融合生物學與電子學 先進醫療應用曙光初露

融合生物學與電子學　先進醫療應用曙光初露

一種無線矽晶監視器可以像貼OK繃一樣的使用，用完後即可扔掉；另一種晶片可望成為首款商用視網膜的替代品；還有一種用於測量波形的元件則可深植於大腦之中。這些技術進展是日前於美國舊金山舉行的國際固態電路會議(ISSCC)上所發表的眾多論文主題。總之，這些技術讓人們更加相信：生物學將成為下一個重要的電子應用領域。

“我建議工程師們認真學習兩門學科：一是電子工程學，而另一門則是自然科學。”德州大學研究員Mark McDermott表示，“許多工程師們開始對醫療問題產生濃厚的興趣。”McDermott還曾擔任過飛思卡爾(Freescale)和英特爾(Intel)公司的工程技術經理。

在ISSCC大會的一場演講中，美國布朗大學工程學教授Arto Nurmikko介紹涉及了電子學、光學和解剖學的大腦植入設計。“這絕對是包括了電腦科學、工程學、生物學以及像瑞士鐘錶製造商鑽孔般精密的機械學等跨學科領域。”Nurmikko表示。

比利時校際微電子中心(IMEC)研究員Chris Van Hoof在ISSCC上主持了一場有關生命科學的研討會，他在開場致詞時即明白指出：“矽晶與人體的相互作用正變得越來越密切。”

在不久的將來，配備無線可穿戴式感測器的病人不必再到醫院去，就能夠獲得醫生所開出的定期檢查報告，三星先進技術研究所執行長Hyung Kyu Lim在ISSCC的主題演講中表示。

“醫療保健設備和服務機器人是針對這些新業務的兩種主要新興消費產品。”Lim指出，“然而，實現這些未來服務的系統非常複雜且昂貴，因為它們需要更高等的機器智慧。”

例如，新創企業Toumaz Technology在ISSCC上介紹了一款定製晶片，能把無線監視器放在一個拋棄式的貼布上。該晶片是多種新興的智慧型可穿戴式元件中的一種，能幫助病人和消費者在舒適的家中獲得醫療監控服務。

“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公司技術總監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沈重的負擔。”

一家大型的美國醫療保健公司據說正與Toumaz公司合作，計劃在2009年底以前推出基於矽晶的醫用貼布。另外，美國奇異(GE)和飛利浦等公司據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的無線網路開發了定製的硬體和協議，所用元件的最大數據速率可達50kbps。該晶片在通訊時的電流為2.5mA，但其數位控制部份的功耗只有100μw。

“定製的媒體存取控制器(MAC)是關鍵，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衝層。”Burdett表示。

儘管該產品是定製化設計，但這種貼布在明年上市時的價格可望低至5美元。當中所用的晶片尺寸為16平方毫米，且只佔成本的一小部份。該晶片將由英飛凌科技公司採用130nm製程進行製造。

“當這種貼布投入大量產時，矽晶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製造方面，因為它必須採用新的製程。”

該晶片可與感測器連接來實現心電圖設備、三軸加速計或血糖、pH值和壓力監視器。雖然同一時刻只能為一個感測器進行測量，但它可在三個感測器之間進行切換。

在有關‘Life Thermascope’計劃的論文中，日立公司(Hitachi)闡述了這種元件如何成為消費性產品的理由。該計劃使用了一個現成的設計，並整合於腕錶或徽章，使其可用以記錄用戶的體溫，以及一整套對個人精神、體格和社交狀態的日常評估數據。

一項針對200名用戶所作的場測顯示，即使單一感測器也有助於追蹤日常生活中的細微模式改變，日立的工程師指出。上述監視器採用30立方公分的模組封裝，並採用工作在ZigBee網路上的32位元H8S處理器。

圖說：德國烏爾姆大學的人造視網膜原型在一個植入式陣列中整合了1,600畫素。

矽眼(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晶片。這所大學正與Retina Implant公司針對1,600畫素、3×3.5mm陣列研究方面展開了合作。

