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定制化芯片如何助力胶囊内窥镜产业的发展?

10月28日,首届南渡江智慧医疗与康复产业高峰论坛在海口市盛大召开。本次大会由海口国家高新技术产业开发区管委会和芯原微电子(上海)股份有限公司联合主办,芯原微电子(海南)有限公司、海口市美兰区人民政府、海口国家高新区国际投资咨询有限公司承办。在此次论坛上,两家胶囊内窥镜厂商负责人CapsoVision总裁Johnny Wang 和深圳市资福医疗有限公司创始人总经理吴良信 以及海交通大学生物医学工程学院钱大宏教授、上海联影智能医疗科技有限公司南大区总监毛亮等业内人士,对于胶囊内镜技术的发展与展望进行了分享。

什么是“胶囊内窥镜”?

所谓胶囊内窥镜,一种体积小,形似胶囊的无线消化道内窥镜,通过使用者通过口腔吞服,借助胃肠道蠕动使之在消化道内移动,并利用其内部镜头拍摄消化道内的图像,图像通过传感器传输到受试者随身携带的一个记录装置上,医生通过查看胶囊内窥镜拍摄到图像,了解受试者的整个消化道的病变情况,从而对其病情做出诊断,操作步骤清晰简便。一般而言,胶囊内镜工作时间在6-8小时,在胶囊吞服后8-72小时内随粪便排出,整个过程无需麻醉,也无痛、无创。同时胶囊为一次性使用,有效避免了交叉感染。

相比之下,传统的胃肠内窥镜,如果无痛则需要麻醉,这会存在麻醉风险。并且传统胃肠镜售价高,属于重复使用的医疗器械,虽然使用前后都会严格消毒,但如果操作不规范,则有交叉感染的风险。

另外,胶囊内窥镜最初问世是为了解决传统肠镜在小肠段检查的不足的问题。由于小肠是人体消化道最长的器官,小肠的疾病发病原因隐匿并且病变部位较深,因此传统的小肠镜检查操作难度大并且检查效果低。与传统的内窥镜比较,胶囊内窥镜将小肠疾病的检出率从30%提高到70%以上,是消化道疾病尤其是小肠疾病诊断的首选方法。

不过,胶囊内窥镜也也存在一定局限性。比如检查存在盲区,所观察到的部位与胶囊的运动轨迹有很大关系。另外被检查者自身因素或受到病变的影响,可能会导致胶囊滞留在体内。胶囊内镜观察质量很容易受到胃及肠道清洁程度的影响,若胃内较多粘液、内容物,肠道清洁不干净,无法清楚观察到黏膜。部分患者因为肠道蠕动慢,或胶囊在胃中停留较长时间,导致没有完成检查胶囊就电量耗尽了。

但总体来说,相对于传统的胃肠内窥镜,胶囊内窥镜凭借简单易用、用户体验好、低成本的优势,近年来市场持续稳步增长。

根据资料显示,胶囊内镜进入中国市场已有10年时间,行业市场规模呈现稳步增长趋势。2015-2019年,胶囊内镜市场的市场规模由7.5亿元增长到10.3亿元,年复合增长率达8.3%。 未来,受消化道疾病早筛普及与渗透率上升、磁控胶囊技术进步、胶囊内镜单颗价格下降以及纳入医保等因素影响,行业规模将持续扩张。数据预测,2019-2024年,国内胶囊内镜行业市场规模将增长至21.2亿元,年复合增长率稳定在15.5%。 胶囊内镜技术壁垒高,市场参与者较少。目前主要有以色列GivenImaging、日本奥林巴斯和韩国IntroMedic等国外厂商,以及金山科技、资福医疗、华冲科技、安翰科技等国产厂商。

360°全景胶囊内窥镜的优势与挑战

胶囊内窥镜企业CapsoVision总裁Johnny Wang指出,最早的胶囊内窥镜是1980年以专利的形式提出来的,到了1990年代末期,随着半导体工艺重大的发展,促进了胶囊药物内视镜的落地。半导体技术所带来的助力主要包括三个方面:第一个是LED体积的小型化,同时使得光源也非常省电;第二个是CMOS图像传感器,比前一代节功耗只有十分之一;第三个是次微米级别的集成,可以提供给第一代胶囊内窥镜需要的胶囊控制功能,以及所需要的算力。

比如,2011年以前的内窥镜是只能向“前”看的,就是镜头只能在前面观察胃肠壁。随着半导体技术发展,随后出现了可以360°观测的内窥镜,同时可以看到整个360°的胃肠壁,很细微的变化都能侦查到。

在此情况下,CapsoVision作为一家早在2006年就在美国硅谷成立的专注于胃肠系统诊断成像的全球医疗器械创新公司,目前已经推出了支持独特的360°全球拍摄的旗舰产品CapsoCam Plus 小肠胶囊内窥镜。

