工耳蝸系統,而模擬式全植入系統又存在著諸多缺陷的情況下,新型全植入系統的設計思路除了繼續降低數字系統本身的功耗外,還可以在結構上進行調整,降低系統對電池的使用量?；谶@些考慮,我們提出了帶植入式處理器的可雙模工作的新型人工耳蝸系統,如圖 7所示。

該系統在體內集成了一套完整的語音信號采集、處理電路,以及與體外的無線接口,同時配有植入式電池。所謂“雙?！?是指該系統既可以工作在不帶任何外部輔助裝置的體內單機模式下,如圖 7(b)所示,也可以工作于體外語音信號采集電路與體內處理電路協同的聯機模式下,如圖 7(c)所示。從技術可行性的角度上講,聯機模式下的系統在當前的電路技術條件下是可以實現的,而單機模式則受制于電池容量和安全性等非電路因素。

這種系統的意義在于,通過兩種模式的交替使用可以很大程度上減少對植入式電池的使用量。而且該系統包含了一個完整的全植入數字式子系統,對該系統的研究可以涵蓋下一代全植入式系統的關鍵技術難點。也就是說,該系統的很多關鍵技術將可以直接應用到下一代全植入系統當中。實際上,在植入式電池的容量和安全方面的性能提升到一定程度之后,這個系統可以自然而然地轉換成一個全植入式系統。

3)植入式數字信號處理器的低功耗設計

在雙模系統中,最大的技術難題就在于植入式數字信號處理器(DSP)的設計(圖 8),因為它幾乎是整個系統里功耗最大的部件。傳統人工耳蝸中的DSP 處在體外,對功耗的要求還可以寬松一些,畢竟體外的電池可以隨便更換。而在新系統中,無論是哪一種工作模式,對DSP 的功耗要求都是非常苛刻的。在體內單機模式下,DSP 的功耗直接影響著植入式電池的壽命,而植入式電池又不可以隨便更換,所以這種情況下DSP 功耗的重要性自不待言。在聯機模式下,由于無線能量傳輸效率低下,DSP 的功耗將會被嚴重放大,這比DSP 在體外時的情況要惡化很多。

實際的設計和測試結果表明,基于開放源代碼硬件的專用指令集處理器(OSH-ASIP)設計方法有助于提高效率并降低成本,同時可以有助于去除通用處理器中存在的冗余,從而提高處理器的執行效率、降低功耗。通過綜合運用指令集簡化、等待模式、循環暫存、存儲器切割、操作數隔離和時鐘門控等多種低功耗設計技術,在0.18μm CMOS 工藝下設計實現的一款人工耳蝸專用的低功耗DSP實際測量結果為:在10MHz 的時鐘頻率下執行連續交織采樣(CIS)算法的功耗小于2mW,低功耗效果顯著。

4)總結

就當前的技術水平來講,數字式全植入的人工耳蝸系統仍然因為能量供應不足(功耗大而電池容量小)的緣故無法實現。但是除了功耗外并沒有其他理由可以阻礙數字系統的進一步發展,況且相比于模擬系統中那些固有的缺陷,功耗實際上是一個會隨著微電子設計和制造水平的提高而逐步得到解決的問題。因此,從長遠看數字式全植入系統才是人工耳蝸系統最優的選擇方案。

4.3 智能內窺鏡膠囊

傳統醫用內窺鏡(如胃鏡和腸鏡)需要使用光纖或電纜插入人體體腔內拍攝病征圖像以供醫生診斷,這些連接線會給病人帶來很大不適,而且診斷存在盲區,并可能會有消化道傷損等并發癥。智能內窺鏡膠囊的出現給消化道疾病的診斷帶來了便利,克服了上述缺點。如圖 9所示,病人在吞服了膠囊內鏡以后,膠囊依靠消化道的蠕動在其中緩慢移動。移動的過程中會采集人體內消化道的圖像并以無線的方式發送至體外記錄儀,并可以上傳至基站以供醫生診斷病情。膠囊內鏡不會給病人帶來不適,在檢測時病人也可活動,而且它可以完成全消化道的檢測,掃除了傳統內窺鏡存在的盲區。

1)智能內窺鏡膠囊的發展歷史

智能內窺鏡膠囊(消化道膠囊內鏡)的概念最早于2000年由以色列科學家提出并實現,之后Given Imaging公司生產出第一款商用的膠囊內鏡產品Pillcam。最近的幾年里各國的工業界和學術界相繼開始對這種產品的研發,一些新產品和新技術陸續面世:日本的奧林巴斯公司推出的EndoCapsule產品在日本也開始商用;日本NORIKA Syaka RF lab正在研發用無線供能,代替電池供電的技術,以及控制膠囊內鏡姿態的控制技術;韓國研究機構推出了以人體作為導體來直接傳輸信息的技術,用以代替射頻收發機,目前也已成功地利用到膠囊內鏡產品中。在可預見的將來還將出現集診斷、活檢、給藥及消化道行走等各種功能于一體的產品。

2)膠囊內鏡的結構

完整的口服式智能內窺鏡膠囊系統由膠囊內鏡、體外便攜式記錄儀和工作站三部分構成。膠囊內鏡是整個系統最為重要的部分,也是設計難度最高的部分,在集成電路設計時尤其要注意功耗等問題。外殼內的電路系統主要由五個部分組成,如圖 10所示,包括一個商用CMOS圖像傳感器、白色發光LED、一個商用射頻收發機芯片及天線、一塊用于控制和數據處理的專用集成電路和兩節鈕扣電池。

