融合生物學與電子學的先進醫(yī)療應用曙光初露

一種無線硅晶監(jiān)視器可以像貼OK繃一樣的使用，用完后即可扔掉；另一種芯片可望成為商用視網(wǎng)膜的替代品；還有一種用于測量波形的組件則可深植于大腦之中。這些技術(shù)進展是日前于美國舊金山舉行的國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上所發(fā)表的眾多論文主題。這些技術(shù)讓人們更加相信，生物學將成為下一個重要的電子應用領域。

　　“我建議工程師們認真學習兩門學科：一是電子工程學，而另一門則是自然科學。”德州大學研究員Mark McDermott表示，“許多工程師們開始對醫(yī)療問題產(chǎn)生濃厚的興趣。”McDermott還曾擔任過飛思卡爾(Freescale)和英特爾(Intel)公司的工程技術(shù)經(jīng)理。

　　在ISSCC大會的一場演講中，美國布朗大學工程學教授Arto Nurmikko介紹涉及了電子學、光學和解剖學的大腦植入設計。“這是包括了計算機科學、工程學、生物學以及像瑞士鐘表制造商鉆孔般精密的機械學等跨學科領域。”Nurmikko表示。

　　比利時校際微電子中心(IMEC)研究員Chris Van Hoof在ISSCC上主持了一場有關生命科學的研討會，他在開場致詞時即明白指出：“硅晶與人體的相互作用正變得越來越密切。”

　　在不久的將來，配備無線可穿戴式傳感器的病人不必再到醫(yī)院去，就能夠獲得醫(yī)生所開出的定期檢查報告，三星先進技術(shù)研究所執(zhí)行長Hyung Kyu Lim在ISSCC的主題演講中表示，醫(yī)療保健設備和服務機器人是針對這些新業(yè)務的兩種主要新興消費產(chǎn)品，然而實現(xiàn)這些未來服務的系統(tǒng)非常復雜且昂貴，因為它們需要更高等的機器智能。例如，新創(chuàng)企業(yè)Toumaz Technology在ISSCC上介紹了一款定制芯片，能把無線監(jiān)視器放在一個??棄式的貼布上。該芯片是多種新興的智能型可穿戴式組件中的一種，能幫助病人和消費者在舒適的家中獲得醫(yī)療監(jiān)控服務。

　　“我們不僅面臨著熟齡化的社會，而且這個社會尚未建立起健康的生活方式。”Toumaz公司技術(shù)總監(jiān)Alison Burdett表示，“有越來越多的人患有慢性疾病，這將為全球保健體系帶來沉重的負擔。”

　　一家大型的美國醫(yī)療保健公司據(jù)說正與Toumaz公司合作，計劃在2009年底以前推出基于硅晶的醫(yī)用貼布。另外，美國奇異(GE)和飛利浦等公司據(jù)說也將在實驗室中展開類似的計劃。

　　為了進一步降低功耗與提高可靠性，Toumaz公司為800MHz到900MHz的無線網(wǎng)絡開發(fā)了定制的硬件和協(xié)議，所用組件的大數(shù)據(jù)速率可達50kbps。該芯片在通訊時的電流為2.5mA，但其數(shù)字控制部份的功耗只有100μw。

　　“定制的媒體存取控制器(MAC)是關鍵，因為在短距離通訊中總是存在著干擾，因而我們具有許多緩沖層。”Burdett表示。

　　盡管該產(chǎn)品是定制化設計，但這種貼布在明年上市時的價格可望低至5美元。當中所用的芯片尺寸為16平方毫米，且只占成本的一小部份。該芯片將由英飛凌科技公司采用130nm制程進行制造。

　　“當這種貼布投入大量產(chǎn)時，硅芯片的成本真的微乎其微。”Burdett表示，“大部份的成本都來自組裝和制造方面，因為它必須采用新的制程。”

　　該芯片可與傳感器連接來實現(xiàn)心電圖設備、三軸加速計或血糖、pH值和壓力監(jiān)視器。雖然同一時刻只能為一個傳感器進行測量，但它可在三個傳感器之間進行切換。

　　在有關‘Life Thermascope’計劃的論文中，日立公司(Hitachi)闡述了這種組件如何成為消費性產(chǎn)品的理由。該計劃使用了一個現(xiàn)成的設計，并整合于腕表或徽章，使其可用以記錄用戶的體溫，以及一整套對個人精神、體格和社交狀態(tài)的日常評估數(shù)據(jù)。

　　一項針對200名用戶所作的場測顯示，即使單一傳感器也有助于追蹤日常生活中的細微模式改變，日立的工程師指出。上述監(jiān)視器采用30立方公分的模塊封裝，并采用工作在ZigBee網(wǎng)絡上的32位H8S處理器。

　　硅眼(Silicon Eyes)

　　在談到植入技術(shù)時，德國烏爾姆大學(University of Ulm)教授Albrecht Rothermel介紹了一款可以成為商用人造視網(wǎng)膜的芯片。這所大學正與Retina Implant公司針對1,600畫素、3×3.5mm數(shù)組研究方面展開了合作。

　　這款組件在Rothermel演講的前幾天才從代工廠制造出來，它主要根據(jù)德國斯圖加特微電子研究所(IMS)開發(fā)的1,450畫素數(shù)組為基礎所設計。其CMOS成像器具有170dB的動態(tài)范圍，曾在一項為期數(shù)周的醫(yī)院實驗中用于植入許多病人體內(nèi)。

　　這種人造視網(wǎng)膜采用0.8μm技術(shù)制造，厚度只有20μm。它采用了寬廣的電壓擺幅作為視網(wǎng)膜刺激，并采用新的電源架構(gòu)和數(shù)字控制器來循序?qū)ぶ樊嬎?。Rothermel表示，它能讓一些盲人感覺到反射光。