仪器科学与技术学科发展研究报告2008

（三）近两年人体诊疗技术及医疗仪器领域科技和产业发展的主要趋势

　　1．医学影像设备

　　（1）计算机断层扫描机（CT机）：体积CT（VCT）技术的发展使CT机的扫描能力越来越强，扫描速度越来越快。

　　（2） 磁共振成像（MRI）技术主要向两个方向发展: 一是高场强的超导磁共振，二是永磁低场强(集中在0.2T-0.35T)开放式机型。将MRI用于人体内温度场的测量方面新近有了重大进展。

　　（3）核医学影像设备：向正电子发射断层显像术（PET）和CT结合的方向发展。PET/CT将PET和CT设计安装在同一机架上，PET进行功能影像扫描，CT进行解剖影像扫描后与PET图像同机融合，完成功能图像的定位和衰减校正。

　　2．医用电子仪器

　　小型化、便携、IT技术的应用以及自动诊断技术的应用等是医用电子仪器技术发展的一个重要趋势。医用电子技术在神经领域里的应用还衍生出了一门新兴的学科---神经工程学。这一学科的发展方向，一是为神经科学研究建立交叉的技术平台；二是为临床神经疾病的诊断和治疗提高新的解决方案。脑－机接口是神经工程学研究的关键技术之一，该技术作为一种新的人机界面技术，可实现用意识直接操作计算机。我国在该领域处于国际领先地位。

　　3．体外诊断仪器（IVD）

　　检验医学技术发展首先是基础医学的发展和高新科技技术的应用，免疫检验中的放射免疫RIA、酶免疫测定EIA等新技术的建立与应用不仅丰富了检验的内容，而且也使检测方法的特异性、准确性、可靠性、灵敏度等性能有所提高。基于检验新方法与新仪器的迅速发展，“全自动实验室”（Total Laboratory Automation，TLA）概念日益为人们所接受。与此相对应地，还出现了各类型Point of care test（POCT）试验。

　　4. 医用激光仪器

　　近两年，医用激光诊疗仪器领域发展较快，反映在新技术、新方法、新光源多个方面。

　　5．眼科光学技术与仪器

　　进展十分迅速，主要集中在屈光检查与矫正；组织学检查；激光治疗等方面。

　　6．手术与急救设备

　　向功能模块化、机械功能电子化、装置的集成化和过程管理信息化的方向发展。麻醉机向麻醉工作站的方向发展；手术室向数字化一体手术室发展；内窥镜向内窥镜系统（由摄像机、光源、显示器、显微手术器械和其他辅助设备，如电刀、数据采集设备等组成）方向发展。

　　7．放疗仪器设备

　　实现精确的放射治疗是放疗技术发展的主线，网络化是放疗仪器设备集成化和数字化发展的必然。

　　8．生物芯片与仪器

　　微阵列芯片在技术方面和应用方面近年来取得了长足的进步。芯片实验室的发展正在朝着实用化的方向发展。

　　9．医疗外科手术机器人

　　微创外科理念的出现，大大促进了图像引导外科手术的应用和推广，机器人技术开始进入外科领域，并首先在神经外科获得了临床应用，如今已被扩展到骨科、颅颌面、腹腔、泌尿、眼科、耳鼻喉、心脏等多种外科领域，医用机器人逐渐走向专用化、小型模块化，如今已能完成多重功能、远程手术操作，为外科手术的诊断治疗和辅助操作提供了一类新型工具。小型化、模块化和智能化已成为国际上医疗外科机器人技术发展的重要趋势。

　　（四）近两年信息计测技术及电测仪器领域科技和产业发展的主要趋势

　　1．电磁测量技术及电工仪器仪表的发展趋势

　　（1）电能测量与负荷控制设备：三相电能表计量专用芯片发展迅速，性价比及可靠性不断提高；多功能电能表向扩展用途、高可靠性、高准确度、统一协议和高综合性能方向发展。

　　（2）电能计量管理与负荷控制系统：低压电力线载波通信成为电能计量管理系统的技术与产品的发展趋势：采用对等网络协议；提升通信速率；降低载波频点；智能跳频功能；智能中继动态组网等。