商用的CMOS圖像傳感器位于整個膠囊的一端,負責采集消化道中的彩色圖像數據。支持多種圖像分辨率,最高速率可達30fps。高亮度的白光LED均勻地排布在圖像傳感器鏡頭座外的環形PCB上,在采集圖像時提供照明光線。高性能、低功耗的商用射頻收發機位于膠囊的另一端,保證膠囊系統的無線通信。射頻收發機工作在433MHz的ISM頻段,采用FSK的調制方式,有效碼率最高可達500kbps。兩顆1.5V的鈕扣電池串聯后為整個電路系統提供所需的能量。它們位于膠囊的中部,在圖像傳感器和射頻收發機之間。用于控制和數據處理的專用集成電路位于圖像傳感器與電池之間,它將系統各部分的功能組合起來,形成完整的電路系統。

專用集成電路是膠囊內鏡的控制核心(圖 11),它由數字基帶、電源管理單元和無線喚醒子系統三部分組成。其中數字基帶部分主要實現通信控制和圖像壓縮兩大功能。電源管理單元可將電池電壓轉換為系統各個部分所需的電源電壓。無線喚醒子系統可以對密封在膠囊中的電路系統進行開啟、關閉、復位和配置操作,提高了系統可靠性,也便利了產品的組裝和生產過程。

3)膠囊內鏡的低功耗實現

在膠囊內鏡的電路系統中,射頻部分消耗的能量一般超過總能量的60%。為了在不增加射頻電路功耗的前提下縮短有效的射頻傳輸時間,在系統的數字基帶中引入了信源編碼――圖像壓縮。這樣大大減少了射頻收發機發送一幀圖像的數據量,也就相應地減少了每幀圖像射頻部分的能量,并且有利于進一步減小系統工作的占空比,延長電池的工作時間。

引入圖像壓縮功能實際上是使用數字電路的能量去換取射頻部分的能量,而且數字電路的低功耗技術比較容易實現,使得降低數字電路的功耗相對于降低射頻電路的功耗更為容易。因此,只要對圖像壓縮的計算復雜度做出仔細的評估,電路系統整體能量的降低不難實現。

目前智能內窺鏡膠囊系統還沒有正式的產品國家標準,但一般包括如下幾個重要指標:

1)工作時間:至少為8小時,因為一般膠囊內鏡通過人體消化道的時間為8小時。

2)尺寸:為方便病人吞服,膠囊尺寸一般直徑為10~12mm,長度為20~30mm。

3) 圖像幀率和分辨率:目前產品的圖像幀率一般為2fps。當然,在滿足基本工作時間的條件下,圖像幀率和分辨率都是越大越好。

4)總結

基于上述膠囊內鏡的結構,可以對其應用需求做出細致的分析,對系統的供電方式、體積尺寸、通信方式、工作時間、可靠性等要求進行綜合考慮。分析和測量結果表明,在系統級設計上采用了圖像壓縮、雙向通信和無線喚醒等功能能夠滿足性能要求,而且這些技術的應用對于有類似的大數據量、高碼率的植入式電子醫療集成系統也具有參考價值。

目前國內有清華大學、中科院合肥智能機械研究所、重慶大學、重慶金山科技集團等單位都在分別從事這方面的研究。

5 結語

本文從醫療健康領域的社會需求、市場需求現狀入手,對我國醫療電子產業面臨的機遇進行了分析,并對其中的關鍵技術――集成電路技術應用做了基本介紹。多方面的數據分析表明,醫學微電子系統研究設計的核心發展趨勢可以歸結為小型化/微型化、集成化、網絡化、數字化、智能化。最后還通過幾個在研項目實例進一步闡釋了集成電路技術在醫療健康領域的應用。

集成電路設計學科評估范文第4篇

北京理工大學國家大學科技園位于中關村科技園區中心地帶，地處三環路西北角，緊鄰中關村科技園區中軸線，交通便利，信息暢通?？萍紙@以場地、設施、物業服務為基礎，在1992年起步建設的學校周邊產業開發區的硬件設施基礎上，針對大學科技園的功能定位，重點開展了通過資源整合提供增值服務。通過體制與機制的創新搭建創新創業平臺。形成了比較完善的創業服務體系和創新支撐體系，促進了校內創新資源與科技園基礎設施、風險投資等要素以及社會入園創業企業的結合，在企業與技術的孵化以及向社會輸出成熟的高技術企業進程中發揮了重要作用，探索出了一條通過大學科技園建設實現創新要素合理流動的新路。

建基礎，多支撐

目前，北京理工大學科技園已經建有一個核心園區和5個校外輻射基地。核心園區圍繞學校周邊建設。占地約140畝，已經建成近10萬平方米建筑物。5個校外輻射基地分別是密云工業園、房山石樓醫藥化工孵化基地、昆明分園、寧波分園和赤峰分園。

針對科技園的功能定位，圍繞著科技園的創新創業能力建設，重點建設了基礎、融資、孵化、服務、產業五個支撐平臺。五大平臺以孵化平臺為中心，互相銜接，互相促進，構成了園區的創新創業服務支撐體系，實現了從基礎設施保障風險投資創業服務企業孵化產業化的流程。

基礎平臺由科技園組織學校企業、社會企業共同參與，合作建設。近年來，先后吸引了三億多元資金，建設了三座大廈。園區成立了物業管理中心，對現有物業設施進行管理，保障物業正常、高效運轉，為入園企業提供良好的物業環境和高質量服務。

園區內由留學人員創業園、綜合孵化器、專業孵化器、技術轉移中心、創業服務中心、重大項目服務中心、生產基地管理中心等機構形成的孵化平臺，在不同階段從不同的角度對項目和企業開展孵化及創業服務。

