推广项目可行性研究报告一、概述项目提出背景、技术开发情况、国内外技术发展趋势植入式心脏电治疗装置，如心脏起搏器、除颤复律器、心衰治疗装置等在心率失常和心衰治疗方面有着广泛的应用和发展前景。作为其延伸产物的植入式脑和外周神经刺激器在治疗帕金森病、癫痫、老年痴呆症、镇痛及戒毒等方面也有着诱人前景。心脏起搏器是这类产品的典型代表，目前世界上每年植入人体的起搏器为60万只。据国内2000年统计，我国台湾地区每年的植入数约为9000只，香港地区约为7000只。大陆受经济条件和起搏器工业发展状况的限制，按人口比例植入数较少，1991年为2500台，1994年为4000台， 1999年达1万台，每年递增20%。随着我国经济的发展，我国起搏器每年的植入数肯定会稳步增长。按东南亚人口比例植入数计算，我国的实际需要量将为20万台。 国内市场心脏起搏器的平均售价为2-4万元，即心脏起搏器国内市场现有销售额为2-4亿元/年，按实际需要计算市场容量将为40-80亿元/年。由于中国起搏器市场的巨大潜力，国外各大起搏器公司纷纷瞄准了中国市场，形成了近年来医生们所说的“八国联军进军中国”的形势。目前我国所植入的起搏器中，进口起搏器占绝大多数，国产起搏器（其中关键组件是进口的）占很少份额，且全部是我省宝鸡秦明公司和西航公司生产的。
由于我国目前尚不掌握其核心技术，即关键部件心脏起搏器专用电路依靠进口，在器件来源上，价格及技术水平上都很难承受国外公司的巨大竞争压力。心脏起搏器和其它植入式电治疗装置主要由专用电路、电池、封装外壳和导管电极四部分组成。其中外壳封装工艺和导管电极国产化工作已较好完成，高能高寿命的锂电池仍需依赖进口，不过其成本不太高（70-80美元／块），供货渠道基本畅通，尚未构成国产起搏器的首要矛盾。而最突出的问题是起搏器专用电路的来源。西航生产的低档起搏器采用国产的由分立元件制作的非程控的固定频率按需起搏的厚膜电路。这种技术已远远落后于时代，难于在市场立足。秦明公司近期生产的单腔6程控起搏器采用进口的专用电路，每块电路进口价格为450美元，还必须同时购买其程控器，其组装成本已超过整机进口价格。即使这样，其进货渠道仍不能保证，随时会被卡脖子的危险。为摆脱这种局面，该公司曾花高价在国外购买单腔6程控起搏器专用电路设计版权。但所购买的技术却是过时的硬件逻辑设计，生产成本高，功能不适应技术发展，无二次开发可能。而再要购买较新技术，对方所开出的则是无法接受的天价[1]。总之，陕西的起搏器工业目前在国内虽有绝对优势和巨大潜力，但如在核心技术方面不具有自主知识产权和持续发展能力，必将彻底消亡。
而一旦失去民族工业的抗衡，国内起搏器市场将完全由国外厂商操纵。实际上，国内同行早已意识到这一点。我省从八十年代就开始投入较大人力物力仿制国外起搏器专用集成电路，但由于当时国内微电子工业技术落后，没有达到实用程度。近年来，国内一些省市也在研制程控起搏器电路，其进展程度也不理想。究其原因，我们认为除了投入不足、整体工业技术基础落后等原因外，所采取的技术路线也值得商榷。国外早期生产的起搏器集成电路是按照时序逻辑设计用纯硬件电路搭成，然后集成化做成专用芯片，再配以其它元件构成厚膜集成电路的。国内迄今为止所进行的起搏器电路研制工作和从国外购买的技术都是沿袭这条路线的。这种作法，开发投入的费用很大，风险也很大。采用纯硬件设计，没有任何灵活性，一旦设计有不周到之处，试制的专用芯片就报废重来。简单电路可能一次投片成功，而复杂的程控电路往往需要好几次投片试制。由于其逻辑确定性，一种设计只适合一种类型起搏器，不能兼用于其它起搏器，批量很小，成本很高。这种作法，其财力不仅我国国情难以承担，连西欧国家也承受不了。所以连西欧国家也需要联合开发起搏器专用集成电路。从上世纪90年代起，起搏器的功能越来越复杂，单纯用硬件逻辑已无法满足需要，这就要求利用微型计算机来实现这些功能。
