電子與人體的接口技術(shù)

　　高門(mén)檻

　　醫(yī)療和健康保健中使用的嵌入系統(tǒng)要受到一系列規(guī)章限制的監(jiān)管,而工業(yè)與商務(wù)應(yīng)用則不需要考慮這些問(wèn)題。這些系統(tǒng)滿足規(guī)章需求的程度與它們要擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧窍嚓P(guān)的。生命維持系統(tǒng)要面臨更嚴(yán)格的控制,而對(duì)診斷和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的上市要求就比較寬松。身兼多家公司主席（包括 InCube 實(shí)驗(yàn)室）的 Mir Imran 認(rèn)為：“公眾并不知道很多電子醫(yī)療系統(tǒng)正在開(kāi)發(fā)中,因?yàn)樗鼈冃枰瓿芍朴喴?guī)章的過(guò)程。”

　　對(duì)電子醫(yī)療系統(tǒng)制訂規(guī)章的要求現(xiàn)在還沒(méi)有直接波及半導(dǎo)體供應(yīng)商,目前這一重?fù)?dān)基本被終端產(chǎn)品集成商全部承擔(dān)下來(lái)。根據(jù)多家半導(dǎo)體供應(yīng)商的說(shuō)法,正在開(kāi)發(fā)醫(yī)療系統(tǒng)（尤其是植入系統(tǒng)）的團(tuán)隊(duì)經(jīng)常向它們提出包括更小型的封裝、更高的器件和存儲(chǔ)可靠性、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力、電池監(jiān)控以及更低的功耗等要求。

　　對(duì)低功耗的考慮也經(jīng)常需要系統(tǒng)能支持多種低功耗或睡眠模式,因?yàn)橄到y(tǒng)可能并不總是處于全部運(yùn)行狀態(tài)。終端系統(tǒng)集成商考慮的另一個(gè)問(wèn)題是設(shè)備被埋入病人體內(nèi)之前的貨架壽命,因?yàn)殡娫匆呀?jīng)裝在密封的殼體內(nèi),而不能在植入時(shí)才由醫(yī)生裝入。供應(yīng)商制造系統(tǒng)的時(shí)間與醫(yī)生將其植入病人體內(nèi)的時(shí)間差可能會(huì)相當(dāng)大。

　　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為滿足和堅(jiān)持規(guī)章認(rèn)證要求而要考慮的其它問(wèn)題,包括一家半導(dǎo)體制造商提供和支持一個(gè)部件的時(shí)間長(zhǎng)度,以及公司是否承諾保持設(shè)備的管腳兼容性。如果團(tuán)隊(duì)需要對(duì)系統(tǒng)作重新認(rèn)證,則重新認(rèn)證過(guò)程的成本可能會(huì)不合理。如果供應(yīng)商將一個(gè)部件置于壽命終期狀態(tài),則設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能要作壽命終期采購(gòu);某些情況下,這些采購(gòu)量是數(shù)千而不是數(shù)百萬(wàn)件。設(shè)備管腳的變化可能需要重新認(rèn)證,因此管腳可兼容的設(shè)備是非常必要的。

　　植入系統(tǒng)的市場(chǎng)份額通常要低于消費(fèi)類(lèi)多媒體應(yīng)用。如消費(fèi)市場(chǎng)是以數(shù)百萬(wàn)為計(jì)量單位,而植入醫(yī)療系統(tǒng)可能只有幾百或幾千臺(tái)。德州儀器公司(Texas Instruments)技術(shù)員 Gene Frantz 指出：“針對(duì)植入電子在人體中的三個(gè)重要挑戰(zhàn),有些開(kāi)發(fā)者正在作早期的工作。這三個(gè)挑戰(zhàn)是：如何在體溫下運(yùn)行系統(tǒng);如何不使設(shè)備周?chē)乃序v;以及如何避免在咸水環(huán)境下的腐蝕?！彪m然電子器件位于密封的殼體內(nèi),但傳感器仍必須直接接觸病人體內(nèi)的組織和咸水環(huán)境。