科技園開辟了多元化的投融資渠道。搭建了具有自身特色的投融資平臺。主要包括：引入社會資金、建立自有融資體系、引入社會風險投資、與金融機構合作、協助企業申報國家和地方政府的項目資助等。

為吸引更多的海外留學人員回國創業，加快中關村科技園區建設，北京理工大學和中關村科技園區管委會共建了“北京理工留學人員創業園”。創業園以服務為宗旨，追求高效務實的工作作風，致力于為留學人員搭建創業平臺，落實政府專項政策，創造和諧創業環境；對于留學人員入園企業，創業園為他們提供了各種創業服務以及實驗室設備條件、圖書閱覽、體育休閑等方面的便利，支持和促進留學人員企業健康快速發展。目前已吸引100多家留學人員企業入駐。

北京理工大學與北京市科委共同建立的北京理工創新高科技孵化器公司，是北京市正式批準的孵化基地，是科技園開展項目孵化、企業孵化的主要機構。現有70多家企業進駐孵化器公司。他們在光機電一體化、軟件開發與應用、自動控制系統、信息安全技術、環保與現代高效農業等領域，已經開展了一系列孵化活動。

車輛北京市技術轉移中心是在北京市教育委員會、北京市工業促進局的指導和支持下成立的，是依托北京理工大學，與北京工業大學、北汽福田汽車股份有限公司、北京汽車制造廠共同合作建立的，旨在將北京理工大學等北京地區高校在車輛工程領域內多年研究積累的高新技術成果轉移到北京市的有關企業。提升北京市企業和大學在車輛工程領域的綜合實力。

北京理工大學科技園依托北京理工大學實驗設備條件優勢，已經與學校有關學院共同建設了車輛、民產品、網絡安全、生物醫藥等孵化平臺，以及學生創新基地?？萍紙@還在密云、房山、寧波、昆明、赤峰等地建設了為企業產業化發展的環境。

科技園優越的地理環境，使得各類創業服務機構薈萃于此，繼而提升了園區創業服務綜合能力。地處園區內的海淀人才交流中心、中海源產權經紀公司等中介機構，以及各類咨詢公司、策劃公司、產品設計公司、會計師事務所、律師事務所、證券公司、資產評估所、測試中心、人才培訓中心、信息網絡中心等服務機構，可為園區企業提供多方位的綜合創新服務。

重服務，推特色

北京理工大學科技園針對其功能定位，圍繞著科技園的創新創業能力建設，進一步建設北理工創業公共服務平臺，在繼續加強已有平臺建設的同時，建設幾個新的具有專業特色的服務平臺。北理工創業公共服務平臺主要包括基礎服務、信息服務、創業咨詢服務、人才服務、企業診斷服務、技術平臺服務、教育培訓服務等以下服務平臺內容。

基礎服務平臺

北京理工大學科技園對進駐的企業提供基本辦公環境，協助辦理工商注冊、稅務登記、法律咨詢、高新技術企業認定、項目推介等服務，還按照北京市政府提供的有關優惠政策，協助入駐留學人員辦理身份認定、政府支持資金落實等方面的具體事務。

北京理工大學科技園根據入駐企業創業中遇到的問題和實際需求，定期和不定期地舉辦論壇、項目交流推介會、聯誼等各種活動，為入駐企業提供更為全面和有效的服務，為企業人員交流和了解國際科技發展趨勢、國內經濟情況、國家各項政策等提供機會。

北京理工大學科技園還為企業提供國家有關創辦企業的支持政策方面的信息，協助企業申請各類科技計劃項目和各類基金項目等。

通過不定期邀請北京理工大學和中關村地區創業園領域內的知名院士、專家、成功企業家作為創業園顧問和創業導師，為企業提供管理、研發、市場、人才等方面的指導和咨詢服務，并與園區內的企業進行交流和合作，為園區內企業提供技術支持服務。通過這些中介機構的服務。使入駐企業提高辦事效率，健康發展，增加孵化成功率。

北京理工大學科技園為入駐企業聯系北京理工大學的校內開放資源，可以提供實驗條件、資料查詢、圖書閱覽、技術交流、會務、培訓、就餐、運動休閑等方面的便利；同時，科技園還充分利用并發揮了北京理工大學專家、實驗室、設備條件、科研等方面的優勢，以支持企業的項目研發，促進企業健康發展。同時也解決了企業在實驗設備、經費、人力、經驗等方面的難題，改善了企業的研發環境。

通過多媒體培訓以及專業培訓等方式，為園區內企業提供多層次的教育培訓，組織企業參加各種展覽會、投融資推介會，聯合多家金融、法律機構開展各種投融資講座。

人力資源服務平臺

北京理工大學科技園建立了人力資源服務平臺。科技園與前程無憂和中華英才網建立了良好的合作關系，企業通過科技園在網站上刊登對人才招聘的需求信息，科技園安排專門的工作人員聯系人才中介機構企業招聘信息，并每日刷新企業招聘信息、將收到的簡歷即時發送給企業?？萍紙@每天為企業接收轉發簡歷1000多份。

北京理工大學科技園與園內企業北京時代金鷹科技發展有限公司合作，為企業提供人才甄選服務系統，幫助企業找到高素質的人才，以加快企業的成長和發展。時代金鷹公司

開發了一系列人才甄選系統，他們借鑒國內外的先進技術和行業內的成熟做法，綜合運用心理學、組織行為學、計量學、網絡與數據庫技術，通過心理測驗、結構化面試、情境模擬等技術手段對人員進行客觀地測量，從而對其素質狀況、發展潛力、個性特點等心理特征做出科學地評價，進而從大量的求職者中間甄選出適合相關崗位的人才，尤其是管理崗位和銷售崗位人才。這一平臺把現代企業人才甄選和人力資源管理的方法相結合。采用數據挖掘技術，動態優化素質模型，創建適合不同行業、不同企業規模、不同崗位的通用崗位勝任素質模型，在一定程度上加快了企業招聘人才的速度，降低人員招聘與培訓的成本，為園區內的企業改善其人力資源管理提供了很好的支持。