不过,360度全景拍摄,会产生大量的数据,涉及到大量的计算,对于内部的芯片算力和功耗提出了较高的要求。

海交通大学生物医学工程学院钱大宏教授在论坛上指出,支持360度全景拍摄的胶囊内窥镜可以通过装4个摄像头实现,但这带来尺寸和功耗的问题。功耗方面虽然可以通过让胶囊内镜的四个摄像头轮流工作来降低,但这对MCU控制也提出了较高的要求。

另外就是数据传输问题。如果数据的需要通过胶囊内窥镜在人体内时实时的将数据传出,那么这个对于信号频段和功率都有很多的要求。比如,由人体把信号传出来的波段一般是给心脏起搏器,或者糖尿病胰岛素人体内的医疗器械的工具下指令,这个频段通常是官方规定的,并且数据的传输速率是比较低的,并不适合传高分辨率的图片。所以将数据存储在胶囊内窥镜内部,则不会有这样的问题,当然这需要内置大容量的存储,虽然胶囊内窥镜内部空间较小,但这一问题随着半导体技术的演进,已经不再是问题。

上海联影智能医疗科技有限公司南大区总监毛亮先生认为,尽管对硬件要求高,但360度全景拍摄仍非常有必要,因为肠内疾病需要看的更彻底,角度要清晰,要看到位,为避免遗漏病灶,就必须要看清楚。

提及胶囊内窥镜的技术未来发展,Johnny Wang进一步指出,不管是传统的胶囊内窥镜还是360°胶囊内窥镜都有一大难题,那就是成像与距离及实体大小之间关系问题。

因为相对于胶囊内的镜头来说,胶囊的透明外壳的相当于是一个凹面透镜,越近的物体会成像会越大,越远则会成像越小。所以需要通过成像、距离来确定实体病灶的大小。物体的距离、实体放大的倍数是一个很强的关系,大概每差一厘米就会差两倍。比如大肠有30公分宽这个会差很多倍,不知道距离、就是不知道实体病灶的大小,这个实体病灶大小是诊断及医疗处理上面非常重要的参数,因此要求胶囊内窥镜需要有足够高的病灶实体大小检测能力。

Johnny Wang认为,通过在胶囊内窥镜内加入具3D空间影像检测能力的3D结构光传感,不仅可以进行3D成像、空间尺寸测量和重建,还可以测量病灶的大小。可以做非常精确、非常完整、可信性非常高的检测。

磁控胶囊镜有何优势?

对于胶囊内窥镜来说,还可以分为胶囊胃镜和胶囊肠镜。因为胃部是不断的蠕动的,传统的插管式胃镜需要给胃打气,打的鼓鼓的,减少胃蠕动的干扰。使用胶囊胃镜,虽然不需要对胃进行打气,但胃窦、幽门依然都不断的在蠕动,所以要有一个强力的位置控制,才能看得清楚。

海南大学生物医学工程学院院长刘谦认为,胃镜比肠镜更难。肠内的蠕动频率相对较低,使得影像看起来方便。而胶囊胃镜一定要有一个控制,就是磁控的控制,进而可以做到姿态控制。这就需要一个大的磁场,胶囊里面可能还要加陀螺仪进行姿态定位。这也将带来芯片设计、功耗以及固定位置方面的挑战。

深圳市资福医疗有限公司创始人兼总经理吴良信也表示,使用胶囊胃镜时,需要有一个强力的位置控制。由于胃部很大,有几十个部位,如果胶囊没有控制,跟随胃部的不断的蠕动肯定是看不清的,不管你几个摄像头都看不清。这就需要AI进行非常精准的磁控,通常还需要患者躺着来进行配合。

据介绍,成立于2011年的资福医疗,目前已经累计了200多项专利,产品覆盖了200多家医院。目前拥有小肠胶囊镜、磁控胃肠一体的胶囊镜、阅片平台等产品。

“我们产品特点是,胶囊做的非常轻,它的密度跟水的密度一样的,很容易排出体外。操控方面也更加方便,我们镜头自己开发的三镜片的专利镜片,也有一个很好的影像的表现。 10到15分钟可以完成胃部的检查。产品最终会通过一个5G的技术来进行连接资费平台,远程的操控这样可以把中心医疗的资源分配到更加均匀的基层单位。”

在后续产品规划方面,吴良信透露,还将会推出双镜头的产品,控制方法也是从人工控制到后面进行机器人自动巡航AI直控,然后产品会继续往可移动的地方让它更加便捷,AI自动阅片这些方面也会取得一个比较快的进展。

