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坎特伯雷大学与科技公司MARS,生物3D打印技术有望服务精准医疗

发布时间:2020-04-04 04:38编辑:概况浏览(162)

    发布时间:17-04-27 11:56分类:行业资讯 标签:生物医疗防护服,资讯 摘要:在现在高科技时代,生物与医疗相结合已经成为了一种新兴的医疗方式,它将工程学与医学结合,可以帮助患者得到更好的提高健康水平的生活质量。 生物医疗是个交叉学科,与生物工程密切相关,其主要特点是将工程学的方法应用到医学领域中。它将工程技术与医学相结合以提高医疗水平,帮助患者得到更好的照料以及提高健康个体的生活质量。研发是生物医学工程师工作的主要内容,它覆盖一个非常宽广的领域:生物信息学、医学图像、图像处理、生理信号处理、生物力学、生物材料、系统分析、三维建模等等。生物医学工程的应用实例有生物兼容的假体(prosthesis)、医疗器械、诊断设备、MRI 和 EEG 这样的成像设备以及医用药品。设备品种: 通常生物医学系要对医院使用的医疗设备进行校正以及维护,除非这些设备需要根据保证或者维护合同规定需要外部公司进行维护。所有的新进设备都要进行完全的测试,也*是说每行软件代码都要运行一遍或者每种可能的设置都进行测试和检验。大多数设备都将这个测试过程设计得简单又精确。许多生物医学设备需要进行消毒处理,但是这会带来一些特殊的问题,因为大多数消毒技术都会带来机器或者材料的损坏。大多数医疗设备或者自身是安全的,或者已经添加了其它的设备或系统以检测可能的故障,并且在出现故障的时候将系统关闭或者切换到不可使用的安全状态。一个典型的基本要求是在它的生命周期中任何时候任何单个的故障都不能使治疗过程变得不安全。参见安全工程中关于设计安全系统的过程的论述。成像技术,如 MRI、X射线、CT、PET扫描以及PET-CT 扫描 通常都是医院中*复杂的设备。在X射线之后发明的新设备有起搏器、infusion pump、心肺机、透析机、诊断设备、人工器官、移植以及*进的弥补术。【注】凡需购买北京熙缜隆博环保科技有限公司产品的客户,我们都将为您提供放心的售后服务。来电可致010-68940148咨询。

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    西门子是全球历史最悠久的电子电气类公司。成立于1847年的西门子,至今已有172岁的高龄。但是,这家百年企业仍然像身强力壮的小伙子一样,在多个领域占据着举足轻重的地位。

    原标题:生物3D打印技术有望服务精准医疗

    新西兰的研究人员取得了3D扫描领域的最新发展,可以显著地为未来的医疗保健做出贡献。他们正在研制专为生物成像设计的扫描仪。在一项名为MARS计划的联合举措中,一组研究人员正在开发一种光谱分子扫描仪,该扫描仪能够生成人体内的彩色图像,包括骨骼和软组织。

    21世纪数字成像技术的出现给我们带来优异的诊断功能、图像存档以及随时随地的检索功能。自20世纪70年代早期医学成像数字技术出现以来,数字成像的重要性得以日益彰显。半导体器件中混合信号设计能力方面的一些新进展,让成像系统实现了史无前例的电子封装密度,从而带来医学成像的巨大发展。同时,嵌入式处理器极大地提高了医疗图像处理和实时图像显示的能力,从而实现了更迅速、更准确的诊断。这些技术的融合以及许多新兴的电子健康记录标准为更为完善的病人护理提供了发展动力。本文将介绍不同成像方法电子设计存在的诸多挑战和一些最新动态,具体包括数字X射线、磁共振成像(MRI)和超声波系统。数字X射线系统传统的X射线系统使用一种胶片/屏幕装置来检测发射到人身体的X射线。然而,探测器系统中的数字X射线信号链包含一个照片探测器阵列,该探测器阵列将辐射转换成电荷。其后面是一些电荷积分器电路和模数转换器(ADC)电路,以数字化输入。图1显示了一个典型数字X射线系统结构图的例子。

    西门子身上贴着多个标签,它是全球最大的电气行业巨头、世界知名自动化巨头,也是全球医疗器械巨头……其中,西门子之所以能在医疗器械领域扬名立万,其子公司西门子医疗(Siemens Healthineers)功不可没。

    今年10月,广州迈普公司开发的新型颅颌面修补系统获得国家药监局批准,这一高端植入类创新医疗器械产品,已在全球60多个国家和地区的医院使用,彻底颠覆中国医疗产品“低端低价”的形象。