信息咨詢服務平臺

北京理工大學科技園正在建立經濟、政策、科技、市場咨詢服務等信息服務平臺。通過平臺可以為入駐園區的企業提供有關國家經濟政策、科技發展及潛在市場需求等方面的信息咨詢服務。根據企業產業領域的不同，每日為企業發送不同內容的《中小企業快訊簡報》，從而為企業的創辦提供有效的市場信息，幫助企業做好市場定位。

科技型中小企業通常擁有技術優勢，卻往往缺乏把握市場、將技術優勢轉換為市場優勢的能力。而這種市場能力的缺失，正是許多科技型中小企業走向末路的真正原因。針對這種現象與危機，為了幫助企業解決市場方面的部分難題，北京理工大學科技園將提供信息服務與咨詢。

北京理工大學科技園將針對園區內現有企業所在行業，將行業進行分類，收集各行業、子行業的信息，然后與各行業內的權威的信息、市場調研機構建立合作關系，通過這些機構的可靠的市場數據和信息，再經過平臺工作人員的整理、加工和統計分析，為企業提供準確的行業信息。行業分析報告將覆蓋園區內所有企業所在的行業。如汽車電子行業、生物醫藥行業、精細化工行業以及信息技術行業，同時還要兼顧分析報告的時效性以及全面性。

在時效性方面，科技園與園區內的企業合作，了解企業的具體需求，在此基礎上，購買企業所需的行業分析報告。通過為園區企業提供其所處行業的市場規模、市場潛力、投資回報、競爭狀況、客戶購買習慣等方面的信息，可以使企業了解本行業、公司技術等方面的發展現狀與發展前景，為企業做出正確決策，確定明確的發展目標，提供專業的理論依據，從而避免企業盲目投資，在不了解市場的。情況下就把新產品投向市場。北京理工大學科技園所提供的行業分析報告，具有量大面寬的優點。期望通過提供專業化的市場咨詢服務，提高園區科技型中小企業的市場競爭力、提高園區企業的創業成功率。

企業診斷服務平臺

北京理工大學科技園在對自身服務體系清楚認識的基礎上，借鑒國內科技園區的建設經驗，提出以建立“科技型中小企業評估系統”為突破點，從企業診斷入手，建立以人力資源服務體系、市場服務體系、技術服務體系、企業管理服務體系、投融資服務體系為核心的創業園創業公共服務平臺。

北京理工大學科技園組織有關專家建立了科技型中小企業評估系統。目前正在使用與修改過程中。通過科技型中小企業評估系統，可以為高科技中小企業及時診斷企業弊病，促使提高企業運營素質，使企業能夠健康發展。同時，也可以為外部投資者投資、金融機構資信評估提供依據；為北京理工大學科技園建立企業信息庫提供原始數據。為深入了解和分析企業提供基本依據，從而提高自身服務水平。增強創業服務能力。

創業培訓服務平臺

科技園將根據企業的需求加強培訓方面的服務，建立創業培訓服務平臺。企業在成長和發展過程中會遇到各種各樣的困難和問題。舉辦有針對性的講座和培訓活動對他們的發展將起到一定的促進和指導作用?？萍紙@采用視頻教授與現場互動的方式進行培訓活動。一方面收集、整理有關知名專家關于創業培訓方面的視頻教材，組織企業統一學習；另一方面與專業培訓機構進行合作，邀請專業的創業導師進行現場互動及答疑。針對初創的科技型中小企業在人力資源、財務管理、技術管理、市場開拓等方面遇到的困難和問題。通過培訓過程中的學習、互動、交流，將會有效提高企業創業者和管理者的整體素質。通過多媒體手段的培訓。將吸引更多的企業來參與到培訓的過程中，從而擴大培訓的受益面。

生物醫藥共享實驗室平臺

科技園依托北京理工大學的學科、人才、實驗室設備等優勢，與學校的生命科學與技術學院共同建設了生物醫藥共享實驗室服務平臺。建立了一套通過實驗室管理公司對平臺進行企業化和專業化運作的管理模式，進而形成一套規范化、標準化的實驗室服務平臺創新體系。

通過該平臺，企業與學校的教授、學者、學生進行了實實在在的溝通與合作。因此借助該平臺，更多的企業受益于學校的科研力量。也更加了解北京理工大學以及生命科學技術學院，他們也更為關注學校的發展與建設；學校與企業接觸得更多，很好地宣傳了自己。同時也了解到企業對技術、人才的關注點，并且這些意見納入到教學與科研中。雙方的交流與合作明顯增多，解決了企業在實驗設備、經費、人力、經驗等方面的難題，改善了企業的研發環境。

汽車電子技術測試平臺

汽車電子技術測試平臺主要是通過借助學?，F有的技術和設備，發揮北京理工大學在車輛及電子技術方面的技術和實驗室設備優勢，聚集中關村地區已有的汽車電子領域的企業與試驗設備資源，逐漸建設一個網絡化的區域的汽車電子技術測試平臺。提高這一測試平臺吸引汽車電子技術企業入駐理工留學人員創業園，形成創業園的專業特色。