　　（3）电磁测量分析仪表：采用专用芯片、多功能、系统化、智能化、低功耗与环境适应性、高精度和高可靠性、过载自动保护、故障自诊、记录与报警等是该领域的主要技术与产品的发展趋势。目前虚拟数字示波器发展迅速。

　　（4）电网安全监测与电能质量分析系统的发展趋势是：提高实时处理与分析能力、为现场的实时监控提供更快速、更有价值的评估和决策信息；增强快速、准确的数据通信能力，为电能质量的深入分析﹑事件统计﹑长期评估和预测提供可靠数据；采用统一标准构建系统，使用标准模块，提高互换性和环境适应性。

　　（5）制造技术及校验设备和系统：采用现场模拟技术提高产品的环境适应性与可靠性。提高校验装置的自动化水平、可升级性与通用性。

　　2．电子计测技术及电子测量仪器的发展趋势

　　（1）电子计测技术基础理论研究：新的测试理论和方法研究、人工智能理论研究、频率基溯源与标准器获得方法研究、新型测控总线及系统结构研究、测量与仪器标准的研究与制定等都是今后在理论研究方面的重点。

　　（2）电子计测技术的发展：目前发展较快的技术有先进测控总线技术、数字信号处理新技术、综合测试与故障诊断新技术、光频标和精密时频测试新技术等。

　　（3）二类重要电子测量仪器：矢量网络分析仪的一个重要发展方向是构建以矢量网络分析仪为核心的自动测量技术和自动测试系统；另外，矢量网络分析仪已走出传统的线性网络的应用领域，而在非线性、大功率网络的测试和分析中发挥着重要作用。调制域分析仪器是当今唯一能直接对通信传输中随时间而变化的晃动进行精确测量的技术，尤其是在军事电子测试领域更有其重要的意义。

　　（4）电子测量仪器现代生产技术的发展：仪器产品的设计和生产水平是衡量一个国家科技工业基础和工业能力的重要标志，贯穿于整个产品生产的全过程和全寿命周期中。今后在仪器仪表生产技术的研究中要注意解决好产品设计和过程监管模式问题，研究新型的仪用器件，研制高精度和高质量的仪器仪表专用元器件、零部件和整机的质量检验设备，研究虚拟试验验证和工程化验证技术，研究先进的生产工艺和流程，研究稳定性、可靠性、可维护性和可测性新的评估方法，以及产品的标准化认证体制。

　　（5）电子测量仪器综合测试系统：综合测试应将研究的重点放在综合测试系统的体系优化研究，测控系统的统一性和整体性技术研　究，传感器信息处理和多传感器数据融合技术研究，大区域现场测试的分布式网络互联、触发、同步等技术研究，以及基于合成仪器与系统的可重构测控系统技术研究等多个方面。

（五）近两年相关传感器、元器件、材料及技术领域科技和产业发展的主要趋势

　　1．相关传感器及技术的发展

　　（1）基于新原理、新技术的各种新型传感器不断出现。

　　（2）向高灵敏度、高精度、高可靠性、宽温度范围、微型化、微功耗及无源化、智能化、数字化方向发展。

　　（3）生物传感器发展迅速。

　　（4）“量子力学”与现代传感器技术把传感器技术推向更高的发展阶段。

　　2．相关元器件及技术的发展趋势

　　（1）敏感元件及技术的发展：敏感元件与IC技术、MEMS技术、CPU计算机技术、通信技术的融合与渗透以实现敏感元件的多功能化、集成化、智能化、微型化、无线传感器网络化将是敏感元件与传感器发展的主流方向之一。