    坎特伯雷大学的Anthony Butler教授说:“这种光谱分子成像技术是下一个大型医学成像的创新,这些3D图像将为临床医生提供目前在CT、MRI或PET扫描中不可能获得的信息。这种扫描仪的功能将能够更好地诊断和监测许多疾病,并将为患者带来更好的结果,特别是在中风预防、关节置换和癌症治疗方面。”

    图1:数字X射线系统结构图示例

    西门子医疗还是西门子旗下最赚钱的子公司,毛利润达到了19%。2019年第二季度,西门子医疗当季营收为35.05亿欧元,上年同期为32.26亿欧元。其中,影像业务营收21.37亿欧元,诊断业务营收10.18亿欧元,先进治疗业务营收3.91亿欧元。当季净利润3.81亿欧元,上年同期为3.08亿欧元。

    广州迈普再生医学科技股份有限公司,是中国首家应用生物3D打印技术开发植入医疗器械、开展精准医学服务的高新技术企业。在这家企业的展厅,记者看到了我国研发的全球首个生物3D打印人工硬脑膜产品,看上去像一片薄纸巾,却是一种可降解的新型材料,用于替代开颅手术需要的脑膜。

    目前,坎特伯雷大学与科技公司MARS Bio-Imaging、奥塔哥大学就该项目进行合作。奥塔哥大学的基督城校园是三维扫描仪的初步概念验证试验网站,该网站主要由坎特伯雷研究人员开发。MARS Bio-Imaging公司成立于2007年,在3D扫描领域已经建立了良好的声誉,并将负责营销和销售新型MARS扫描仪。

    数字X射线系统性能与积分器和 ADC 模块的噪声性能密切相关。为了在低功耗条件下获得更高的图像质量,某个系统中支持大量信号通道所需的电子集成程度为技术的创新设定了一定的标准。正是由于组成探测器系统的许多高性能模拟组件以及执行高级图像处理任务的嵌入式处理器,X射线系统才拥有了许多相对于传统X射线系统的优势。这种组合支持更大的动态范围,从而可以获得更好的图像对比度和更低的患者X射线辐射水平,同时产生可电子存储和传输的数字图像。超声波系统超声波系统的接收通道信号链包括低噪声放大器(LNA)、可变增益放大器(VGA)、低通滤波器(LPF)和高速高精度ADC。紧跟在这些组件后面的是数字波束生成、图像和多普勒处理以及其他信号处理软件(请参见图2)。

    西门子医疗于1986年成立,已走过120多个年头。成为百年企业是所有企业的共同梦想,只是这条梦想的道路往往充满荆棘,难以抵达。西门子医疗是怎样走过绝大多数企业都没能走过的漫长岁月,在众多竞争对手中脱颖而出,保持长盛不衰的发展劲头的呢?为了试图回答这个疑问,动脉网特此梳理了它的重大发展节点和关键产品矩阵。

    从1989年我国第一台国产核磁共振成像扫描机诞生,到如今,中国已成为全球医疗器械的重要生产基地,占全球医疗器械市场约16%市场份额。

    据了解,该3D扫描仪在许多方面与标准的基于X射线的CT系统相似,但是极大的改善了空间分辨率以及彩色成像。在重要性方面,MARS实现了从黑白到彩色3D扫描的转变。

    图2:超声波系统结构图示例

    百年不老传奇与N个第一

    近年来,我国通过加快创新医疗器械审评审批,加强自主创新研发,突破一批进口垄断技术,实现了对进口厂商技术封锁的突破,逐步实现进口替代,降低患者诊疗费用,惠及于民。

    该扫描仪使用两个Medpix3探测器,这些探测器以110微米的间距连接到高Z传感器,每个像素8个能量箱和2 ms帧读数。这些能够区分样本中的密度和原子变化。密度决定了图像的亮度,原子结构决定了颜色。扫描仪的X射线源为1a 20 kVp,带螺旋扫描模式的是350μAX射线源。

    信号链组件的噪声和带宽特性定义了系统的总性能上限。[1]另外,在耗散更低系统功率的同时,需要在更小的区域内集成更多的高性能通道。典型的手持式超声波系统可能具有约16到32条通道,而一些高端系统可能会有128条以上的通道,以获得更高的图像质量。要减少占用全部这些阵列通道的印制电路板(PCB),重点是在模拟前端IC中集成尽可能多的通道。总系统功耗是手持式系统的另一个重要性能指标。直接将接收端电子器件集成到了探针中是创新的另一个方面。这样做有助于缩短探针中低压模拟信号源与LNAs之间的距离,从而减少信号的损耗。集成会进一步增加探针件数目,从而增强3D成像。除了这些模拟信号链考虑因素以外,高性能、低功耗嵌入式处理器还能够比以前更快速、高效地完成便携式设备的波束生成和图像处理任务。如欲了解典型MRI通道模拟信号处理链的例子,请参见图3。