繁綠葉，襯紅花

科技園以服務為宗旨，追求高效務實的工作作風，致力于為入駐企業搭建創業平臺，落實政府專項政策，創造和諧創業環境；為企業提供了各種創業服務，支持和促進企業健康快速發展。優越的地理環境，使得各類創業服務機構薈萃于此，繼而提升了園區創業服務綜合能力。地處園區內的海淀人才交流中心、中海源產權經紀公司等中介機構，以及各類咨詢公司、策劃公司、產品設計公司、會計師事務所、律師事務所、證券公司、資產評估所、測試中心、人才培訓中心、信息網絡中心等服務機構，為園區企業提供多方位的綜合創新服務。

良好的創業環境吸引了大批優秀的高新技術企業入駐。國內良好的創業環境也吸引了越來越多的海外學子回國創業。面對眾多的創業人員，理工創業園一方面認真幫助他們解讀政府專項政策，解決他們遇到的各種創業難題；另一方面，科技園認真篩選?；垩圩R英才，優先吸引市場潛力大的企業入駐，并為這些“好苗”提供更為良好的創業環境，重點關注他們的發展。企業在發揮各種自有優勢的同時，理工科技園也利用各種機會加大對他們的宣傳力度。推動企業的壯大發展。

北京尤邁克流體工程技術有限公司是由旅居比利時的流體力學專家康順博士創立的外商獨資高科技企業。企業法人

代表康順博士在國內流體工程技術領域是知名專家。曾入選中國科學院《百人計劃》，在國內多所高校擔任兼職教授。公司擁有的核心技術――計算流體動力學方法及其軟件，屬于國際一流水平，其中公司研發、應用和推廣的Fine系列CFD軟件是國際葉輪機械領域內，用于流場分析和部件設計最先進可靠的軟件。利用理工科技園所擁有的服務平臺與條件平臺優勢和便利條件，使得公司的創業團隊一直都致力于研發和應用國際上最先進的計算流體動力學技術，促進流體動力學技術在中國流體工程推廣應用，并努力為中國流體工程領域的產業研發具有自主知識產權的產品。目前該公司已經在航空、航天、兵器等部門完成了多個項目，獲得了好評，企業正在穩步發展。

北京聯星科通微電子技術有限公司2004年10月成立。由從事衛星導航技術、集成電路設計和應用研究多年的高級專家組成，研發和制造擁有自主知識產權的多系統衛星定位導航終端芯片和嵌入式軟件。聯星科通制造的GPS/GLONASS雙系統衛星定位導航接收器芯片和主機板為國內首創，填補了該領域無國產芯片的空白，并突破了國外產品性能上的限制，現已形成批量生產能力和系列化產品線，應用于我國測繪、航天、航空等專業領域，高動態性能是其突出特點。聯星科通自2004年以來，先后三次承擔了國家“863”計劃超大規模集成電路專項“多系統衛星定位導航終端芯片”的課題，并通過了專家組的鑒定審查。同時也承擔了北京市工業發展資金技術開發項目等多項課題和任務。SR8824芯片作為國家重大科技成果，參加了2005年底在北京舉辦的“國家‘十五’重大科技成就展”。2007年5月成功舉辦了2007導航產品會，多家媒體競相報道。

游戲風雷(北京)科技有限公司是由留學歸國人員葉展、葉丁兄弟共同創辦的高新技術企業，致力于開發“基于視頻識別的手機游戲動態監測引擎”，是具有國際先進水平的專用軟件開發項目，產品面向特定應用領域的軟件生成環境與工具套件，是國家科技部2007年重點支持的軟件產品中的支撐軟件類。葉展先生是美國留學歸國的留學人員，從1995年開始進入中國游戲業從事開發和游戲媒體工作，曾發表過多篇論文，2003年與他人合作撰寫中文游戲創作《游戲設計與開發：理論與實踐》一書。2004年創建了中國唯一的游戲開發者雜志《游戲創造》。葉展、葉丁兄弟二人在眾多國際展會(Game Developers Conference、CHI、SIGGRAPH等)上多次發言并獲獎。葉氏兄弟的作品《條碼戰爭》(Barcode War)成為2007年全球“游戲開發者大會”十四款最終入圍作品之一，也是唯一一款來自中國的手機游戲。

集成電路設計學科評估范文第5篇

[關鍵詞]國內圖書館　RFID產品　高頻　超高頻

[分類號]G250.76

1、引言

RFID(Radi0 Frequency ldentification)技術的全稱是無線射頻識別技術，它是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境下。

RFID的基本技術原理起源于第二次世界大戰時期，但由于成本較高，該技術并未很快在民用領域推廣應用。直到20世紀80、90年代，隨著芯片和電子技術的提高與普及，歐洲開始率先將RFID技術應用到公路收費等民用領域。到2l世紀初，RFID迎來了一個嶄新的發展時期。其大量應用于牛產自動化、門禁、公路收費、停車場管理、身份識別、貨物跟蹤等民用領域中，其新的應用范圍還在不斷擴展，層出不窮。目前，RFID已經開始在中國進行試探性的應用，行很快得到政府的大力支持，2006年6月，中國了《中國RFID技術政策白皮書》，標志著RFID的發展已經提高到國家產業發展戰略層面。

2、RFID技術在國內圖書館的應用背景與現狀

RFID技術在圖書館領域也已經有了廣泛的應用，世界上最早在圖書館應用RFlD技術的案例是1998年的新加坡國家圖書館，其在Bukit Batok社區圖書館率先使用高頻RFID來改變傳統借還書的服務模式，取得了一定的成效。而在國內圖書館領域，最早引進RFID技術的是廈門集美大學誠毅學院圖書館，在2006年與廠商合作建設并推出了“RFID智能館藏管理系統”，成為國內第一家建成具有完善功能模塊并進入實用階段的圖書館RFID綜合管理系統。

