电子与人体的接口技术

　　鉴于电子嵌入系统正在寻求进入并取代更多机械控制系统的方法,有理由预期它们也将会找到进入生物系统如人体的途径。实际上,电子嵌入系统每天都在用各种方式与人体打交道,完成多种功能,如健康监护、管理及维持系统功能（如心脏）、控制药物或将酶注入人体代替失去功能的器官,甚至恢复肢体和感官的功能等。某些情况下,这些功能的实现已经有数十年的历史,而电子学的发展只是降低这些系统的成本,改进替代这些系统的可靠性以及延长它们的生命周期。在其它情况下,这些功能正在实验室中实现,但还需要更细致的改进才能用于现实世界。

　　无论是何种情况,电子系统与病人身体的联系都比以往更加紧密。有时这种与人体关联的方式是介入式的,如植入设备会在病人身体内完成自己的整个运行寿命。心脏起搏器是植入设备的一个常见实例。病人可以吞服的设备是诊断与治疗过程中的一个新兴平台。胰岛素泵和给药泵也是植入系统,它们的部件一般会存在于病人的体内和体外,依靠这类系统可以提供精确剂量的胰岛素或药品。另一个成长中的新兴市场是植入式神经刺激系统,或叫脊髓神经电刺激,该设备有位于病人体外的控制单元,用于治疗慢性疼痛或处理癫痫发作。

　　除了有植入部件的插入系统以外,电子子系统还能使医生和某些设备采用比以前较少侵入性的方式完成自己的功能。如腹腔镜手术就是这样一个领域,电子系统使外科医生用最低限度的侵入方式完成手术,而减少对病人身体的压力（参考文献 1）。很多公司都在致力于发展非侵入式血糖仪,它可以连续监控血糖水平,这样病人可以用这种新式仪器自己监测血糖水平,而无需刺手指取血作测试。开发中的非侵入式血糖仪尝试用各种方式完成血糖的测量,如在皮肤上投射光束,并检测红外吸收情况;通过无线电波阻抗测量电磁波通过皮肤和血液后的吸收情况;或用反向离子导入法从几乎无损的皮肤上吸出间质液体。

　　高门槛

　　医疗和健康保健中使用的嵌入系统要受到一系列规章限制的监管,而工业与商务应用则不需要考虑这些问题。这些系统满足规章需求的程度与它们要担当的角色是相关的。生命维持系统要面临更严格的控制,而对诊断和监护系统的上市要求就比较宽松。身兼多家公司主席（包括 InCube 实验室）的 Mir Imran 认为：“公众并不知道很多电子医疗系统正在开发中,因为它们需要完成制订规章的过程。”

　　对电子医疗系统制订规章的要求现在还没有直接波及半导体供应商,目前这一重担基本被终端产品集成商全部承担下来。根据多家半导体供应商的说法,正在开发医疗系统（尤其是植入系统）的团队经常向它们提出包括更小型的封装、更高的器件和存储可靠性、高分辨率的模数转换能力、电池监控以及更低的功耗等要求。

　　对低功耗的考虑也经常需要系统能支持多种低功耗或睡眠模式,因为系统可能并不总是处于全部运行状态。终端系统集成商考虑的另一个问题是设备被埋入病人体内之前的货架寿命,因为电源已经装在密封的壳体内,而不能在植入时才由医生装入。供应商制造系统的时间与医生将其植入病人体内的时间差可能会相当大。

　　设计团队为满足和坚持规章认证要求而要考虑的其它问题,包括一家半导体制造商提供和支持一个部件的时间长度,以及公司是否承诺保持设备的管脚兼容性。如果团队需要对系统作重新认证,则重新认证过程的成本可能会不合理。如果供应商将一个部件置于寿命终期状态,则设计团队可能要作寿命终期采购;某些情况下,这些采购量是数千而不是数百万件。设备管脚的变化可能需要重新认证,因此管脚可兼容的设备是非常必要的。

　　植入系统的市场份额通常要低于消费类多媒体应用。如消费市场是以数百万为计量单位,而植入医疗系统可能只有几百或几千台。德州仪器公司(Texas Instruments)技术员 Gene Frantz 指出：“针对植入电子在人体中的三个重要挑战,有些开发者正在作早期的工作。这三个挑战是：如何在体温下运行系统;如何不使设备周围的水沸腾;以及如何避免在咸水环境下的腐蚀。”虽然电子器件位于密封的壳体内,但传感器仍必须直接接触病人体内的组织和咸水环境。

　　可以利用人体温差发电而运行的处理器可能会在未来不久出现,很多半导体公司都这么认为。一度的温差可以为系统提供 2mW 功率。跨越这种电源门槛,电子嵌入系统就有了几乎无限的电池能源,因为它总能从周围环境中（此时是人体）获取能量。这种功能可以使植入控制系统留存在病人体内远长于目前植入系统的几年至10年留存时间。对这些未来的低功耗系统而言,人体的运动是可能获取能量的另一个来源。当前延长植入系统电池寿命的一种方法是使用可充电电池,或换用位于体外的电源。对于植入体内的电源系统,这种方法意味着病人必须定期去充电。病人要用定期充电的麻烦换取这种系统的优点。研究人员正在探索的另一种为植入电池充电的方法是涓流充电法。

　　对高密度计算系统来说,散热是一个需要考虑的重要问题,例如中心办公室的通信设备或服务器。植入人体的系统也要考虑散热问题,因为体内液体循环不足以带走植入系统产生的热量,尤其是对那些运行时间大于体眠时间的系统。这种类型系统的一个例子是永久性的微电子视网膜植入系统。视网膜植入是医学博士 Mark S Humayun 的研究成果,他的研究小组位于美国南加州大学（洛杉矶）的仿生微电子系统工程研究中心。

　　视网膜植入系统试图为由于老年性黄斑退化或视网膜色素变性而失明的病人恢复部分视觉功能。这一研究的对象是曾经有视力的病人,而不是天生全盲者。Model 1系统组合了一个小型摄像机和一个DSP,将图像传送到植入的4mm×5mm视网膜芯片上,该芯片有排成4×4结构的 16个电极。系统的 Model 2 型大小只有原来尺寸的20%,有60个电极。Model 3 型正在开发中,它将有1000个电极和一个特殊的芯片涂层,可以使芯片符合眼球的形状与运动（图 1）。