    超声波实时扫描仪一直是医学影像领域不可或缺的设备,被广泛地应用于心脏、盆腔、腹部疾病和神经外科领域。X光机被医学家用于疾病诊断、治疗和防护领域。这两类设备都对医学领域有着重大的意义。巧合的是,这两项历史性的发明正是来自同一家公司——西门子医疗。

    一种辅助神经外科手术的仪器,利用医学影像检查结果,如同地图指引,精度在1毫米以内,为脑部肿瘤、中风等患者带来了福音。“对于人体部位的重要功能组织,仪器可以精准指引在手术中避开。”深圳安科高技术股份有限公司董事长朱黎明介绍,目前,在国内三甲医院的神经外科手术中,这种仪器的使用已较为普遍,有效提高了准确率,从而降低了手术风险。

    据悉,该项目得到了新西兰商业、创新和就业部给予的1,200万美元的资助。MedTech卓越研究中心也参与了开发,技术巨头GE医疗集团提供了一台高端CT扫描仪,以用于初期研究阶段。

    图3:MRI系统结构图示例

    当然,西门子医疗的成就不仅仅是发明了首台超声波实时扫描仪和X光机。回顾西门子医疗的发展史,我们可以发现,西门子医疗一个多世纪的发展史,也是全球医疗器械和技术的进步史。

    不用胶片,患者一拍完就同步传输到医生的电脑端上。如今,国产的数字化X光机实现了即时传输。相比传统的放射影像系统,数字X射线成像系统利用平板探测器来捕捉图像,缩短了病人暴露在X射线下的时间。

    新型MARS 3D扫描仪的实施将彻底改变外科手术和医疗诊断,与同类系统相比,可提供高分辨率、扫描更快,辐射剂量更低。在边境安全、林业、农业和采矿等其他行业也有潜在的应用。

    全身MRI系统可能有一个多达76个元件或通道的线圈矩阵。另外,低压(LV)模拟输入沿长同轴线缆从肢体线圈传输至模拟信号链前置放大器。当谈到MRI接收信号链时,两个关键随之出现:如何获得高信噪比(SNR)(至少约84dB或14位);如何实现总系统的极高总动态范围(至少150dB/Hz左右)。获得高SNR要求一个超低噪声系数的高性能前置放大器。使用如动态增益调节或模拟输入压缩等创新方案可以达到高动态范围要求。总之,通过增加MRI系统中所用线圈数,既可以获得更好的图像范围,也可以缩短图像扫描时间。线圈数的增加可能会要求对线圈和前置放大器之间的信号通信进一步优化,而使用高速数字或光链路时则要求主系统进一步优化。另外,高集成度会导致不同于目前的系统划分,这可能会将电子器件更靠近于线圈。就这点来说,可能要求半导体IC非磁性封装,并符合更加严格的功耗和面积规定。以上要求成功的实现能使输入信号衰减降低,从而获得更高品质的医学图像。本文小结数字成像是当今医学行业中最为活跃的技术开发领域之一。IC模拟/混合信号功能以及各种嵌入式处理所取得的巨大进步正不断推动其发展。这些技术的出现提高了成像系统的性能,同时也极大地提高了为患者提供诊断和医疗护理服务的质量。参考文献[1] 如欲下载超声波系统的更多详情,敬请访问:。作者简介Suribhotla(Raja)Rajasekhar 现任TI设计工程师,负责提供数字和模拟信号设计的技术指导工作,此外还负责医疗和高可靠性产品事业部新产品的开发。Raja 毕业于印度理工学院(Indian Institute of Technology(Chennai, India)),获技术学士学位,后又先后毕业于约翰霍普金斯大学(Johns Hopkins University(Baltimore, Maryland))和得克萨斯大学奥斯汀分校McCombs商学院(McCombs School of Business at the University of Texas at Austin)分别获硕士学位和MBA。Raja拥有8项个人专利及多项未决专利。他还是TI科技委员会、IEEE 成员并拥有Beta Gamma Sigma荣誉会员入会资格。

    1816年,西门子创始人维尔纳·冯·西门子(Werner von Siemens)出生在德国汉诺威的一个农民家庭中。由于家庭贫困,维尔纳在念完中学之后进入了军队。在军队服役期间,由于跟人斗殴,他被判处5年徒刑。

