电子与人体的接口技术

　　闭环控制

　　闭环控制是很多系统实现连续采样和控制的基本能力。严格的生命维护系统可以自主地对环境作检测,并根据接收到的数据完成自己的功能,例如植入的心脏除颤器和起搏器。今天的很多系统都不是自主闭环的,而是由病人完成闭环。在象胰岛素泵这类装置中,病人必须清楚泵的工作原理,并控制泵的运行。泵的影响因素很多,如病人摄入的碳水化合物、压力大小、身体机能发挥的程度（如运动的投入程度）、休息的时间等都会影响泵的时序和送出胰岛素的剂量。MedtrONic MiniMed 这些公司正在研究如何将胰岛素泵组合到一个自主的闭环系统中,它可以连续监控血糖水平,从而制造出一个人工胰腺。

　　假肢市场虽然相对较小,但随着研究人员取得的进展该市场象谷仓一样获得了更多的关注。最新消息是有关 Jesse Sullivan,这个“全球第一个仿生人”是该技术的一个实例。在 2001 年 5 月,当时是高压线工的 54 岁 Sullivan 遇到了改变自己人生的一件事：他遭到强大的电击,医生切掉了他的双上肢（参考文献 2）。芝加哥整形学院的医学博士 Todd Kuiken 和其它研究人员开发了一种假肢和假手,装在 Sullivan 身上。（可以在 www.ric.org/bionic 上看到 Sullivan 演示自己假臂的视频。）该技术是很多人研究的成果,而与 Sullivan 神经系统的接口则是另一个小组的成果,它们显示出假肢的发展方向。但是,即使假肢受到 Sullivan 的控制,他现在也必须用自己的眼睛,仔细明确地关闭系统的控制回路,因为控制器还没有其它的反馈机制。

　　这个假肢是来自 Liberating 技术公司的 BoNSton 数字臂（图 2）。它是一个为病人提供肘臂的平台,但它也可以控制其它假肢装置,如腕、手和肩锁机构。其软件能使它与各种输入装置一起工作,包括触摸板、伺服控制、开关和肌电极等。肌电极从肌肉的收缩中提取信号,这样残肢的运动就能起动触摸板、伺服换能器和开关。软件可以将这些装置的输入传送给外部设备,或者可以通过连接的 PWM 接口,根据这些输入直接控制外部设备。作为向一个闭环系统发展的一部分,研究者正在开发脊髓环路的仿真品。

　　仿生人装置的神奇之处是位于皮肤与肌肉收缩之间的电极接口。Sullivan 所用的神经信号基本上与事故发生前用来控制手臂的神经信号相同。一般来说,控制手臂的肌肉收缩通常也是当他试图运动手臂或手上一组肌肉时出现的情况。Sullivan 遭遇事故以后,他失去可以收缩的肌肉,因此研究者将神经移至胸部的肌肉上（图 3）。通过肌肉的收缩表示他的意图,假肢、假腕和假手系统就可以作出适当的响应。

　　通信

　　我们的世界正日益连接成为一体,而个人医疗装置也离不开这一趋势。人体可能是对网络标准的下一个最大挑战。随着更多的医疗设备进入家庭,降低医疗成本的要求也越来越强烈,如无需医生上门就将相关数据传送给医生诊所。用于网络连接的医疗标准与家庭中使用的商用网络标准不同。为了支持家庭监护系统的连接,设计小组正在探讨各类商用接口,包括USB连接。支持USB端口的医疗设备也有助于促进并提高无线USB标准的牢靠性。

　　与植入系统间的无线通信是一个发展中的功能,尤其是它可以无需在病人皮肤上植入一个实际的接口。用于植入医疗装置的MICS（医疗植入通信服务）医疗通信频带是从402MHz ~ 405 MHz,这种家庭 RF 通信正在代替感应式通信,因为它能帮助病人无需定期去诊所就能够与植入的装置通信。蓝牙技术也正在成为一种与植入装置进行无线连接的未来方法,尤其是它可以与手机建立一个连接,从而与医生诊所联络或与病人通信。

　　植入装置的数据通信需求通常可以支持到约 100 kHz 的数据速率。低数据速率有助于这些系统减小病人身体对数据信号以及数据通信事件的吸收,从而节省功耗。一般来说,低数据速率运行的系统会采用较高的数据速率作突发式通信。通信内容有很多种,如将收集的数据传出供医生分析,以及向植入装置控制器传送修补或参数更新等。

　　电子医疗系统设计师考虑的其它因素还有如何处理由于技术过时而废弃的问题,以及如何升级或更换系统。很多这类系统的改进速度都非常快,每隔几年装置就会变得更加小巧,效率更高。处理升级问题的一种方法是用软件可编程控制系统。另一种方法是将控制器置于病人体外,与病人体内的传感器、泵和电机进行无线通信。

　　手机技术与未来医疗装置的融合是一个非常令人感兴趣的话题。例如,手机可以作为医疗装置和医生诊所之间的一个网关。它也可以作为一个用户终端,直接收集病人的数据,或为病人提供反馈信息。但是,手机系统最重要的融合机会是它最接近于成为一个通用的个人控制器,因为几乎所有人都携带或使用手机。这种特性使得手机成为一个可能的候选者,因为它的外形尺寸适合用作半自动植入系统的外部控制器。随着植入系统日益普及以及价格的下降,不难想像病人要拥有多个此类系统。所以,对这些病人来说,手机可以作为一个主控制器,以避免多个植入装置之间的干扰或相互异常影响。