电子系统与人身体的联系接口技术的研究

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。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。

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 ~ 405MHz，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。

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