而起搏器电路对功耗、体积和集成度等多方面的综合要求是当时的市售微处理器满足不了的。因此国外新型起搏器电路的设计是采用客户定制的带微处理器的专用集成电路设计，即将微功耗的微处理器内核和外围的逻辑电路乃至模拟电路做成一或两块专用集成电路，再和电容、晶振、干簧管等分立元件一起做成厚膜电路。这种设计功能强，可靠性高，恒定的硬件设计和灵活的编程技术可满足系统功能不断扩展的要求[2]。但这种设计对于我国这样的发展中国家来说，研发费用大、周期长、投资风险很高。事实也说明国家和企业都难以支持这样的研发项目。近年来微电子技术的发展，通用微处理器的功耗不断降低，功能越来越强大。目前在市场上，待机功耗在1微安级，具有A/D，D/A和模拟比较器功能，近乎于一个片上系统（ on chip，SOC）的微处理器已较普遍，电路的封装尺寸也越来越接近芯片尺寸。这就使得我们现在设计起搏器电路不需要遵循国外已走过的路，从设计和制作专用电路入手，而是有可能选用具有SOC功能的微处理器辅以少量的外围器件构成较恒定的起搏器硬件电路。从原理上说，采用这种硬件设计，配合不同的测控模式和软件编程，可以实现现代各种起搏器所需要的所有功能。
至于用软件来实现起搏器的各种功能，我们已有成功的经验和相当的工作基础。这种方案投资少，周期短，风险小。所建立起的开发平台，有助于在我国起搏器的研制方面实现跨越和持续发展，其技术也可以较容易地移植到其它有源植入式医疗装置的设计中。正是因为采用了这样的技术路线，我们才能在近一年的时间内，主要依靠自己的有限的财力，初步建立了电路研制的开发平台，研制出单腔7程控起搏器专用电路和配套程控仪的实验室样机。综上述，研制微处理器控制的植入式程控起搏器专用电路，并以此为突破口研制植入式医疗装置系列产品，有着重大社会和经济意义。而对陕西这样一个独具国产起搏器生产优势的省份就要更具有非同寻常的意义。另一方面，根据现有微电子技术和器件的发展和我们长期从事心脏起搏技术研究而取得的积累，特别是在程控起搏器电路研制方面奠定的工作基础，我们完全有能力在较短时间内研制开发出微处理器控制的程控起搏器专用电路系列产品。为保持我省的优势，进一步发展我省、我国的起搏器工业作出贡献。本课题属生物医学工程专业，是国家重点支持领域，旨在重要高科技领域掌握具有自主知识产权的核心技术。本项目的实施，我们的前期研究已取得很好进展，我省和我市在国内又具有最好的基础，是一个较理想的优势项目。
项目产品的主要用途、性能项目内容：以目前国内临床应用最多的单腔7程控起搏器电路为突破口，研制出单腔起搏器电路的实验室样品。经测试和动物实验验证后改进和完善原设计，采用二次集成和厚膜技术制作产品样机进行临床实验验证，达到产品化的要求。 通过该电路的研制，掌握植入式装置专用电路设计和制造的核心技术，建立开发平台，为下一步研发起搏器系列产品和其它植入式装置专用电路奠定基础。投资的必要性和预期经济效益 以微处理器为基础的植入式程控心脏起搏器集成电路的开发费用主要是一次性投入的研制费用。研制成功后的生产成本则很低。根据实验室样品电路所用器件和电路加工厂家报价, 对小批量生产而言，单腔7程控起搏电路每片的原材料费为15美圆, 二次集成和厚膜电路加工费为200元人民币, 加上测试和管理等费用，总成本约为每块500元人民币, 而进口的类似电路价格为500美元。仅此一项，每台单腔起搏器的生产成本将下降4000元以上。以年产1000台单腔起搏器计，年节约成本就达400万元以上。更重要的是, 它将使国产起搏器工业结束因不掌握核心技术而受制于人的困境, 建立起可持续发展的技术开发平台，实现跨越式发展。以我省产品为代表的国产起搏器将逐步主宰国内市场。