圖書館RFID技術的引進初衷是為了代替傳統的條形碼技術。RFID標簽相對條形碼具有存儲容量大，讀取距離遠，能多標簽同時讀寫等顯著優點。但從目前的應用現狀來看條形碼并不能被完全取代，一是由于現在的大部分圖書管理系統依然使用條形碼信息來與圖書進行關聯，因此RFID標簽也必須先與條形碼信息關聯后才能投入使用；二是出于數據信息完整性與安全性的考慮，RFID標簽相對條形碼是一種新技術，未經過長時間的考驗，假如發生標簽損壞或丟失的情況，那么在取消條形碼的情況下圖書就無法與圖書管理系統關聯，會造成比較嚴重的后果。

在這樣的背景下圖書館引進RFID技術主要是出于如下幾方面的考慮：

2.1　改進服務模式

RFID實現的自助借還、自動分揀、智能盤點理架等服務能很大程度上提升館員的工作效率，雖然新技術的引進并不一定能節省人力，反而可能會增加大量的盤點理架等工作，但是館員由傳統借還書、圖書分揀等環節抽取出來的時間可以從事更多其他服務，例如參考咨詢與學科服務，可以說這是一種服務觀念與模式的轉變。

2.2　方便讀者，增加人氣

依靠館內的自助設備，公共圖書館的街區自助設備，讀者可以更方便的借還圖書，不需要再在人工借還臺排起長龍；精確的圖書定位系統，使得查找圖書更為方便；新技術的引進帶來人氣的提升，從深圳圖書館的實例可以看到，引進RFID設備后到館人數比原來增加了6－8倍，外借數量增加了5－7倍。

2.3　更深層次的應用

RFID技術其實遠不止目前所開展的這些基礎應用，還有巨大的潛力有待挖掘，例如個性化學科書目推送，合理排架與剔舊，圖書位置的精確定位，圖書館資產管理等等，只有不斷挖掘新需求與開發新的應用，RFID技術在圖書館才能具備長久的生命力，從而提升整個圖書館的人文理念與服務水準。

據不完全統計，截止到2011年3月，國內已經有近70家高校與公共圖書館正式啟用了RFID系統與設備，這一數字還在不斷增加中，可見RFID在圖書館的應用是大勢所趨，但在正式應用之前還是應該做好詳細的分析與調研工作，從而確保比較好的投資回報率。

3、國內圖書館RFID產品應用調研

3.1　RFID廠商調研

目前國內圖書館領域的RFID廠商有以下類型：

國內市場占有率較大，同時具備標簽生產及設備集成能力的廠商：上海阿法迪智能標簽系統技術有限公司(以下簡稱“阿法迪”)，深圳海恒智能科技公司(以下簡稱“海恒”)，深圳市遠望谷信息技術有限公司(以下簡稱“遠望谷”)，美國3M公司等。

只生產RFID標簽、芯片、讀寫器的廠商：廈門信達匯聰科技有限公司，上海真灼電子技術有限公司，UPM芬歐藍泰，上海貝嶺股份有限公司，上海華虹集成電路設計公司，江蘇瑞福智能科技有限公司等。

只做RFID設備集成的廠商，國內市場占有率較小的廠商：東莞市樹煜智能圖書設備科技有限公司，上海希華通訊科技有限公司(香港HKC子公司)，寧波博一格數碼科技有限公司，武漢飛天智能工程有限責任公司，上海博鎂訊智能技術有限公司，法國TAGSYS公司(與海恒合作)等。

3.2　RFID產品工作頻率概述

通常情況下，RFID標簽天線的接受頻率以及閱讀器發送的頻率稱為RFID產品的工作頻率。RFID產品常見的工作頻率有低頻125kHz與134.2 kHz、高頻13.56 MHz、超高頻433Mhz、860MHz－930MHz、2.45GHz等。目前大多數圖書館RFID設備供應商如阿法迪、海恒、3M等選擇13.56MHz頻段高頻技術，少部分圖書館RFID設備供應商如遠望谷等選擇900MHz頻段超高頻技術。

高頻技術與超高頻技術的不同特點使得其在圖書館的應用各有優勢與劣勢：高頻的優勢是穿透非金屬的能力強，技術比較成熟，供應商可選擇的多，實際使用的圖書館也比較多；缺點是由于工作原理所限，標簽的尺寸較大，隱蔽性不夠，安全性較差，讀寫距離近，標簽價格偏高。超高頻的優勢是標簽尺寸較小，隱蔽性、安全性較高，與高頻相比讀寫速度快，讀寫距離遠，標簽價格低；缺點是由于讀寫距離遠造成讀寫范圍較難控制，容易造成誤讀，抗干擾能力弱于高頻，供應商選擇較少。

從特性上分析高頻與超高頻在圖書館的應用孰優孰劣仍然沒有定論，圖書館應當在經過周密的調研，分析與測試后才最終選擇最適合自己的頻率。

3.3　國內圖書館RFID產品應用調研

筆者對截止到2011年3月已經正式使用了RFlD產品的67家圖書館進行了相關的調研工作。

其中公共圖書館(包括專業館)47家：包括深圳圖書館，國家圖書館，上海圖書館等。高校圖書館20家：包括集美大學誠毅學院圖書館，北京理工大學圖書館，

香港大學圖書館等。具體如表1所示：

如表1所示，目前國內圖書館應用RFID技術的公共館數量遠高于高校館數量，從調研結果看為47家對20家，并不是高校圖書館對于新技術的應用不熱心、不關切，筆者覺得可能的原因有如下4點：

