融合生物學與電子學的醫(yī)療應用曙光初露

　　硅眼(Silicon Eyes)

　　在談到植入技術時，德國烏爾姆大學(University of Ulm)教授Albrecht Rothermel介紹了一款可以成為首款商用人造視網膜的芯片。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。

　　這種人造視網膜采用0.8μm技術制造，厚度只有20μm。它采用了寬廣的電壓擺幅作為視網膜刺激，并采用新的電源架構和數(shù)字控制器來循序尋址畫素。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膜是如何感知信息的?！盧othermel表示，“我們也認為盲人應可透過一種學習的過程而重見光明?！?/P>

　　在ISSCC上所討論的其它植入技術中，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?！泵绹q他大學副教授Reid Harrison表示?！凹热凰鼈兊慕M件已經能夠正常工作，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?！彼硎?。

　　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常快速的波動。”Medtronic公司神經系統(tǒng)事業(yè)部資深IC設計總工程師Tim Denison指出，“這些波動頻率在表面測量中是看不到的，但一旦深入大腦內部，你就能獲得這些有趣的生物標志。但這是一項還未能取得重大研究成果的領域，因為我們還不了解觀察到的所有訊號?！?/P>

　　該設計中采用了一個現(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，但這些訊號經常會受到病人行動造成的噪音所影響，因而導致失真。雖然接近神經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風險?！?/P>

　　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公司已經開發(fā)出可人工激活的植入式胰島素泵，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。”資深研究經理Barry Keenan表示。

　　Keenan并討論了幾種具有自適應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%。

　　“今年我們已經進行了大規(guī)模的試驗來證實這種自動預防故障的系統(tǒng)，因而能夠激活無人監(jiān)督計劃?！盞eenan表示，“我們必須聲明，這些系統(tǒng)能百分之百有效地滿足美國食品藥品管理局(FDA)的規(guī)定?！?/P>

德國烏爾姆大學的人造視網膜原型包括了一塊植入式芯片和一個配戴在耳后的控制器

　　改善測試設備

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

　　哈佛大學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)設備而言，新模塊能驅動靈敏度更高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Nan Sun表示?！霸撛O備的整合度高于目前任何所知的設備?！盨un指出。

　　蘇格蘭愛丁堡大學的研究人員Bruce Rae介紹了一種設備，可以為芯片中的分子進行光學分析。該設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ASIC，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。“現(xiàn)有的那些連接著各種線路的設備幾乎讓人崩潰，更使病人處于不自然的狀態(tài)，可能影響到測試效果?！盰azicioglu指出。