這些先進(jìn)技術(shù)紛紛出現(xiàn)在前不久于美國舊金山舉行的國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上發(fā)表的眾多論文中。總之,它們讓人更加相信:生物學(xué)將成為下一個重要的電子應(yīng)用領(lǐng)域。

“我真的建議工程師認(rèn)真學(xué)好兩門學(xué)科:一門是電子技術(shù),另一門是自然科學(xué)。”德州大學(xué)的研究員Mark McDermott表示,“許多工程師開始對醫(yī)療問題產(chǎn)生濃厚的興趣。”McDermott還曾擔(dān)任過飛思卡爾和英特爾公司技術(shù)經(jīng)理。

在ISSCC的晚間演講中,布朗大學(xué)的工程學(xué)教授Arto Nurmikko介紹了涉及電子學(xué)、光學(xué)和解剖學(xué)的大腦植入設(shè)計。“這絕對是計算機(jī)科學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)以及像瑞士手表制造商鉆孔那樣的精密機(jī)械學(xué)之間的交叉學(xué)科領(lǐng)域。這非常關(guān)鍵。”Nurmikko表示。

IMEC研究學(xué)院的研究員Chris Van Hoof在ISSCC上主持了有關(guān)生命科學(xué)的討論,他在演講中直接指出:“硅片與人類身體的相互作用正變得越來越緊密。”

在不遠(yuǎn)的將來,配備有無線佩戴型傳感器的病人無需去醫(yī)院就能獲得醫(yī)生給出的定期檢查報告,三星綜合技術(shù)院首席執(zhí)行官Hyung Kyu Lim在ISSCC的主題演講中表示。

“衛(wèi)生保健設(shè)備和服務(wù)機(jī)器人是用于這些新業(yè)務(wù)的兩種主要的新興消費產(chǎn)品。”Lim指出,“然而,實現(xiàn)這些未來服務(wù)的系統(tǒng)非常復(fù)雜和昂貴,因為它們需要更高級的機(jī)器智能。”

例如新創(chuàng)企業(yè)Toumaz Technology就在ISSCC上介紹了一款定制芯片,能把無線監(jiān)視器放在一個可隨意使用的貼布上。該芯片是多種新興的智能可佩戴型芯片中的一種,能幫助病人和消費者在舒適的家中獲得醫(yī)療監(jiān)視服務(wù)。

“我們不僅面臨著老齡化的社會,而且這個社會沒有建立起健康的生活方式。”Toumaz公司的技術(shù)總監(jiān)Alison Burdett表示,“有越來越多的人患有慢性疾病,這將給全球衛(wèi)生保健系統(tǒng)帶來沉重的負(fù)擔(dān)。”

一家大型的美國衛(wèi)生保健公司據(jù)說正在與Toumaz合作,計劃在2009年底前推出基于硅片的醫(yī)用膠布。另據(jù)報道,包括GE和菲利浦在內(nèi)的一些公司也在實驗室開展同樣的項目。

為了進(jìn)一步降低功耗,提高可靠性,Toumaz公司為800MHz到900MHz的無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了定制的硬件和協(xié)議,所用器件的最大數(shù)據(jù)速率可達(dá)50kbps。芯片在通信時的電流為,但它的數(shù)字控制部分功耗只有100μw。

“定制的介質(zhì)訪問控制器是關(guān)鍵,因為在短距離通信中總是存在干擾,而且我們有許多緩沖層。”Burdett表示。

盡管是定制設(shè)計,但這種膠布在明年上市時的價格有望低至5美元。其中的芯片尺寸為16平方毫米,只占成本的一小部分。該芯片將由英飛凌科技公司采用130nm工藝進(jìn)行制造。

“當(dāng)這種膠布投入大批量生產(chǎn)時,硅片成本真的微乎其微。”Burdett表示,“大部分成本在組裝和制造方面,因為需要采用新的工藝。”