以现有国内市场占有率的1/5计算，年产值将达5000万以上。回顾我们前面所说的我国起搏器用量将逐年稳步增长，则我省起搏器工业在近年达到数亿元产值， 成为代表陕西省水平的一个高科技产业，是完全可以实现的。另外，有了心脏起搏器集成电路研制的技术基础，我们就可以研制其它种类的埋植式心脏和神经电治疗装置，取得更大的社会和经济效益。这里尚未考虑到销往国外市场的可能性。而根据我们向国外销售起搏分析仪的经验，如果我们研制的集成电路以和欧美国家产品相当水平一半的价格销售，则将在广大发展中国家有很好的市场前景。当然，我国起搏器工业的崛起将成为外国产品在中国市场的抗衡力量，国外厂商将会采取包括降价在内的各种措施提高竞争力，国内起搏器厂家的效益可能会受到影响，但在竞争中最大的收益者还是中国的民众。实施该项目的优势西安交通大学医学院医学电子工程研究所是国内唯一一个以心脏起搏技术为确定的科研领域和方向的科研集体，在国内外学术界有较高知名度。 该所长期从事心脏起搏技术研究工作，形成了一支具有较高素质的专业队伍，具有心脏起搏技术研究工作所需要的主要设备条件及和企业、医院长期紧密的合作关系，有关起搏技术的研究工作取得过多项部省级科研成果。
其中《双腔心脏起搏系统分析仪的研制》获1995年卫生部科技进步三等奖、陕西省科技进步二等奖、1997年国家级新产品证书。该产品不仅在全国范围代替了进口产品，还批量出口国外。1997年该产品通过国家计量局鉴定， 被国家医疗器械检测中心指定为进口起搏器标准检测器具。微处理器控制的程控起搏器就是该分析仪中的一个功能模块，它可以模拟现有十种程控起搏器的工作模式。其软硬件技术都是成熟的，可以移植到微功耗植入起搏器电路设计中去（见附录三）。近一年来，我所主要依靠本所力量，经艰苦努力，已成功研制出植入式单腔7程控起搏器专用电路和配套程控仪实验室样机并初步通过国标测试，正在筹备封装和动物实验。这为下一步工作奠定了可靠基础。 二、项目技术分析项目的主要技术特点及其创新性区别于过去研制起搏器电路采用的纯硬件逻辑设计和国外目前采用的客户定制带微处理器内核的ASIC电路设计，根据我国国情采用通用微处理器设计，投资少，开发周期短，开发成本和生产成本低，器件的可靠性有保证。由于采用微处理器设计，电路硬件基本不变，改变软件就可实现现代各种起搏器所需所有功能，并能满足功能扩展的需要，因而适应跨越式和持续发展。
借鉴无接触卡工作原理，起搏器和体外程控仪的双向数据传输采用负载调制工作方式，不消耗内部电池能量。这对于延长起搏器寿命和强化起搏器诊断功能尤为有用。项目的技术路线、工艺的合理性和成熟性，关键技术的先进性和效果论述 技术内容：以目前国内临床应用最多的单腔7程控起搏器电路为突破口，研制出单腔起搏器电路的实验室样品。经测试和动物实验验证后改进和完善原设计，采用二次集成和厚膜技术制作产品样机进行临床实验验证，达到产品化的要求。 通过该电路的研制，掌握植入式装置专用电路设计和制造的核心技术，建立开发平台，为下一步研发起搏器系列产品和其它植入式装置专用电路奠定基础。技术特色和创新之处：A区别于过去研制起搏器电路采用的纯硬件逻辑设计和国外目前采用的客户定制带微处理器内核的ASIC电路设计而根据我国国情采用通用微处理器设计，投资少，开发周期短，开发成本和生产成本低，器件的可靠性有保证。B由于采用微处理器设计，电路硬件基本不变，改变软件就可实现现代各种起搏器所需所有功能，并能满足功能扩展的需要，因而适应跨越式和持续发展。C借鉴无接触卡工作原理，起搏器和体外程控仪的双向数据传输采用负载调制工作方式，在程控和遥测时不消耗起搏器内部电池能量。