　　（2）弹性元件及技术的发展：仪用弹性元件的设计和分析向专业化、数值化、精确化方向发展。基于MARC、EJMA、ANSYS等软件平台基础上的设计专业分析软件，充分的数值模拟仿真和深入的应用基础研究，提高产品的设计水平、模拟分析能力和新品开发能力是仪用弹性元件的发展趋势；

　　（3）仪用光学元件及技术的发展：光学薄膜的基础理论研究向优化设计方法、细化成膜模拟、强化对产品工艺指导方向发展。为实现光学薄膜的优良光谱特性和环境稳定性，精确膜厚控制系统、离子成膜技术、系统集成技术及自动控制技术的研究必将深入，在基础理论方面，优化设计方法、成膜模拟等基础研究对新产品的设计、设备、工艺等方面的指导作用将更加显著。

　　三、近两年我国仪器科学与技术学科领域科技和产业发展的基本状况和差距

　　（一）我国仪器科学与技术学科领域科技和产业发展的基本状况

　　目前，我国仪器科学与技术学科从理论研究、计量基准、产品制造技术、新器件、新材料、新工艺的研究和应用等方面己日趋完善，并形成门类品种比较齐全、布局较为合理、具有相当技术基础和生产规模的仪器仪表产业体系，已成为亚洲除日本以外最大的仪器仪表生产国；在发展中国家，是综合实力最强的仪器仪表生产国。从产品的科技水平分析，目前绝大部分国产仪器产品的科技水平处于国际上九十年代中、后期的水平。中低档产品品种基本齐全，能够批量生产，且质量稳定；例如，电工仪器仪表在国内市场占有率达95%，并有13%产品出口。深圳市每年生产数字万用表达700万台，出口世界90多个国家，中低档数字万用表的产量占世界总产量的80%。少数中高档产品，已接近国际水平。在国家重点科技攻关项目中，特别在必须自力更生发展的航天、航空领域和国防安全领域已有所创新和突破，如我国嫦娥一号卫星携带的8种探测仪器都是由我国科技人员自行设计和研制的，不仅总体上达到了国际同类仪器的水平，而且在不少方面还有我国自己的特点和创新。在工程应用技术方面，已经能够承担一部分国家重大工程仪器仪表系统成套工作。开始摆脱国家重大工程全部被国外公司垄断的局面，国产 DCS系统进入大型超临界火电机组控制系统和成批进入大型石化工程项目，国产核电站控制系统从常规岛向核岛扩展，我国嫦娥一号卫星携带的8种探测仪器不仅总体上达到了国际同类仪器的水平，而且在不少方面还有我国自己的特点和创新。但在高技术含量的自动化仪表及系统、科学测试仪器、传感器、元器件等产品的竞争上，国内仪器仪表行业基本上仍处于相当被动的境地。我国对仪器仪表需求量的二分之一是由进口产品满足的，国外公司的中档产品以及许多关键零部件占有了国内60%以上的市场份额，大型和高精度的仪器仪表几乎全部依赖进口。

　　（二）我国仪器科学与技术学科领域与国际水平的差距

　　我国仪器科学与技术学科领域与国际水平相比还存在差距，具体表现在以下三个方面：

　　（1）我国仪器仪表科技和产业的自主创新势头还没形成主流，跟着国外科技、产品亦步亦趋的状态还没有完全改变；学科基础研究水平差距较大，在产品上，高档、精密仪器仪表产品差距很大，高档仪器仪表90%以上被外国产品占据或控制。例如，2008北京奥运会光是兴奋剂检测就达4500例、所需高档、精密分析仪器基本上都是进口。