這款元件在Rothermel演講的前幾天才從代工廠製造出來，它主要根據德國斯圖加特微電子研究所(IMS)開發的1,450畫素陣列為基礎所設計。其CMOS成像器具有170dB的動態範圍，曾在一項為期數週的醫院實驗中用於植入許多病人體內。

這種人造視網膜採用0.8μm技術製造，厚度只有20μm。它採用了寬廣的電壓擺幅作為視網膜刺激，並採用新的電源架構和數位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。

“我們希望這款新晶片可以協助盲人分辨出形狀，但我們目前還不知道真正的視網膜是如何感知資訊的。”Rothermel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。”

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於記錄腦部深度訊號的原型晶片。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公司也已開發出一款腦部深度刺激器，來減輕帕金森氏症和癲癇的症狀。這款新設備和其他電路用在一起，可以使系統增加閉路功能，以便更為更靈活地記錄、處理和回應腦部訊號。

“僅僅要證明一個適合植入大腦刺激的電極就得花上數年的時間。”美國猶他大學副教授Reid Harrison表示。“既然它們的元件已經能夠正常工作，那麼用這個元件還能做點別的什麼就顯得很有意義，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晶片不僅能透過傳統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點所呈現的現象。

“研究人員發現在大腦的海馬體突起中有非常快速的波動。”Medtronic公司神經系統事業部資深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誌。但這是一項還未能取得重大研究成果的領域，因為我們還不瞭解觀察到的所有訊號。“

該設計中採用了一個現成的商用化微處理器來執行頻譜掃描，以便發現新的波形。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的不同大腦時，你可能真的必須放棄一般的演算法。”Denison表示。

研究人員們還必須權衡處理他們所測量的位置。傳統的腦電圖儀(EEG)只能分析頭部表面所發出的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聖的地方一樣，突破這個保護屏障可能會帶來很大的手術風險。”

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製造人工胰腺的最新進展。Medtronic公司已經開發出可人工啟動的植入式胰島素泵，該新設備可以自動檢查血糖值，並在需要時提供胰島素。

“我們正致力於研究一種新式演算法，我們相信這是最適合我們晶片使用的演算法。”資深研究經理Barry Keenan表示。

Keenan並討論了幾種具有自適應濾波器和演算法的冗餘感測器使用方法，這種方法可以補償並修正硬體誤碼率達30%。

“今年我們已經進行了大規模的試驗來證實這種自動預防故障的系統，因而能夠啟動無人監督計劃。”Keenan表示，“我們必須聲明，這些系統能百分之百有效地滿足美國食品藥品管理局(FDA)的規定。”

圖說：德國烏爾姆大學的人造視網膜原型包括了一塊植入式晶片和一個配戴在耳後的控制器。

改善測試設備
在其它的小組討論中，演講者還介紹了可用於改善醫療測試設備、同時削減成本和體積的其它晶片。

哈佛大學的一個小組展示了一個小尺寸書本大小的模組，該模組可以驅動核磁共振成像系統。該新模組的核心採用1.9×2mm的晶片；相較於重量約260磅、成本約7萬美元的傳統設備而言，新模組能驅動靈敏度更高60倍、重量更輕60倍、體積更小40倍的系統。

更高的靈敏度意味著醫生可以在疾病發生的更早階段就發現病原體，提交該論文的哈佛大學Nan Sun表示。“該設備的整合度高於目前任何所知的設備。”Sun指出。

蘇格蘭愛丁堡大學的研究人員Bruce Rae介紹了一種設備，可以為晶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陣列則可取代一種如同大型印表機大小、價格近20萬美元的設備(包括與其相連的獨立PC)。由於系統的體積和成本縮減了一半以上，使得這款350nm的設備可作為醫生診療室中所置放的儀器，而不必專門放置在遠端實驗室中。

此外，IMEC的Refet Yazicioglu還展示了一款ASIC，它能將EEG系統的電路縮小成大約1立方公分的模組。這款8通道晶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據。“現有的那些連接著各種線路的設備幾乎讓人崩潰，更使病人處於不自然的狀態，可能影響到測試效果。”Yazicioglu指出。

作者：麥利、莫浩夫