該芯片可以與傳感器連接來實現(xiàn)心電圖設(shè)備、三軸加速計或血糖、pH值和壓力監(jiān)視器。雖然同一時刻只能有一個傳感器進(jìn)行測量,但可以在三個傳感器之間進(jìn)行切換。

在關(guān)于Life Thermascope項目的論文中,日立公司闡述了這種器件如何能成為消費類產(chǎn)品的理由。該項目使用了更為現(xiàn)成的設(shè)計,并集成進(jìn)了腕表或徽章,可以記錄用戶的體溫以及一整套對個人精神、體格和交際狀態(tài)的日常評估數(shù)據(jù)。

對200名用戶的現(xiàn)場試驗表明,即使單個傳感器也有助于跟蹤日常生活方式的細(xì)微改變,日立工程師指出。上述監(jiān)視器封裝在30立方厘米的模塊中,采用工作在ZigBee網(wǎng)絡(luò)上的32位H8S處理器。

硅片眼

在談到全球植入技術(shù)時,德國烏爾姆大學(xué)教授Albrecht Rothermel介紹了一款可以成為首個商用人造視網(wǎng)膜的芯片。這所大學(xué)與Retina Implant公司在1600像素、3×陣列方面開展了合作。

這款器件在Rothermel演講的前幾天才從代工廠返回,是在斯圖加特微電子學(xué)院開發(fā)的1450像素陣列的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的。其CMOS成像器具有170dB的動態(tài)范圍,曾在持續(xù)了數(shù)周的醫(yī)院實驗時被植入了許多病人身體中。

上述人造視網(wǎng)膜采用0.8μm技術(shù)制造,厚度只有20μm。它采用了很寬的電壓擺幅用于視網(wǎng)膜刺激,并采用新的電源架構(gòu)和數(shù)字控制器來順序?qū)ぶ废袼亍Ｋ茏屢恍┟と烁杏X到反射光,Rothermel表示。

“我們希望這個新的芯片可以幫助盲人分辨出形狀,但我們目前還不知道真正的視網(wǎng)膜是如何感知信息的。”Rothermel表示,“我們也認(rèn)為盲人重見光明可能是個學(xué)習(xí)的過程。”

在ISSCC上討論的其它植入技術(shù)中,Medtronic公司的研究人員還介紹了用于記錄深度腦信號的一款原型芯片。這個0.8μm的斬波放大器工作電壓為2V,功耗只有8μW,面積為5平方毫米。

Medtronic公司已經(jīng)制作了一個深度腦刺激器,來減輕帕金森病和癲癇癥的癥狀。這個新器件和其他電路用在一起,可以為更靈活地記錄、處理和響應(yīng)腦信號的系統(tǒng)增加閉環(huán)功能。

“僅僅證明一個適合植入大腦的刺激性電極就花了許多年時間。”猶它州立大學(xué)副教授Reid Harrison表示。他在ISSCC上主持了關(guān)于上述器件的討論。“既然它們的器件已經(jīng)能夠正常工作,那么用這個器件還能做點別的什么就顯得很有意義,比如記錄大腦信號。”他表示。

研究人員還在尋找新信號種類以及測量它們的方法。Medtronic芯片不僅能通過對信號尖峰的傳統(tǒng)跟蹤來記錄寬能(bandpower)波動,還能測量alpha、beta和gama波以及500Hz點所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。

“研究人員發(fā)現(xiàn)在大腦的海馬狀突起中有非常快的波動。”Medtronic公司神經(jīng)系統(tǒng)事業(yè)部高級IC設(shè)計工程師Tim Denison指出,“這些波動頻率在表面測量中是看不到的,但一旦深入大腦內(nèi)部你就能獲得這些有趣的生物標(biāo)志。這是還沒有取得重大研究成果的領(lǐng)域,因為我們還不了解看到的所有信號。”