　　（2）产业规模小，企业综合实力差，尚不能挑起成为科技创新主力军的担子。我国仪器仪表产业的总产值较低，不仅是绝对量小，在经济总量中的比例也很小。

　　（3）我国在仪器仪表领域的国家投入不够。

　　四．近两年我国仪器科学与技术学科领域科技和产业主要进展

　　（一）工业自动化测控技术及工业自动化仪表与系统领域主要进展

　　（1）国产DCS产品进入大型重点工程项目控制系统

　　国产DCS系统进入大型超临界火电机组控制系统及成批进入大型石化工程项目，近两年核电站控制系统从常规岛向核岛扩展。

　　（2）国产MES软件的开发和应用取得进展。

　　（3）国内企业进入全球50强过程自动化公司榜。

　　（二）科学测试、分析技术及科学仪器领域主要进展

　　（1）我国嫦娥一号卫星携带的8种探测仪器（用于月球表面三维影像探测任务的CCD相机和激光高度计；用于月表化学元素与物质成分及丰度探测任务的干涉成像光谱仪、γ射线谱仪、X射线谱仪；用于月壤厚度探测任务微波探测仪；用于地月空间环境探测的太阳高能粒子探测器和两台低能离子探测器等），都是由我国科技人员自行设计和研制的，不仅总体上达到了国际同类仪器的水平，而且在不少方面还有我国自己的特点和创新。这8种探测仪器的特点和创新点包括：实现首次对月球表面进行全月面三维立体照相，这对月球表面形貌、地质构造、撞击坑等的研究显然会有重大意义；所使用的伽马射线谱仪探测的分辨率和灵敏度比国际上以往月球探测中使用的同类仪器要高，所以有可能探测到更多的元素，通过一年的在轨飞行将可以探测到钾、铀、钍、钙等14种元素的含量和分布，用于月球科学研究和月球矿物资源调查，为月球的开发和资源利用奠定基础；实现首次探测全月球表面月壤的厚度，对月球表面风化历史和氦3资源展开调查研究等。

　　（2）自主研制出领先国际的分子束科学仪器——氢原子里德伯态飞渡时间谱-交叉分子束装置。

　　（3）研制成功国际第一台真空紫外激光角分辨光电子能谱仪具有超高能量分辨率(最高达0.36 meV)、高动量分辨率、超高光束流强度(达1015 光子/秒)和对体效应敏感等独特的优点。

　　（4）研究成功性能和综合指标达到国际水平的原位微区结构分析与性质测试联合系统、超高真空低温强磁场双探针扫描隧道显微镜/谱系统及用于托卡马克装置的二维X射线阵列测量和远红外激光诊断系统及毛细管电泳电化学发光综合分析仪等。

　　（5）在国际上最先发展了被称为电喷雾萃取离子化（Extractive Electrospray Ionization，EESI）的常压质谱离子化技术，该技术可大大扩展电喷雾离子化技术的适用范围。

　　（6）提出了介质阻挡放电离子化技术和单个病毒或者细胞的质谱检测方法，具有原始创新性质和进一步实现仪器化并得到推广应用的可能。

　　（三）人体诊疗技术及医疗仪器领域主要进展

　　（1）医用电子技术在神经领域里的应用我国处于国际领先地位。研制出可作为个人电脑外设的脑控键盘和鼠标，其核心技术是脑－机交互方式的设计，其基于稳态视觉诱发电位的脑－机接口技术已经取得美国专利。

　　（2）研制完成系列脑外科立体定向手术机器人并完成了国内第一例远程遥操作手术，该系统在机器人定位、机器人机构、手术规划软件形成具有自主知识产权的核心技术，在视觉标定、ADSL多路视频网络同步传输、基于预测的增强现实等关键技术方面取得了进展。

　　（3）我国在生物芯片技术研究开发中取得进步，形成了具有产业规模和国际竞争力的生物芯片技术平台产品。其技术完善、质量稳定的双激光共聚焦扫描仪近年来出口量年均复合增长率超过100%，在国际市场特别是欧美发达国家市场上占据了一席之地，赢得了良好的声誉。“系统化生物芯片和相关仪器设备的研制及应用”项目,获得2007年度国家技术发明奖二等奖。芯片实验室的发展正在朝着实用化的方向发展，加快在药物开发、疾病预测预防和个体化治疗、生物安全等方面的推广应用。