　　可以利用人體溫差發(fā)電而運(yùn)行的處理器可能會(huì)在未來(lái)不久出現(xiàn),很多半導(dǎo)體公司都這么認(rèn)為。一度的溫差可以為系統(tǒng)提供 2mW 功率。跨越這種電源門(mén)檻,電子嵌入系統(tǒng)就有了幾乎無(wú)限的電池能源,因?yàn)樗偰軓闹車(chē)h(huán)境中（此時(shí)是人體）獲取能量。這種功能可以使植入控制系統(tǒng)留存在病人體內(nèi)遠(yuǎn)長(zhǎng)于目前植入系統(tǒng)的幾年至10年留存時(shí)間。對(duì)這些未來(lái)的低功耗系統(tǒng)而言,人體的運(yùn)動(dòng)是可能獲取能量的另一個(gè)來(lái)源。當(dāng)前延長(zhǎng)植入系統(tǒng)電池壽命的一種方法是使用可充電電池,或換用位于體外的電源。對(duì)于植入體內(nèi)的電源系統(tǒng),這種方法意味著病人必須定期去充電。病人要用定期充電的麻煩換取這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。研究人員正在探索的另一種為植入電池充電的方法是涓流充電法。

　　對(duì)高密度計(jì)算系統(tǒng)來(lái)說(shuō),散熱是一個(gè)需要考慮的重要問(wèn)題,例如中心辦公室的通信設(shè)備或服務(wù)器。植入人體的系統(tǒng)也要考慮散熱問(wèn)題,因?yàn)轶w內(nèi)液體循環(huán)不足以帶走植入系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量,尤其是對(duì)那些運(yùn)行時(shí)間大于體眠時(shí)間的系統(tǒng)。這種類(lèi)型系統(tǒng)的一個(gè)例子是永久性的微電子視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)。視網(wǎng)膜植入是醫(yī)學(xué)博士 Mark S Humayun 的研究成果,他的研究小組位于美國(guó)南加州大學(xué)（洛杉磯）的仿生微電子系統(tǒng)工程研究中心。

　　視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)試圖為由于老年性黃斑退化或視網(wǎng)膜色素變性而失明的病人恢復(fù)部分視覺(jué)功能。這一研究的對(duì)象是曾經(jīng)有視力的病人,而不是天生全盲者。Model 1系統(tǒng)組合了一個(gè)小型攝像機(jī)和一個(gè)DSP,將圖像傳送到植入的4mm×5mm視網(wǎng)膜芯片上,該芯片有排成4×4結(jié)構(gòu)的 16個(gè)電極。系統(tǒng)的 Model 2 型大小只有原來(lái)尺寸的20%,有60個(gè)電極。Model 3 型正在開(kāi)發(fā)中,它將有1000個(gè)電極和一個(gè)特殊的芯片涂層,可以使芯片符合眼球的形狀與運(yùn)動(dòng)（圖 1）。

　　閉環(huán)控制

　　閉環(huán)控制是很多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣和控制的基本能力。嚴(yán)格的生命維護(hù)系統(tǒng)可以自主地對(duì)環(huán)境作檢測(cè),并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)完成自己的功能,例如植入的心臟除顫器和起搏器。今天的很多系統(tǒng)都不是自主閉環(huán)的,而是由病人完成閉環(huán)。在象胰島素泵這類(lèi)裝置中,病人必須清楚泵的工作原理,并控制泵的運(yùn)行。泵的影響因素很多,如病人攝入的碳水化合物、壓力大小、身體機(jī)能發(fā)揮的程度（如運(yùn)動(dòng)的投入程度）、休息的時(shí)間等都會(huì)影響泵的時(shí)序和送出胰島素的劑量。MedtrONic MiniMed 這些公司正在研究如何將胰島素泵組合到一個(gè)自主的閉環(huán)系統(tǒng)中,它可以連續(xù)監(jiān)控血糖水平,從而制造出一個(gè)人工胰腺。