設(shè)計中采用了一個商用微處理器來執(zhí)行頻譜掃描,以便發(fā)現(xiàn)新的波形。工程師們還增加了新的濾波器和增益控制機(jī)制,來補(bǔ)償不斷變化的噪聲電平。

“當(dāng)你試圖接入具有不同噪聲狀態(tài)的不同大腦時,你可能真的需要放棄你的算法。”Denison表示。

研究人員還必須權(quán)衡處理他們測量的位置。傳統(tǒng)的腦電圖儀只能分析頭部表面發(fā)出的2到3μv信號,這些信號容易受到病人移動所帶來的噪聲影響,從而導(dǎo)致失真。接近神經(jīng)元的探測可以獲得較強(qiáng)的100μv信號,但成本很高。

“整個大腦和脊柱被一層叫做硬腦(脊)膜的薄膜包裹著以防止感染,”Harrison指出,“這尤如大自然中最神圣的地方。突破這個保護(hù)屏障可能會帶來很大的外科風(fēng)險。”

在另外一個晚間小組討論會上,Medtronic公司的另外一位工程師介紹了制造人工胰腺的最新進(jìn)展。Medtronic公司已經(jīng)開發(fā)出可人工起動的植入型胰島素泵,該新設(shè)備可以自動檢查血糖值,并在需要時提供胰島素。

“我們正在研究一種新算法,并且我們相信這是最適合我們芯片使用的算法。”高級研究經(jīng)理Barry Keenan表示。

Keenan討論了帶自適應(yīng)濾波器和算法的冗余傳感器的使用方法,這種方法可以補(bǔ)償硬件誤碼率,最多能改善30%。

“今年我們已經(jīng)通過大規(guī)模的試驗驗證了這種自動防故障系統(tǒng),因此我們可以啟動無人監(jiān)督計劃。”Keenan表示,“我們必須向世人表明,這些系統(tǒng)能百分之百有效地滿足美國食品藥品管理局(FDA)的規(guī)定。”

更好的測試裝置

在其它一些小組討論中,演講者還介紹了旨在改進(jìn)醫(yī)療測試設(shè)備、同時削減其成本和體積的芯片。

來自哈佛的一個小組展示了一個小型的、書本大小的模塊,該模塊可以驅(qū)動核磁共振成像系統(tǒng)。模塊的核心是一塊1.9×2mm的芯片,它能驅(qū)動與傳統(tǒng)設(shè)備相比靈敏度高60倍、重量輕60倍、體積小40倍的系統(tǒng),這種系統(tǒng)重量是260磅,成本大約為7萬美元。

更高的靈敏度意味著醫(yī)生可以在疾病發(fā)生的更早階段發(fā)現(xiàn)病原體,提交上述論文的哈佛Nan Sun表示。“該設(shè)備的集成度要高過目前有過報道的任何設(shè)備。”Sun指出。

蘇格蘭愛丁堡大學(xué)的研究人員Bruce Rae所介紹的一個設(shè)備可以對硅片中的分子進(jìn)行光學(xué)分析,該設(shè)備有望取代目前使用激光源、光子和濾波器的大型昂貴的DNA測試儀器。

而4×16微型LED陣列則可以代替大型打印機(jī)大小、價格近20萬美元的設(shè)備(包括與之相連的獨立PC)。由于系統(tǒng)的體積和成本降低超過一半,這個350nm設(shè)備可以做成一個能放在醫(yī)生的辦公室的儀器,而不需要專門放置在某個實驗室。

另外,IMEC的Refet Yazicioglu展示了一款A(yù)SIC,它能將EEG系統(tǒng)的電路縮小到約1立方厘米的模塊。通過替代目前使用的大體積老式盒子,這個8通道芯片將使病人更容易佩戴,并可能收集更好的數(shù)據(jù)。“現(xiàn)有的那些有很多線的設(shè)備讓人崩潰,會使病人處于不自然的狀態(tài),進(jìn)而影響測試效果。”Yazicioglu指出。