AI技术助力影像诊断

随着360度全景拍摄带来的图像数量和质量的增加,也给医生阅片带来了较大的挑战。但是随着芯片算力的提升以及AI技术的发展,医生不必花半个小时去读小肠的影片,或者花一个多小时去读大肠的影片,依靠人工智能的技术辅助,可以一天做非常多的案例。

毛亮以联影的AI技术为例介绍称,“我们人工智能技术通过上百万的样本训练出来模型,一些提高了我们工作人员的诊断率,包括因为人工智能不知道疲倦,可以提高很多的客观依据,可以发现人眼发现不了的微小病灶,同时也可以在人眼疲倦的时候,也会帮助你不轻易漏掉任何一个病灶,避免医疗官司,提高患者早期筛查。2020年华西的院长教授中央电视台开讲的时候讲了,人工智能的革命给老百姓胃癌早期筛查提高了患者生存率从之前的3mm达到了1mm病灶识别,让早期患者得到了更好极早的诊断跟治疗。”

“人工智能一直在进步,人可以一直学习,人工智能也在学习,现在我们的准确率,从2019年的92%,通过各个医生的反馈,我们现在已经一步步达到了93%、98%、99%,但不管怎样,人和机器都永远达不到百分之百的准确率。”毛亮强调说到。

上海交通大学生物医学工程学院钱大宏教授也分享了AI技术在包括胶囊内窥镜等设备拍摄的医学影像上的最新进展。

“我们现在看到AI医学影像算法技术目前最前沿的是在讨论多模态,因为医生诊断的时候不是只看一种医学影像,而是很多综合一起看的。另外一个就是小数据,因为不可能要求医生手工标注很多数据,所以这个就是无监督的人工智能学习;接下来就是要多中心,做好了之后,一定很多医院可以落地,并且可以达到同样的准确度;再接下来就是隐私计算和人工智能可解释性,对于医生来说,并不满足一个黑盒子给出一个结论,而是要知道AI是根据什么得出的结论。”钱大宏教授强调:“我认为AI算法落地的关键,不光是AI算法本身,更多的是要跟芯片等硬件结合。”

定制化的芯片是关键

正如前面CapsoVision总裁Johnny Wang所提及的,胶囊内窥镜近年来的持续发展的根源是得益于半导体技术的发展。深圳市资福医疗有限公司创始人兼总经理吴良信也表示,在过去20年的医疗创新当中,包括像手术机器人、连续血糖监控、连续的心电监控、数字助听器、植入式神经刺激设备等众多医疗仪器的创新,他们的共同点都是“有定制化的芯片或传感器”,很多都不是市场上直接买到的,而是专门为了这个应用开发的芯片或传感器,定制化芯片是创新医疗的关键。

钱大宏教授在论坛上介绍了一款其帮助国内公司定制的、已经量产的胶囊胃镜全集成的芯片,除了传感器特殊工艺不能集成之外,把ISP、VSP、PM、RF、MCU、Driver、Temp、IMU等众多基于CMOS工艺的功能模块集成进了一颗芯片内,并且还集成了边缘低功耗的AI芯片和病灶识别算法。

此外,钱大宏教授团队还做了血糖连续监控CGMS芯片。据介绍,CGMS难点在于前面的放大器是超低噪声高灵敏度,这个是非常非常难的一个芯片技术。举一个例子来说,几年前的可穿戴设备当中的这个芯片通常大概是5mm×5mm的尺寸,根据我们的需要进行定制之后,芯片可以做到2mm×2mm的尺寸,不仅尺寸更小,同时功耗、成本也更低。这就是集成定制化芯片带来的好处。

钱大宏教授还表示,“接下来,随着Chiplet技术的发展,以后多个小芯片3D封装组合在一起,这个功能系统小小芯片,可以做成植入式的,沿着这个路径下去,以后有源器件也将成为可能。”

不过,做好医疗电子芯片也有一些瓶颈。比如,跟消费类芯片相比,医疗芯片需要拿注册证,甚至比如车规芯片的认证周期都还要长;第二,医疗电子芯片的需求数量少,并不像像手机等消费类电子对于芯片需求的那么大,比如一个手机芯片,一年出货可以达到上千万片,但是医疗芯片可能一年卖不到一万片,所以数量差距是很多个数量级。当然,医疗电子芯片也有一些优势,就是毛利高、产品寿命长、竞争少。

钱大宏教授表示,要想突破前面提及的那些瓶颈,就需要是需要做很多的工作。“比如,首先要去汇总整个医疗产品的需求,然后把这个需求交给芯片设计公司,当中实际上是有一个断层,这个断层怎么办?我们就有一个高校和研究院这个当中起到桥梁的作用,来开发方案结合算法,所以有了桥梁之后我们可以把这个医疗电子芯片瓶颈进行突破。另外,依托非盈利的组织基金会把临床和医疗器械公司需求综合起来,这个也是非常关键的一环。”

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