    常规胸片体检,有时很难发现极小的肺结节,而如果采用CT作为常规检查,辐射剂量是其缺点。朱黎明介绍,目前安科在这一领域的研发工作突飞猛进,将普通CT辅助以人工智能AI,有望降低CT的辐射剂量,代替传统的X光机进行常规胸片体检,这将极大地提高体检的精细度。

    据Butler的父亲、坎特伯雷教授,MARS Bio-Imaging公司首席执行官Phil Butler称,距离交付还有很长一段会时间,但值得期待。当MARS 3D扫描仪最终进入市场时,预计他们每年将为新西兰经济增加5000万美元以上的收入。

    监狱生活并没有打压维尔纳的斗志。为了帮助弟弟妹妹们筹集学费,他在监狱里建设了一个小型电子实验室,并发明了在当时非常领先的电镀镀银和镀金的技术。

    在颈椎、腰椎外科手术中,对医生的技巧和临床经验要求较高。目前,全球只有美国美敦力公司生产的一种仪器,可以让医生在手术中清晰地看到患者的每一根神经。朱黎明介绍,安科目前已经自主研发出这类仪器,即将进入药监部门的注册审批及临床试验环节。

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    早期利用影像学诊断重大疾病,对乳腺癌、肝硬化等疾病获得治疗时机非常有利。与进口设备对比,如今国产设备的图像和测量数据非常精准,甚至更有优势。深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司参与研发的剪切波弹性成像技术,已经广泛用于医院的乳腺临床诊疗,对乳腺癌的良恶性进行鉴别辅助诊断。

    维尔纳·冯·西门子(图片来自西门子官网)

    从市场来看,现阶段我国基层医疗机构的医疗设备配备水平较低、缺口大,面临“更新换代”和“填补缺口”,分级诊疗制度为国内医疗器械厂商带来重要机遇。

    众所周知,维尔纳利用他的电学发明,成立了西门子电报公司。但是严格说起来,维尔纳最早接触到的不是电报业,而是医疗领域。

    从产品研发、审批来看,我国积极探索医疗器械注册人制度试点,打破了此前产品注册和生产许可“捆绑”的审批管理模式,将有利于强化注册人全生命周期责任,鼓励创新研发和持续改进质量。以广州迈普公司开发的新型颅颌面修补系统为例,这是医疗器械注册人制度试点实施后,全国首张获批的第三类医疗器械注册人制度试点注册证。

    1844年,维尔纳将他的一项电学发明Volta感应器用来治疗兄弟Friedrich的牙痛。使用电击的方法后,兄弟的牙痛症状得到了好转。时隔三年后,他成立了西门子电报公司。

    深圳迈瑞医疗中央研发总经理关智勇说,医疗器械行业门槛高,由于专业领域不同,国产医疗器械在国内市场的份额占比有差别,如国产监护设备占六成以上,超声影像类占两成,而血液检验领域只占15%左右。

    维尔纳和医疗的渊源直到西门子电报公司成立半个世纪后才得以延续。1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线。维尔纳敏锐地意识到,X射线势必会对医疗领域产生深刻影响。他开始对X射线进行研究,仅仅一年后,西门子就生产出了第一台用于医疗诊断的X光机。

    关智勇介绍,中国的医疗器械市场规模4000多亿元人民币,而全球的医疗器械市场规模4000多亿美元。从药品和医疗器械人均消费额比例看,中国的药械比大概是1比0.351,远高于发达国家的1比0.98。与国际市场相比,中国医疗器械市场还有巨大的成长空间。

    这台X光机使西门子成功进军医疗领域,名声大噪。

    由于电压不够,西门子发明的X光机只能针对皮肤进行浅表放射治疗。为了使x光机能够进行深度治疗,西门子在1933年推出了用于X光机的旋转阳极管。采用旋转阳极管的X光机可以承受更大的电力负荷,为现代X光机的发展奠定了基础。

    1950年,西门子开发了Betatron电子加速器,实现了深度放疗的关键突破。该装置利用磁场在圆形路径周围加速电子以接近光速,从而首次有效照射深部肿瘤。这项技术被誉为是现代放射治疗的先驱。

    西门子非常注重与优秀的物理学家和科学家开展合作,1953年,西门子与瑞典医生Inge Edler和物理学家Carl Hellmuth Hertz开展医疗合作,成为了首个将超声波技术用于心电图检查的公司。

    如今,超声波技术仍然是心电图检查的标准手段。

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