　　假肢市場(chǎng)雖然相對(duì)較小,但隨著研究人員取得的進(jìn)展該市場(chǎng)象谷倉(cāng)一樣獲得了更多的關(guān)注。最新消息是有關(guān) Jesse Sullivan,這個(gè)“全球第一個(gè)仿生人”是該技術(shù)的一個(gè)實(shí)例。在 2001 年 5 月,當(dāng)時(shí)是高壓線工的 54 歲 Sullivan 遇到了改變自己人生的一件事：他遭到強(qiáng)大的電擊,醫(yī)生切掉了他的雙上肢（參考文獻(xiàn) 2）。芝加哥整形學(xué)院的醫(yī)學(xué)博士 Todd Kuiken 和其它研究人員開(kāi)發(fā)了一種假肢和假手,裝在 Sullivan 身上。（可以在 www.ric.org/bionic 上看到 Sullivan 演示自己假臂的視頻。）該技術(shù)是很多人研究的成果,而與 Sullivan 神經(jīng)系統(tǒng)的接口則是另一個(gè)小組的成果,它們顯示出假肢的發(fā)展方向。但是,即使假肢受到 Sullivan 的控制,他現(xiàn)在也必須用自己的眼睛,仔細(xì)明確地關(guān)閉系統(tǒng)的控制回路,因?yàn)榭刂破鬟€沒(méi)有其它的反饋機(jī)制。

　　這個(gè)假肢是來(lái)自 Liberating 技術(shù)公司的 BoNSton 數(shù)字臂（圖 2）。它是一個(gè)為病人提供肘臂的平臺(tái),但它也可以控制其它假肢裝置,如腕、手和肩鎖機(jī)構(gòu)。其軟件能使它與各種輸入裝置一起工作,包括觸摸板、伺服控制、開(kāi)關(guān)和肌電極等。肌電極從肌肉的收縮中提取信號(hào),這樣殘肢的運(yùn)動(dòng)就能起動(dòng)觸摸板、伺服換能器和開(kāi)關(guān)。軟件可以將這些裝置的輸入傳送給外部設(shè)備,或者可以通過(guò)連接的 PWM 接口,根據(jù)這些輸入直接控制外部設(shè)備。作為向一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)展的一部分,研究者正在開(kāi)發(fā)脊髓環(huán)路的仿真品。

　　仿生人裝置的神奇之處是位于皮膚與肌肉收縮之間的電極接口。Sullivan 所用的神經(jīng)信號(hào)基本上與事故發(fā)生前用來(lái)控制手臂的神經(jīng)信號(hào)相同。一般來(lái)說(shuō),控制手臂的肌肉收縮通常也是當(dāng)他試圖運(yùn)動(dòng)手臂或手上一組肌肉時(shí)出現(xiàn)的情況。Sullivan 遭遇事故以后,他失去可以收縮的肌肉,因此研究者將神經(jīng)移至胸部的肌肉上（圖 3）。通過(guò)肌肉的收縮表示他的意圖,假肢、假腕和假手系統(tǒng)就可以作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

　　通信

　　我們的世界正日益連接成為一體,而個(gè)人醫(yī)療裝置也離不開(kāi)這一趨勢(shì)。人體可能是對(duì)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的下一個(gè)最大挑戰(zhàn)。隨著更多的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)入家庭,降低醫(yī)療成本的要求也越來(lái)越強(qiáng)烈,如無(wú)需醫(yī)生上門(mén)就將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生診所。用于網(wǎng)絡(luò)連接的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)與家庭中使用的商用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不同。為了支持家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的連接,設(shè)計(jì)小組正在探討各類(lèi)商用接口,包括USB連接。支持USB端口的醫(yī)療設(shè)備也有助于促進(jìn)并提高無(wú)線USB標(biāo)準(zhǔn)的牢靠性。

　　與植入系統(tǒng)間的無(wú)線通信是一個(gè)發(fā)展中的功能,尤其是它可以無(wú)需在病人皮膚上植入一個(gè)實(shí)際的接口。用于植入醫(yī)療裝置的MICS（醫(yī)療植入通信服務(wù)）醫(yī)療通信頻帶是從402MHz ~ 405