这对于延长起搏器寿命和强化起搏器遥测和诊断功能尤为有用。关键技术问题和解决途径：A植入式程控起搏器集成电路设计和制作的关键是功耗。在目前微处理器功耗和线性电路功耗能满足需要的前提下，整块电路的功耗主要取决于起搏器的电路设计水平。经测试，我们所研制的单腔7程控起搏器电路实验室样品的静态功耗小于6微安，已达到国际较好水平，进一步改进后可达到目前国际最好水平。B起搏器是植入人体的治疗装置，其可靠性是最重要的指标。这需要从电路设计和质量控制体系两方面入手解决。在封装工艺方面，陕西的起搏器厂家已有严格的质量控制体系，可以保证整机封装质量。而就电路设计而言，我们除选择高可靠性器件外，在设计中采用双时钟设计和多种实时监控纠错措施，保证系统可靠运行。在电路加工质量控制方面，我们将委托军工单位加工，并在我所按照国标和欧洲标准要求，建立从元件、电路到整机的完整检测系统。技术路线A将我们以前研制的国家级科技新产品双腔起搏系统分析仪的软硬件设计移植到微功耗的植入式程控起搏器专用电路设计中，研制出可供动物实验用的单腔7程控起搏器电路，按照国际标准和欧洲标准对电路进行测试。B研制配套的体外程控仪。C和厂家合作，用研制的集成电路试组装程控起搏器，进行动物实验验证。
D根据动物实验结果改进和完善设计，采用二次集成和厚膜制作工艺，研制产品样机，通过国家检测机关检测后进行临床实验验证。E进行成果和试产鉴定，进行小批量试产，并同时着手系列产品研制。预期成果形态及技术水平A研制出单腔7程控起搏器专用电路和配套程控仪产品样机，通过试产鉴定。B申报发明专利1-2项。建立起开发平台，为下一步研发植入式装置专用电路系列产品和其它奠定基础。产品技术性能水平与国内外同类产品的比较用本电路组装的单腔多程控起搏器技术指标和国内外同类产品的比较见下表：参数国外典型（最优）产品国内组装产品本产品动物(临床)实验样机物理尺寸.0(6.5).5 .5(6.5) mm重量32(21) g4032 (22)g静态功耗小于10(3)微安小于10微安小于 6(3) 微安模式SSI///SOO极性单双极转换单极单极(单双极转换)幅度2.5/5.0/7.5v (0.1-7.5V,步长0.1V)2.5/5.0/7.5 v2.5/5.0/7.5 v(0.1-7.5V,步长0.1V)脉宽.03-1.9毫秒,步长0.1.03-1.9毫秒,步长0.1.03-1.9毫秒,步长0.1频率30-120次/分,步长130-120次/分,步长130-120次/分,步长1不应期250-500毫秒,步长25250-500毫秒,步长25250-500毫秒,步长25滞后时间0,固定参数0,固定参数0-200毫秒,步长50灵敏度.5-10毫伏,步长0.5.5-10毫伏,步长0.5.5-10毫伏,步长0.5遥测方式双向发射(负载调制)双向发射,消耗电池负载调制,不消耗电池遥测数据程控参数,电池状态,(电极阻抗,阈值,事件记录,腔内心电图等)程控参数,电池状态程控参数,电池状态(电极阻抗,阈值,事件记录,腔内心电图等)失效保护奔放保护奔放保护奔放保护和停搏保护从上表可见，目前已开发出的动物实验样机综合指标好于国内组装同类产品，较国外最好水平尚有某些差距。
供临床实验的产品样机将达到目前国外最好水平。核心技术的知识产权情况，可能取得的专利和知识产权分析核心技术知识产权属于西安交通大学，研制出的单腔7程控起搏器专用电路和配套程控仪产品样机，通过试产鉴定，申报发明专利1-2项的所有权均为西安交通大学。项目有无技术鉴定文件或产品性能检测报告、产品鉴定证书经表面活化的各向同性碳心脏起搏电极1997年国家级新产品证书。项目投入生产后产品质量的稳定性，性能等方面被用户认可的情况等经表面活化的各向同性碳心脏起搏电极的研究获1987年卫生部科技进步三等奖，非侵入式希氏束电图导联方法研究获1991年陕西省优秀自然科学论文一等奖，新型双腔起搏系统分析仪的研制获1995年陕西省科技进步二等奖和卫生部科技进步三等奖，项目承担单位在实施本项目中的优势，技术的后续开发能力 西安交通大学医学院医学电子工程研究所是国内生物医学工程领域唯一一个以心脏起搏技术为确定的科研领域和方向的科研集体，在国内外学术界有较高知名度。 该室长期从事心脏起搏技术的研究工作，形成了一支具有较高素质的专业队伍，具有心脏起搏技术研究工作所需要的全部设备条件及和企业、医院长期紧密的合作关系，有关起搏技术的研究工作取得过多项部省级科研成果。
