融合生物学与电子学的先进医疗应用曙光初露

一种无线硅晶监视器可以像贴OK绷一样的使用，用完后即可扔掉；另一种芯片可望成为首款商用视网膜的替代品；还有一种用于测量波形的组件则可深植于大脑之中。这些技术进展是日前于美国旧金山举行的国际固态电路会议(ISSCC)上所发表的众多论文主题。总之，这些技术让人们更加相信：生物学将成为下一个重要的电子应用领域。

“我建议工程师们认真学习两门学科：一是电子工程学，而另一门则是自然科学。”德州大学研究员Mark McDermott表示，“许多工程师们开始对医疗问题产生浓厚的兴趣。”McDermott还曾担任过飞思卡尔(Freescale)和英特尔(Intel)公司的工程技术经理。

在ISSCC大会的一场演讲中，美国布朗大学工程学教授Arto Nurmikko介绍涉及了电子学、光学和解剖学的大脑植入设计。“这绝对是包括了计算机科学、工程学、生物学以及像瑞士钟表制造商钻孔般精密的机械学等跨学科领域。”Nurmikko表示。

比利时校际微电子中心(IMEC)研究员Chris Van Hoof在ISSCC上主持了一场有关生命科学的研讨会，他在开场致词时即明白指出：“硅晶与人体的相互作用正变得越来越密切。”

在不久的将来，配备无线可穿戴式传感器的病人不必再到医院去，就能够获得医生所开出的定期检查报告，三星先进技术研究所执行长Hyung Kyu Lim在ISSCC的主题演讲中表示。
“医疗保健设备和服务机器人是针对这些新业务的两种主要新兴消费产品。”Lim指出，“然而，实现这些未来服务的系统非常复杂且昂贵，因为它们需要更高等的机器智能。”

例如，新创企业Toumaz Technology在ISSCC上介绍了一款定制芯片，能把无线监视器放在一个拋弃式的贴布上。该芯片是多种新兴的智能型可穿戴式组件中的一种，能帮助病人和消费者在舒适的家中获得医疗监控服务。

“我们不仅面临着熟龄化的社会，而且这个社会尚未建立起健康的生活方式。”Toumaz公司技术总监Alison Burdett表示，“有越来越多的人患有慢性疾病，这将为全球保健体系带来沉重的负担。”

一家大型的美国医疗保健公司据说正与Toumaz公司合作，计划在2009年底以前推出基于硅晶的医用贴布。另外，美国奇异(GE)和飞利浦等公司据说也将在实验室中展开类似的计划。

为了进一步降低功耗与提高可靠性，Toumaz公司为800MHz到900MHz的无线网络开发了定制的硬件和协议，所用组件的最大数据速率可达50kbps。该芯片在通讯时的电流为2.5mA，但其数字控制部份的功耗只有100μw。

“定制的媒体存取控制器(MAC)是关键，因为在短距离通讯中总是存在着干扰，因而我们具有许多缓冲层。”Burdett表示。

尽管该产品是定制化设计，但这种贴布在明年上市时的价格可望低至5美元。当中所用的芯片尺寸为16平方毫米，且只占成本的一小部份。该芯片将由英飞凌科技公司采用130nm制程进行制造。
 “当这种贴布投入大量产时，硅芯片的成本真的微乎其微。”Burdett表示，“大部份的成本都来自组装和制造方面，因为它必须采用新的制程。”

该芯片可与传感器连接来实现心电图设备、三轴加速计或血糖、pH值和压力监视器。虽然同一时刻只能为一个传感器进行测量，但它可在三个传感器之间进行切换。

在有关‘Life Thermascope’计划的论文中，日立公司(Hitachi)阐述了这种组件如何成为消费性产品的理由。该计划使用了一个现成的设计，并整合于腕表或徽章，使其可用以记录用户的体温，以及一整套对个人精神、体格和社交状态的日常评估数据。

一项针对200名用户所作的场测显示，即使单一传感器也有助于追踪日常生活中的细微模式改变，日立的工程师指出。上述监视器采用30立方公分的模块封装，并采用工作在ZigBee网络上的32位H8S处理器。

硅眼(Silicon Eyes)

在谈到植入技术时，德国乌尔姆大学(University of Ulm)教授Albrecht Rothermel介绍了一款可以成为首款商用人造视网膜的芯片。这所大学正与Retina Implant公司针对1,600画素、3×3.5mm数组研究方面展开了合作。

这款组件在Rothermel演讲的前几天才从代工厂制造出来，它主要根据德国斯图加特微电子研究所(IMS)开发的1,450画素数组为基础所设计。其CMOS成像器具有170dB的动态范围，曾在一项为期数周的医院实验中用于植入许多病人体内。

这种人造视网膜采用0.8μm技术制造，厚度只有20μm。它采用了宽广的电压摆幅作为视网膜刺激，并采用新的电源架构和数字控制器来循序寻址画素。Rothermel表示，它能让一些盲人感觉到反射光。