?經費預算存在差異。公共圖書館對于新技術的資金投入以及財力要大大優于高校圖書館，因此新技術也能應用實施的較快。RFID標簽目前的成本為1―2元人民幣一張，假如圖書館所有圖書都進行標簽轉換，那么就是幾百萬的費用，加上各類設備的費用，對于高校圖書館無疑是一筆巨大的開銷，高校在做項目預算的時候肯定也會有所顧慮。

?技術的成熟度。RFID雖然已有比較廣泛的應用基礎，歸根結底依然是比較新的技術，在技術成熟度上還存在不少問題，比如在抗干擾性、安全性等方面都有顯著缺陷。公共圖書館對此不太在意，等技術成熟了可以再更換產品；但高校圖書館對于新技術的引進及應用相對嚴謹，需要經過一段較長時間的調研和測試，證明該技術應用不存在重大問題后才會展開進一步的計劃。

?應用成效的考慮。公共圖書館利用RFID產品主要進行自助借還等基本流通操作；而高校圖書館對于RFID的投資回報，RFID對圖書館服務管理模式帶來的變革及可能的拓展性應用等問題研究的更深入，簡單的自助借還減輕人力并不能成為上馬RFID項目的理由，高校圖書館更關注于RFID技術能夠帶來更多的服務成效，例如與學科服務的結合從而提高讀者體驗與服務水準，因此在投入應用上更為審慎。

?服務模式不同。公共圖書館面向的讀者范圍較廣，目前主要還是以紙質資源的借還為主，因此應用RFID技術實現的自助借還等功能存在很大的需求空間；而高校圖書館目前服務的主心骨已經不再是紙質資源的服務，而是把重心調整到電子書。電子文獻、期刊檢索，學科咨詢服務等方面，因此RFID的一些基礎應用如自助借還等對于高校圖書館來說不具有很強的吸引力。

4.1　頻率選擇分析

在參與調研的所有67家圖書館中，使用高頻的圖書館數量為43家，占總數的64.2％；選擇超高頻的圖書館數量為24家，占總數的35.8％。公共圖書館中選擇高頻的有35家，選擇超高頻的有12家，百分比為74.5％對25.5％；高校圖書館中選擇高頻的有8家，選擇超高頻的有12家，百分比為40％對60％。

從調研結果中可以看到高頻技術占據了國內市場的主力，而且廠家眾多，發展時間較長，技術較為成熟；而超高頻屬于后起之秀，目前只有少數幾個廠家力推，國內占有量從當前來看遠不及高頻廠家。在公共圖書館領域高頻的占有率更是遠遠超過了超高頻，但是在高校圖書館領域我們可以發現超高頻占據一定的優勢，這可能由如下三個原因決定的：

?安全性：由于工作原理的不同，超高頻標簽的體積可以做的很小，像磁條一樣粘貼于圖書的書脊或夾縫里；而高頻標簽由于體積過大，只能貼于書頁上。因此超高頻標簽的隱蔽性明顯強于高頻標簽，不容易被讀者發現并撕毀，因此在相對更注重安全性的高校圖書館領域，超高頻標簽更受歡迎；公共圖書館也會考慮安全問題，但不像高校館這么看重圖書的丟失率，而更看重書籍的借閱量，高頻標簽的抗干擾性更強、技術更成熟，不失為一個穩妥的選擇。

?標簽成本問題：當前超高頻標簽的價格大大低于高頻，價差幾乎達到了一倍，對于上百萬冊圖書來說就是上百萬的費用差別，因此對經費預算相對不算寬裕的高校圖書館來說，超高頻標簽性價比更高；對于公共圖書館來說，經費預算相對充足，因此選擇技術更為成熟，問題少些，產品更為豐富多樣的高頻標簽及技術也是合乎常理的。

?未來的潛力與發展：高頻技術相對較為成熟，但已經被研究的比較透徹；而超高頻技術由于讀寫距離可控、應用到圖書館的時間較短，具有更強的發展潛力。很多高校圖書館無疑是看中了這一點，對于未來的應用場景有著比較美好的規劃與憧憬，因此只有超高頻技術能夠滿足他們的需求；公共館則相對更為現實，以目前的RFID應用功能來說高頻技術已足夠勝任。

在頻率選擇確定后，意味著數十萬甚至數百萬冊圖書標簽類型的確定，這是一筆相當大的投資，而且一旦確定后就不可能再次更改，所以圖書館在做出選擇的時候不僅要考慮當前的應用，還需要對未來所可能開展的應用做出相應的評估，從而決定適合自身的應用模式。

4.2　產品應用分析

從應用模式來看，大部分圖書館仍保留了原來的圖書管理系統，圖書管理系統通過NCIP或SIP2接口的方式與RFlD廠商提供的系統互連，從而保護了自己的投資且不至于使傳統業務流程模式發生太大的變化。

4.2.1　產品應用現狀　不管是高頻還是超高頻，圖書館使用的不同RFID廠商的產品功能與特點都大同小異，基本的產品包括：自助借還書設備，館員工作站，圖書分揀設備等；也有少量圖書館使用了智能書車、智能書架、全自動閉架書庫系統等當前較為先進的RFID應用產品?？傮w來看目前RFID應用仍然集中在圖書館傳統流通業務上，使用機器代替或簡化了人力操作，并未有更深層次的應用出現。

4.2.2　應用模式的區別　從表1可以發現公共館與高校館產品應用的模式有所不同。

公共館有RFID自助辦證機，自助繳費機，使用新的RFID讀者借書證，但從個人隱私保護的角度考慮，RFID讀者證可以記錄讀者信息，因此在使用RFID讀者址的情況下如何保護讀者隱私不泄露是個值得研究的課題。而高校館基本都選擇保留原有的讀者證，一方面是使學生不至于有攜帶多張卡片的麻煩；另一方面高校往往采用統一的校園一卡通認證系統，因此改變原有模式是不太現實的。

