電子與人體的接口技術
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無論是何種情況,電子系統(tǒng)與病人身體的聯(lián)系都比以往更加緊密。有時這種與人體關聯(lián)的方式是介入式的,如植入設備會在病人身體內完成自己的整個運行壽命。心臟起搏器是植入設備的一個常見實例。病人可以吞服的設備是診斷與治療過程中的一個新興平臺。胰島素泵和給藥泵也是植入系統(tǒng),它們的部件一般會存在于病人的體內和體外,依靠這類系統(tǒng)可以提供精確劑量的胰島素或藥品。另一個成長中的新興市場是植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng),或叫脊髓神經(jīng)電刺激,該設備有位于病人體外的控制單元,用于治療慢性疼痛或處理癲癇發(fā)作。
除了有植入部件的插入系統(tǒng)以外,電子子系統(tǒng)還能使醫(yī)生和某些設備采用比以前較少侵入性的方式完成自己的功能。如腹腔鏡手術就是這樣一個領域,電子系統(tǒng)使外科醫(yī)生用最低限度的侵入方式完成手術,而減少對病人身體的壓力（參考文獻 1）。很多公司都在致力于發(fā)展非侵入式血糖儀,它可以連續(xù)監(jiān)控血糖水平,這樣病人可以用這種新式儀器自己監(jiān)測血糖水平,而無需刺手指取血作測試。開發(fā)中的非侵入式血糖儀嘗試用各種方式完成血糖的測量,如在皮膚上投射光束,并檢測紅外吸收情況;通過無線電波阻抗測量電磁波通過皮膚和血液后的吸收情況;或用反向離子導入法從幾乎無損的皮膚上吸出間質液體。
高門檻
醫(yī)療和健康保健中使用的嵌入系統(tǒng)要受到一系列規(guī)章限制的監(jiān)管,而工業(yè)與商務應用則不需要考慮這些問題。這些系統(tǒng)滿足規(guī)章需求的程度與它們要擔當?shù)慕巧窍嚓P的。生命維持系統(tǒng)要面臨更嚴格的控制,而對診斷和監(jiān)護系統(tǒng)的上市要求就比較寬松。身兼多家公司主席（包括 InCube 實驗室）的 Mir Imran 認為：“公眾并不知道很多電子醫(yī)療系統(tǒng)正在開發(fā)中,因為它們需要完成制訂規(guī)章的過程?！?BR>
對電子醫(yī)療系統(tǒng)制訂規(guī)章的要求現(xiàn)在還沒有直接波及半導體供應商,目前這一重擔基本被終端產品集成商全部承擔下來。根據(jù)多家半導體供應商的說法,正在開發(fā)醫(yī)療系統(tǒng)（尤其是植入系統(tǒng)）的團隊經(jīng)常向它們提出包括更小型的封裝、更高的器件和存儲可靠性、高分辨率的模數(shù)轉換能力、電池監(jiān)控以及更低的功耗等要求。
對低功耗的考慮也經(jīng)常需要系統(tǒng)能支持多種低功耗或睡眠模式,因為系統(tǒng)可能并不總是處于全部運行狀態(tài)。終端系統(tǒng)集成商考慮的另一個問題是設備被埋入病人體內之前的貨架壽命,因為電源已經(jīng)裝在密封的殼體內,而不能在植入時才由醫(yī)生裝入。供應商制造系統(tǒng)的時間與醫(yī)生將其植入病人體內的時間差可能會相當大。
設計團隊為滿足和堅持規(guī)章認證要求而要考慮的其它問題,包括一家半導體制造商提供和支持一個部件的時間長度,以及公司是否承諾保持設備的管腳兼容性。如果團隊需要對系統(tǒng)作重新認證,則重新認證過程的成本可能會不合理。如果供應商將一個部件置于壽命終期狀態(tài),則設計團隊可能要作壽命終期采購;某些情況下,這些采購量是數(shù)千而不是數(shù)百萬件。設備管腳的變化可能需要重新認證,因此管腳可兼容的設備是非常必要的。
