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首款商用視網(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?？傊?，這些技術(shù)讓人們更加相信：生物學(xué)將成為下一個重要的電子應(yīng)用領(lǐng)域。

“我建議工程師們認真學(xué)習(xí)兩門學(xué)科：一是電子工程學(xué)，而另一門則是自然科學(xué)。”德州大學(xué)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(dān)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(xué)工程學(xué)教授Arto Nurmikko介紹涉及了電子學(xué)、光學(xué)和解剖學(xué)的大腦植入設(shè)計。“這絕對是包括了計算機科學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)以及像瑞士鐘表制造商鉆孔般精密的機械學(xué)等跨學(xué)科領(lǐng)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(guān)生命科學(xué)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(shè)備和服務(wù)機器人是針對這些新業(yè)務(wù)的兩種主要新興消費產(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)視器放在一個拋棄式的貼布上。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(wù)。

“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(dān)。”

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(luò)開發(fā)了定制的硬件和協(xié)議，所用組件的最大數(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(guān)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(shè)計，但這種貼布在明年上市時的價格可望低至5美元。當(dāng)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(dāng)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(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(guān)‘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(shè)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(luò)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(xué)(University of Ulm)教授Albrecht 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(chǔ)所設(shè)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。

 “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。”Rothermel表示，“我們也認為盲人應(yīng)可透過一種學(xué)習(xí)的過程而重見光明。”

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公司也已開發(fā)出一款腦部深度刺激器，來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。

 “僅僅要證明一個適合植入大腦刺激的電極就得花上數(shù)年的時間。”美國猶他大學(xué)副教授Reid Harrison表示。“既然它們的組件已經(jīng)能夠正常工作，那么用這個組件還能做點別的什么就顯得很有意義，例如記錄大腦訊號。”他表示。

研究人員還在尋找新訊號種類與其測量方法。Medtronic芯片不僅能透過傳統(tǒng)對訊號峰值的追蹤來記錄寬能(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)在大腦的海馬體突起中有非?？焖俚牟▌?。”Medtronic公司神經(jīng)系統(tǒng)事業(yè)部資深I(lǐng)C設(shè)計總工程師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。但這是一項還未能取得重大研究成果的領(lǐng)域，因為我們還不了解觀察到的所有訊號。“

該設(shè)計中采用了一個現(xiàn)成的商用化微處理器來執(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制，來補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，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，但這些訊號經(jīng)常會受到病人行動造成的噪音所影響，因而導(dǎo)致失真。雖然接近神經(jīng)元的探測可以獲得較強的100μV訊號，但成本卻很高。

“整個大腦和脊椎被一層稱為硬腦(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，突破這個保護屏障可能會帶來很大的手術(shù)風(fēng)險。”

在另外一場專題討論會上，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(jīng)開發(fā)出可人工激活的植入式胰島素泵，該新設(shè)備可以自動檢查血糖值，并在需要時提供胰島素。

“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，這種方法可以補償并修正硬件誤碼率達30%。

“今年我們已經(jīng)進行了大規(guī)模的試驗來證實這種自動預(yù)防故障的系統(tǒng)，因而能夠激活無人監(jiān)督計劃。”Keenan表示，“我們必須聲明，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。”

改善測試設(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)療測試設(shè)備、同時削減成本和體積的其它芯片。

哈佛大學(xué)的一個小組展示了一個小尺寸書本大小的模塊，該模塊可以驅(qū)動核磁共振成像系統(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7萬美元的傳統(tǒng)設(shè)備而言，新模塊能驅(qū)動靈敏度更高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。“該設(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大小、價格近20萬美元的設(shè)備(包括與其相連的獨立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，而不必專門放置在遠程實驗室中。
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盒，而使病人更容易配戴，也較能夠收集到更好的數(shù)據(jù)。“現(xiàn)有的那些連接著各種線路的設(shè)備幾乎讓人崩潰，更使病人處于不自然的狀態(tài)，可能影響到測試效果。”Yazicioglu指出。