公共圖書館有24小時街區RFID圖書館，使居民無需前往圖書館，在街區即可借還圖書；高校圖書館的特點是只服務于學校師生，因此會在學院或食堂等人流量較大的場所放置移動書亭，進行學科書目的推送，從功能上來講與街區圖書館類似，但服務的目的與側重點顯然有所不同

4.2.3　新產品的應用趨勢　公共館應用的一些新產品，例如智能書車、智能書架、立體分揀等有很多是高校館尚未引進使用的，由于這些新產品成本過高，所以高校交館在看不到比較好的投資回報率日經費預算不充足的情況下不會貿然花大價錢引進這些新技術。不過也有一些高校館例如北京理工大學就自主研發了RFID全自動閉架書庫、全自動光盤庫等產品，與廠商合作利用這些新技術為其圖書館建造了全自動閉架書庫。在科研能力上高校館并不弱于公共館，因此很多新想法的涌現與新技術的實施率先在高校館中開展也是比較常見的。

相信隨著時間的推移RFID的巨大潛能會隨著新應用的層出不窮而不斷被釋放出來，從而真正實現圖書館智能化的目標。

5、問題分析與探討

5.1　圖書館需求難以得到滿足

現在國內的RFID領域是廠商主導市場，一般廠商

提供成型的產品，只會根據圖書館的個性需求對軟件進行改動，而不會做大的調整。廠商根據自己想法所設計開發的產品顯然不能完全滿足圖書館的需求，這就造成了圖書館“被動選擇”的局面，只能被迫接受自己所并不滿意的技術與產品。例如汕頭大學圖書館發生過學生用撿來的卡在RFID自助借還書設備上使用的事件，很多自助設備上沒有足夠的空間放置多余圖書，這些都是廠商在設計產品時對于實際應用需求不了解、考慮不周的情況。

圖書館需要“主動選擇”，將所有的需求明確并反饋給廠商，廠商根據圖書館提出的需求來開發并設計產品，這才是正確的應用模式。上海交通大學、清華大學、香港城市大學三家圖書館為此成立了一個高校圖書館RFID技術應用聯盟，明確圖書館之問劃于RF]D標簽、讀寫器以及應用設備的共同需求和規范，從而制定統一的、共同的需求，各個圖書館也可以提出自已個性化的需求，和廠商簽署合作協議，成立研發基金或研發實驗室，建立起“產學研用”的機制，從而得到圖書館真正需要的技術與產品，進而推動RFID技術在圖書館獲得最佳應用，不斷提升服務品質和模式。

5.2　現有技術的融合與兼容

RFID技術本身還存在不少固有的缺陷，比如陜西省圖書館指出高頻RFID標簽而積大、隱蔽性較差，集美大學誠毅學院圖書館指出RFID多標簽識別時存在互相干擾，武漢圖書館指出RFID設備的抗干擾能力較差，這些問題是目前的技術所無法解決的，但可以揚長避短，充分發揮高頻與超高頻技術的特長

一款特定標簽或改備并不能包打天下，所以最理想的應用模式是根據不同的應用場景來選擇對應的技術，要求廠商按照不同場景設計最適用的標簽與應用設備。比如一本圖書上同時安裝高頻標簽與超高頻標簽，自助借還、門禁檢查時發揮高頻抗干擾強的優勢，自動分揀、盤點理架時又可以發揮超高頻讀寫距離遠的優勢。這就要求標簽與設備分離開來，無論是高頻標簽或超高頻標簽，讀取到的數據通過中間件傳遞到統一的后臺系統，使得高頻與超高頻設備能夠兼容混用，各種設備設計時遵循統一標準、開放接口，使互通互用成為可能。如此不僅規范了RFID產品市場，且打破了廠商壟斷的格局，使圖書館的產品選擇更趨多樣性，對于RFID的技術進步起到了積極的促進作用。

5.3　服務模式的變革

RFID技術的應用對圖書館服務模式是一次變革，許多傳統的業務例如借還書、分揀、盤點都可以被機器設備所取代，因此如何利用RFID技術更好地改進圖書館的服務模式、增強讀者體驗是當前迫切需要研究的課題，但是很多圖書館并沒有意識到這一點，只是單純為了節約人力或者“趕時髦”而引進RFID技術。

可以利用RFID技術的智能化、自動化來打造一個智慧圖書館的理念。從讀者角度來說，從進館開始就進行身份識別，自動將其預約的書籍推送到書架，并在熱門書架上推薦他感興趣的書目，使用手持終端即可進行三維立體的圖書查找與定位；從館員角度來說，從傳統流通業務中解放出來，開展學科服務與咨詢服務，在各種利用RFID技術的服務中思索與探究如何使讀者獲取更佳的體驗。如此的理念將使圖書館的服務模式發生巨大的變化，這樣才能充分釋放出RFID技術的應用潛能，獲得最佳的應用成效。

5.4　圖書館間的知識互通

現在大部分應用了RFID技術的圖書館的圖書，都不存在互通性，也即不存在通借通還的可能性，這是RFID市場技術壟斷所造成的。

圖書館之間應該聯合起來制定或推行標準規范，將數據模型標準化，所有圖書館使用的標簽格式統一，可以互相讀寫，使用類似“所屬圖書館代碼”的字段來標識本館信息；要求廠商按照標準規范來生產設計RFID標簽與產品。這樣才能實現不同館之間圖書的自由流動與館際互借，有利于資源共享、知識共享，達到資源開放獲取的目標。