 “我们希望这款新芯片可以协助盲人分辨出形状，但我们目前还不知道真正的视网膜是如何感知信息的。”Rothermel表示，“我们也认为盲人应可透过一种学习的过程而重见光明。”

在ISSCC上所讨论的其它植入技术中，Medtronic公司的研究人员介绍了一种用于记录脑部深度讯号的原型芯片。这款0.8μm的斩波放大器工作电压为2V，功耗只有8μW，面积为5平方毫米。

 Medtronic公司也已开发出一款脑部深度刺激器，来减轻帕金森氏症和癫痫的症状。这款新设备和其它电路用在一起，可以使系统增加闭路功能，以便更为更灵活地记录、处理和响应脑部讯号。

 “仅仅要证明一个适合植入大脑刺激的电极就得花上数年的时间。”美国犹他大学副教授Reid Harrison表示。“既然它们的组件已经能够正常工作，那么用这个组件还能做点别的什么就显得很有意义，例如记录大脑讯号。”他表示。

研究人员还在寻找新讯号种类与其测量方法。Medtronic芯片不仅能透过传统对讯号峰值的追踪来记录宽能(bandPower)波动，还能测量alpha、beta和gama波以及500Hz点所呈现的现象。

“研究人员发现在大脑的海马体突起中有非常快速的波动。”Medtronic公司神经系统事业部资深IC设计总工程师Tim Denison指出，“这些波动频率在表面测量中是看不到的，但一旦深入大脑内部，你就能获得这些有趣的生物标志。但这是一项还未能取得重大研究成果的领域，因为我们还不了解观察到的所有讯号。“

该设计中采用了一个现成的商用化微处理器来执行频谱扫描，以便发现新的波形。工程师们还增加了新的滤波器和增益控制机制，来补偿不断变化的噪音电平。

“当你试图接取具有各种噪音状态的不同大脑时，你可能真的必须放弃一般的算法。”Denison表示。

研究人员们还必须权衡处理他们所测量的位置。传统的脑电图仪(EEG)只能分析头部表面所发出的2到3μV讯号，但这些讯号经常会受到病人行动造成的噪音所影响，因而导致失真。虽然接近神经元的探测可以获得较强的100μV讯号，但成本却很高。

“整个大脑和脊椎被一层称为硬脑(脊)膜的薄膜包裹着以防止感染，”Harrison指出，“这就像是大自然中最神圣的地方一样，突破这个保护屏障可能会带来很大的手术风险。”

在另外一场专题讨论会上，Medtronic公司的另外一位工程师介绍了制造人工胰腺的最新进展。Medtronic公司已经开发出可人工激活的植入式胰岛素泵，该新设备可以自动检查血糖值，并在需要时提供胰岛素。

“我们正致力于研究一种新式算法，我们相信这是最适合我们芯片使用的算法。”资深研究经理Barry Keenan表示。

Keenan并讨论了几种具有自适应滤波器和算法的冗余传感器使用方法，这种方法可以补偿并修正硬件误码率达30%。

“今年我们已经进行了大规模的试验来证实这种自动预防故障的系统，因而能够激活无人监督计划。”Keenan表示，“我们必须声明，这些系统能百分之百有效地满足美国食品药品管理局(FDA)的规定。”

改善测试设备

在其它的小组讨论中，演讲者还介绍了可用于改善医疗测试设备、同时削减成本和体积的其它芯片。

哈佛大学的一个小组展示了一个小尺寸书本大小的模块，该模块可以驱动核磁共振成像系统。该新模块的核心采用1.9×2mm的芯片；相较于重量约260磅、成本约7万美元的传统设备而言，新模块能驱动灵敏度更高60倍、重量更轻60倍、体积更小40倍的系统。

更高的灵敏度意味着医生可以在疾病发生的更早阶段就发现病原体，提交该论文的哈佛大学Nan Sun表示。“该设备的整合度高于目前任何所知的设备。”Sun指出。
苏格兰爱丁堡大学的研究人员Bruce Rae介绍了一种设备，可以为芯片中的分子进行光学分析。该设备可望取代目前使用雷射光源、光子和滤波器等大型且昂贵的DNA测试仪器。

而4×16的微型LED数组则可取代一种如同大型打印机大小、价格近20万美元的设备(包括与其相连的独立PC)。由于系统的体积和成本缩减了一半以上，使得这款350nm的设备可作为医生诊疗室中所置放的仪器，而不必专门放置在远程实验室中。
此外，IMEC的Refet Yazicioglu还展示了一款ASIC，它能将EEG系统的电路缩小成大约1立方公分的模块。这款8信道芯片将可取代目前所使用的大型旧式机盒，而使病人更容易配戴，也较能够收集到更好的数据。“现有的那些连接着各种线路的设备几乎让人崩溃，更使病人处于不自然的状态，可能影响到测试效果。”Yazicioglu指出。