其中：《经表面活化处理的各向同性碳心脏起搏电极的研制》获1987年卫生部科技进步三等奖、1990年国家科技成果证书。《QB-I 型心脏起搏器的研制》获1990年陕西省科技进步二等奖，是至今国家批准生产的唯一一种全国产心脏起搏器。《AAI 生理性起搏的血液动力学研究》获1993年卫生部科技进步三等奖。《新型双腔心脏起搏系统分析仪的研制》获1995年卫生部科技进步三等奖、陕西省科技进步二等奖、1997年国家级新产品证书。该产品不仅在全国范围代替了进口产品，还批量出口国外。1997年该产品通过国家计量局鉴定， 被国家医疗器械检测中心指定为进口起搏器标准检测器具。微处理器控制的程控起搏器就是该分析仪中的一个功能模块，它可以模拟现有十种程控起搏器的工作模式。其软硬件技术都是成熟的，可以移植到微功耗的植入式程控起搏器电路设计中去[3]。特别是近一年来，我所主要依靠本所的人力物力，经艰苦努力，已成功研制出植入式单腔7程控起搏器专用电路和配套程控仪的实验室样机并初步通过国标测试，正在筹备封装和动物实验。这充分验证了我们提出的技术路线的可行性，为下一步工作奠定了可靠基础。有关工作已在2002年全国心脏起搏技术研讨会上作了大会发言[4]。
三、市场分析和风险分析国内市场需求规模和产品的发展前景、在国内市场的竞争优势和市场占有率根据我国植入起搏器数量逐年增长的趋势，5年内将超过2.5万只/年。其中双腔起搏器的比例将逐年增大。估计销售额在5亿元人民币以上。按世界人均需求量计算和技术发展趋势考虑，我国起搏器需求量在20万只/年，并将逐步变为以双腔起搏器为主，总的市场容量应在40亿人民币/年以上。我们研制的单腔起搏器电路及由此装配的起搏器将在2004年底前进入市场，后续研制的双腔起搏器也将在2005年投产。在具有起搏器专用电路这项核心技术的自主知识产权后，对于单腔起搏器而言，我们的电路成本仅为进口电路的十分之一，而双腔起搏器电路的成本降低更多，加上我国低廉的整机组装生产成本，国产起搏器不仅会逐步占领国内市场，电路和整机也有望出口到发展中国家和中等发达国家风险因素分析（市场风险、技术风险、管理风险）该项目产品结合中国国情而设计，更符合中国广大患者的需求。产品已完成样机研究，检测技术指标达到了国际先进水平，技术风险基本已化为零。我国起搏器工业的崛起将成为外国产品在中国市场的抗衡力量，国外厂商将会采取包括降价在内的各种措施提高竞争力，国内起搏器厂家的效益可能会受到影响，但在竞争中最大的收益者还是中国的民众。
且价格大大低于国外同类产品低。国内巨大的需求市场，产品的市场优势明显，市场风险较低。一个成功的企业家和高度负责精神的交大老师也会将管理风险大大降低。经济和社会效益分析以微处理器为基础的植入式程控心脏起搏器集成电路的开发费用主要是一次性投入的研制费用。研制成功后的生产成本则很低。根据实验室样品电路所用器件和电路加工厂家报价, 对小批量生产而言，单腔7程控起搏电路每片的原材料费为15美圆, 二次集成和厚膜电路加工费为200元人民币, 加上测试和管理等费用，总成本约为每块500元人民币, 而进口的类似电路价格为500美元。仅此一项，每台单腔起搏器的生产成本将下降4000元以上。以年产1000台单腔起搏器计，年节约成本就达400万元以上。更重要的是, 它将使国产起搏器工业结束因不掌握核心技术而受制于人的困境,