植入系統(tǒng)的市場份額通常要低于消費類多媒體應用。如消費市場是以數(shù)百萬為計量單位,而植入醫(yī)療系統(tǒng)可能只有幾百或幾千臺。德州儀器公司(Texas Instruments)技術員 Gene Frantz 指出：“針對植入電子在人體中的三個重要挑戰(zhàn),有些開發(fā)者正在作早期的工作。這三個挑戰(zhàn)是：如何在體溫下運行系統(tǒng);如何不使設備周圍的水沸騰;以及如何避免在咸水環(huán)境下的腐蝕?！彪m然電子器件位于密封的殼體內,但傳感器仍必須直接接觸病人體內的組織和咸水環(huán)境。
可以利用人體溫差發(fā)電而運行的處理器可能會在未來不久出現(xiàn),很多半導體公司都這么認為。一度的溫差可以為系統(tǒng)提供 2mW 功率?？缭竭@種電源門檻,電子嵌入系統(tǒng)就有了幾乎無限的電池能源,因為它總能從周圍環(huán)境中（此時是人體）獲取能量。這種功能可以使植入控制系統(tǒng)留存在病人體內遠長于目前植入系統(tǒng)的幾年至10年留存時間。對這些未來的低功耗系統(tǒng)而言,人體的運動是可能獲取能量的另一個來源。當前延長植入系統(tǒng)電池壽命的一種方法是使用可充電電池,或換用位于體外的電源。對于植入體內的電源系統(tǒng),這種方法意味著病人必須定期去充電。病人要用定期充電的麻煩換取這種系統(tǒng)的優(yōu)點。研究人員正在探索的另一種為植入電池充電的方法是涓流充電法。
對高密度計算系統(tǒng)來說,散熱是一個需要考慮的重要問題,例如中心辦公室的通信設備或服務器。植入人體的系統(tǒng)也要考慮散熱問題,因為體內液體循環(huán)不足以帶走植入系統(tǒng)產生的熱量,尤其是對那些運行時間大于體眠時間的系統(tǒng)。這種類型系統(tǒng)的一個例子是永久性的微電子視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)。視網(wǎng)膜植入是醫(yī)學博士 Mark S Humayun 的研究成果,他的研究小組位于美國南加州大學（洛杉磯）的仿生微電子系統(tǒng)工程研究中心。
視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)試圖為由于老年性黃斑退化或視網(wǎng)膜色素變性而失明的病人恢復部分視覺功能。這一研究的對象是曾經(jīng)有視力的病人,而不是天生全盲者。Model 1系統(tǒng)組合了一個小型攝像機和一個DSP,將圖像傳送到植入的4mm×5mm視網(wǎng)膜芯片上,該芯片有排成4×4結構的 16個電極。系統(tǒng)的 Model 2 型大小只有原來尺寸的20%,有60個電極。Model 3 型正在開發(fā)中,它將有1000個電極和一個特殊的芯片涂層,可以使芯片符合眼球的形狀與運動（圖 1）。
閉環(huán)控制
閉環(huán)控制是很多系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)采樣和控制的基本能力。嚴格的生命維護系統(tǒng)可以自主地對環(huán)境作檢測,并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)完成自己的功能,例如植入的心臟除顫器和起搏器。今天的很多系統(tǒng)都不是自主閉環(huán)的,而是由病人完成閉環(huán)。在象胰島素泵這類裝置中,病人必須清楚泵的工作原理,并控制泵的運行。泵的影響因素很多,如病人攝入的碳水化合物、壓力大小、身體機能發(fā)揮的程度（如運動的投入程度）、休息的時間等都會影響泵的時序和送出胰島素的劑量。MedtrONic MiniMed 這些公司正在研究如何將胰島素泵組合到一個自主的閉環(huán)系統(tǒng)中,它可以連續(xù)監(jiān)控血糖水平,從而制造出一個人工胰腺。
