發布日期：2022-07-14 點擊率：38
這些先進技術紛紛出現在前不久于美國舊金山舉行的國際固態電路會議(ISSCC)上發表的眾多論文中?？傊?它們讓人更加相信:生物學將成為下一個重要的電子應用領域。
“我真的建議工程師認真學好兩門學科:一門是電子技術,另一門是自然科學?！钡轮荽髮W的研究員Mark McDermott表示,“許多工程師開始對醫療問題產生濃厚的興趣?！盡cDermott還曾擔任過飛思卡爾和英特爾公司技術經理。
在ISSCC的晚間演講中,布朗大學的工程學教授Arto Nurmikko介紹了涉及電子學、光學和解剖學的大腦植入設計?！斑@絕對是計算機科學、工程學、生物學以及像瑞士手表制造商鉆孔那樣的精密機械學之間的交叉學科領域。這非常關鍵。”Nurmikko表示。
IMEC研究學院的研究員Chris Van Hoof在ISSCC上主持了有關生命科學的討論,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。”
在不遠的將來,配備有無線佩戴型傳感器的病人無需去醫院就能獲得醫生給出的定期檢查報告,三星綜合技術院首席執行官Hyung Kyu Lim在ISSCC的主題演講中表示。
“衛生保健設備和服務機器人是用于這些新業務的兩種主要的新興消費產品?！盠im指出,“然而,實現這些未來服務的系統非常復雜和昂貴,因為它們需要更高級的機器智能?！?/p>
例如新創企業Toumaz Technology就在ISSCC上介紹了一款定制芯片,能把無線監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療監視服務。
“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?！盩oumaz公司的技術總監Alison Burdett表示,“有越來越多的人患有慢性疾病,這將給全球衛生保健系統帶來沉重的負擔?！?/p>
一家大型的美國衛生保健公司據說正在與Toumaz合作,計劃在2009年底前推出基于硅片的醫用膠布。另據報道,包括GE和菲利浦在內的一些公司也在實驗室開展同樣的項目。
為了進一步降低功耗,提高可靠性,Toumaz公司為800MHz到900MHz的無線網絡開發了定制的硬件和協議,所用器件的最大數據速率可達50kbps。芯片在通信時的電流為,但它的數字控制部分功耗只有100μw。
“定制的介質訪問控制器是關鍵,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?！盉urdett表示。
盡管是定制設計,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工藝進行制造。
“當這種膠布投入大批量生產時,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?！?/p>
該芯片可以與傳感器連接來實現心電圖設備、三軸加速計或血糖、pH值和壓力監視器。雖然同一時刻只能有一個傳感器進行測量,但可以在三個傳感器之間進行切換。
在關于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品的理由。該項目使用了更為現成的設計,并集成進了腕表或徽章,可以記錄用戶的體溫以及一整套對個人精神、體格和交際狀態的日常評估數據。
對200名用戶的現場試驗表明,即使單個傳感器也有助于跟蹤日常生活方式的細微改變,日立工程師指出。上述監視器封裝在30立方厘米的模塊中,采用工作在ZigBee網絡上的32位H8S處理器。
硅片眼
在談到全球植入技術時,德國烏爾姆大學教授Albrecht Rothermel介紹了一款可以成為首個商用人造視網膜的芯片。這所大學與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院開發的1450像素陣列的基礎上設計出來的。其CMOS成像器具有170dB的動態范圍,曾在持續了數周的醫院實驗時被植入了許多病人身體中。
上述人造視網膜采用0.8μm技術制造,厚度只有20μm。它采用了很寬的電壓擺幅用于視網膜刺激,并采用新的電源架構和數字控制器來順序尋址像素。它能讓一些盲人感覺到反射光,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膜是如何感知信息的?！盧othermel表示,“我們也認為盲人重見光明可能是個學習的過程。”
在ISSCC上討論的其它植入技術中,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、處理和響應腦信號的系統增加閉環功能。
“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?！豹q它州立大學副教授Reid Harrison表示。他在ISSCC上主持了關于上述器件的討論?！凹热凰鼈兊钠骷呀浤軌蛘９ぷ?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?！彼硎?。
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點所呈現的現象。
“研究人員發現在大腦的海馬狀突起中有非常快的波動。”Medtronic公司神經系統事業部高級IC設計工程師Tim Denison指出,“這些波動頻率在表面測量中是看不到的,但一旦深入大腦內部你就能獲得這些有趣的生物標志。這是還沒有取得重大研究成果的領域,因為我們還不了解看到的所有信號。”
設計中采用了一個商用微處理器來執行頻譜掃描,以便發現新的波形。工程師們還增加了新的濾波器和增益控制機制,來補償不斷變化的噪聲電平。
“當你試圖接入具有不同噪聲狀態的不同大腦時,你可能真的需要放棄你的算法?！盌enison表示。
研究人員還必須權衡處理他們測量的位置。傳統的腦電圖儀只能分析頭部表面發出的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,從而導致失真。接近神經元的探測可以獲得較強的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。突破這個保護屏障可能會帶來很大的外科風險。”
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展。Medtronic公司已經開發出可人工起動的植入型胰島素泵,該新設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?！备呒壯芯拷浝鞡arry Keenan表示。
Keenan討論了帶自適應濾波器和算法的冗余傳感器的使用方法,這種方法可以補償硬件誤碼率,最多能改善30%。
“今年我們已經通過大規模的試驗驗證了這種自動防故障系統,因此我們可以啟動無人監督計劃。”Keenan表示,“我們必須向世人表明,這些系統能百分之百有效地滿足美國食品藥品管理局(FDA)的規定?！?/p>
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醫療測試設備、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,該模塊可以驅動核磁共振成像系統。模塊的核心是一塊1.9×2mm的芯片,它能驅動與傳統設備相比靈敏度高60倍、重量輕60倍、體積小40倍的系統,這種系統重量是260磅,成本大約為7萬美元。
更高的靈敏度意味著醫生可以在疾病發生的更早階段發現病原體,提交上述論文的哈佛Nan Sun表示。“該設備的集成度要高過目前有過報道的任何設備?！盨un指出。
蘇格蘭愛丁堡大學的研究人員Bruce Rae所介紹的一個設備可以對硅片中的分子進行光學分析,該設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大小、價格近20萬美元的設備(包括與之相連的獨立PC)。由于系統的體積和成本降低超過一半,這個350nm設備可以做成一個能放在醫生的辦公室的儀器,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ASIC,它能將EEG系統的電路縮小到約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據?！艾F有的那些有很多線的設備讓人崩潰,會使病人處于不自然的狀態,進而影響測試效果。”Yazicioglu指出。
