融合生物學(xué)與電子學(xué)的醫(yī)療應(yīng)用曙光初露

　　硅眼(Silicon Eyes)

　　在談到植入技術(shù)時(shí)，德國(guó)烏爾姆大學(xué)(University of Ulm)教授A(yíng)lbrecht Rothermel介紹了一款可以成為首款商用人造視網(wǎng)膜的芯片。這所大學(xué)正與Retina Implant公司針對(duì)1,600畫(huà)素、3×3.5mm數(shù)組研究方面展開(kāi)了合作。

　　這款組件在Rothermel演講的前幾天才從代工廠(chǎng)制造出來(lái)，它主要根據(jù)德國(guó)斯圖加特微電子研究所(IMS)開(kāi)發(fā)的1,450畫(huà)素?cái)?shù)組為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)。其CMOS成像器具有170dB的動(dòng)態(tài)范圍，曾在一項(xiàng)為期數(shù)周的醫(yī)院實(shí)驗(yàn)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(lái)循序?qū)ぶ樊?huà)素。Rothermel表示，它能讓一些盲人感覺(jué)到反射光。

　　“我們希望這款新芯片可以協(xié)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?！盧othermel表示，“我們也認(rèn)為盲人應(yīng)可透過(guò)一種學(xué)習(xí)的過(guò)程而重見(jiàn)光明。”

　　在ISSCC上所討論的其它植入技術(shù)中，Medtronic公司的研究人員介紹了一種用于記錄腦部深度訊號(hào)的原型芯片。這款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公司也已開(kāi)發(fā)出一款腦部深度刺激器，來(lái)減輕帕金森氏癥和癲癇的癥狀。這款新設(shè)備和其它電路用在一起，可以使系統(tǒng)增加閉路功能，以便更為更靈活地記錄、處理和響應(yīng)腦部訊號(hào)。

　　“僅僅要證明一個(gè)適合植入大腦刺激的電極就得花上數(shù)年的時(shí)間?！泵绹?guó)猶他大學(xué)副教授Reid Harrison表示?！凹热凰鼈兊慕M件已經(jīng)能夠正常工作，那么用這個(gè)組件還能做點(diǎn)別的什么就顯得很有意義，例如記錄大腦訊號(hào)?！彼硎?。

　　研究人員還在尋找新訊號(hào)種類(lèi)與其測(cè)量方法。Medtronic芯片不僅能透過(guò)傳統(tǒng)對(duì)訊號(hào)峰值的追蹤來(lái)記錄寬能(bandPower)波動(dòng)，還能測(cè)量alpha、beta和gama波以及500Hz點(diǎn)所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。

　　“研究人員發(fā)現(xiàn)在大腦的海馬體突起中有非?？焖俚牟▌?dòng)?！盡edtronic公司神經(jīng)系統(tǒng)事業(yè)部資深I(lǐng)C設(shè)計(jì)總工程師Tim Denison指出，“這些波動(dòng)頻率在表面測(cè)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。但這是一項(xiàng)還未能取得重大研究成果的領(lǐng)域，因?yàn)槲覀冞€不了解觀(guān)察到的所有訊號(hào)?！?/P>

　　該設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)現(xiàn)成的商用化微處理器來(lái)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(lái)補(bǔ)償不斷變化的噪音電平。

　　“當(dāng)你試圖接取具有各種噪音狀態(tài)的不同大腦時(shí)，你可能真的必須放棄一般的算法。”Denison表示。

　　研究人員們還必須權(quán)衡處理他們所測(cè)量的位置。傳統(tǒng)的腦電圖儀(EEG)只能分析頭部表面所發(fā)出的2到3μV訊號(hào)，但這些訊號(hào)經(jīng)常會(huì)受到病人行動(dòng)造成的噪音所影響，因而導(dǎo)致失真。雖然接近神經(jīng)元的探測(cè)可以獲得較強(qiáng)的100μV訊號(hào)，但成本卻很高。

　　“整個(gè)大腦和脊椎被一層稱(chēng)為硬腦(脊)膜的薄膜包裹著以防止感染，”Harrison指出，“這就像是大自然中最神圣的地方一樣，突破這個(gè)保護(hù)屏障可能會(huì)帶來(lái)很大的手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)?！?/P>

　　在另外一場(chǎng)專(zhuān)題討論會(huì)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(kāi)發(fā)出可人工激活的植入式胰島素泵，該新設(shè)備可以自動(dòng)檢查血糖值，并在需要時(shí)提供胰島素。

　　“我們正致力于研究一種新式算法，我們相信這是最適合我們芯片使用的算法。”資深研究經(jīng)理Barry Keenan表示。

　　Keenan并討論了幾種具有自適應(yīng)濾波器和算法的冗余傳感器使用方法，這種方法可以補(bǔ)償并修正硬件誤碼率達(dá)30%。

　　“今年我們已經(jīng)進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)來(lái)證實(shí)這種自動(dòng)預(yù)防故障的系統(tǒng)，因而能夠激活無(wú)人監(jiān)督計(jì)劃?！盞eenan表示，“我們必須聲明，這些系統(tǒng)能百分之百有效地滿(mǎn)足美國(guó)食品藥品管理局(FDA)的規(guī)定。”

德國(guó)烏爾姆大學(xué)的人造視網(wǎng)膜原型包括了一塊植入式芯片和一個(gè)配戴在耳后的控制器

　　改善測(cè)試設(shè)備

　　在其它的小組討論中，演講者還介紹了可用于改善醫(yī)療測(cè)試設(shè)備、同時(shí)削減成本和體積的其它芯片。

　　哈佛大學(xué)的一個(gè)小組展示了一個(gè)小尺寸書(shū)本大小的模塊，該模塊可以驅(qū)動(dòng)核磁共振成像系統(tǒng)。該新模塊的核心采用1.9×2mm的芯片；相較于重量約260磅、成本約7萬(wàn)美元的傳統(tǒng)設(shè)備而言，新模塊能驅(qū)動(dòng)靈敏度更高60倍、重量更輕60倍、體積更小40倍的系統(tǒng)。

　　更高的靈敏度意味著醫(yī)生可以在疾病發(fā)生的更早階段就發(fā)現(xiàn)病原體，提交該論文的哈佛大學(xué)Nan Sun表示?！霸撛O(shè)備的整合度高于目前任何所知的設(shè)備。”Sun指出。

　　蘇格蘭愛(ài)丁堡大學(xué)的研究人員Bruce Rae介紹了一種設(shè)備，可以為芯片中的分子進(jìn)行光學(xué)分析。該設(shè)備可望取代目前使用雷射光源、光子和濾波器等大型且昂貴的DNA測(cè)試儀器。

　　而4×16的微型LED數(shù)組則可取代一種如同大型打印機(jī)大小、價(jià)格近20萬(wàn)美元的設(shè)備(包括與其相連的獨(dú)立PC)。由于系統(tǒng)的體積和成本縮減了一半以上，使得這款350nm的設(shè)備可作為醫(yī)生診療室中所置放的儀器，而不必專(zhuān)門(mén)放置在遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室中。

　　此外，IMEC的Refet Yazicioglu還展示了一款A(yù)SIC，它能將EEG系統(tǒng)的電路縮小成大約1立方公分的模塊。這款8信道芯片將可取代目前所使用的大型舊式機(jī)盒，而使病人更容易配戴，也較能夠收集到更好的數(shù)據(jù)?！艾F(xiàn)有的那些連接著各種線(xiàn)路的設(shè)備幾乎讓人崩潰，更使病人處于不自然的狀態(tài)，可能影響到測(cè)試效果?！盰azicioglu指出。