假肢市場雖然相對較小,但隨著研究人員取得的進展該市場象谷倉一樣獲得了更多的關注。最新消息是有關 Jesse Sullivan,這個“全球第一個仿生人”是該技術的一個實例。在 2001 年 5 月,當時是高壓線工的 54 歲 Sullivan 遇到了改變自己人生的一件事：他遭到強大的電擊,醫(yī)生切掉了他的雙上肢（參考文獻 2）。芝加哥整形學院的醫(yī)學博士 Todd Kuiken 和其它研究人員開發(fā)了一種假肢和假手,裝在 Sullivan 身上。（可以在 www.ric.org/bionic 上看到 Sullivan 演示自己假臂的視頻。）該技術是很多人研究的成果,而與 Sullivan 神經(jīng)系統(tǒng)的接口則是另一個小組的成果,它們顯示出假肢的發(fā)展方向。但是,即使假肢受到 Sullivan 的控制,他現(xiàn)在也必須用自己的眼睛,仔細明確地關閉系統(tǒng)的控制回路,因為控制器還沒有其它的反饋機制。
這個假肢是來自 Liberating 技術公司的 BoNSton 數(shù)字臂（圖 2）。它是一個為病人提供肘臂的平臺,但它也可以控制其它假肢裝置,如腕、手和肩鎖機構。其軟件能使它與各種輸入裝置一起工作,包括觸摸板、伺服控制、開關和肌電極等。肌電極從肌肉的收縮中提取信號,這樣殘肢的運動就能起動觸摸板、伺服換能器和開關。軟件可以將這些裝置的輸入傳送給外部設備,或者可以通過連接的 PWM 接口,根據(jù)這些輸入直接控制外部設備。作為向一個閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)展的一部分,研究者正在開發(fā)脊髓環(huán)路的仿真品。
仿生人裝置的神奇之處是位于皮膚與肌肉收縮之間的電極接口。Sullivan 所用的神經(jīng)信號基本上與事故發(fā)生前用來控制手臂的神經(jīng)信號相同。一般來說,控制手臂的肌肉收縮通常也是當他試圖運動手臂或手上一組肌肉時出現(xiàn)的情況。Sullivan 遭遇事故以后,他失去可以收縮的肌肉,因此研究者將神經(jīng)移至胸部的肌肉上（圖 3）。通過肌肉的收縮表示他的意圖,假肢、假腕和假手系統(tǒng)就可以作出適當?shù)捻憫?/P>
通信
我們的世界正日益連接成為一體,而個人醫(yī)療裝置也離不開這一趨勢。人體可能是對網(wǎng)絡標準的下一個最大挑戰(zhàn)。隨著更多的醫(yī)療設備進入家庭,降低醫(yī)療成本的要求也越來越強烈,如無需醫(yī)生上門就將相關數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生診所。用于網(wǎng)絡連接的醫(yī)療標準與家庭中使用的商用網(wǎng)絡標準不同。為了支持家庭監(jiān)護系統(tǒng)的連接,設計小組正在探討各類商用接口,包括USB連接。支持USB端口的醫(yī)療設備也有助于促進并提高無線USB標準的牢靠性。
與植入系統(tǒng)間的無線通信是一個發(fā)展中的功能,尤其是它可以無需在病人皮膚上植入一個實際的接口。用于植入醫(yī)療裝置的MICS（醫(yī)療植入通信服務）醫(yī)療通信頻帶是從402MHz ~ 405
植入裝置的數(shù)據(jù)通信需求通常可以支持到約 100 kHz 的數(shù)據(jù)速率。低數(shù)據(jù)速率有助于這些系統(tǒng)減小病人身體對數(shù)據(jù)信號以及數(shù)據(jù)通信事件的吸收,從而節(jié)省功耗。一般來說,低數(shù)據(jù)速率運行的系統(tǒng)會采用較高的數(shù)據(jù)速率作突發(fā)式通信。通信內容有很多種,如將收集的數(shù)據(jù)傳出供醫(yī)生分析,以及向植入裝置控制器傳送修補或參數(shù)更新等。
電子醫(yī)療系統(tǒng)設計師考慮的其它因素還有如何處理由于技術過時而廢棄的問題,以及如何升級或更換系統(tǒng)。很多這類系統(tǒng)的改進速度都非?？?每隔幾年裝置就會變得更加小巧,效率更高。處理升級問題的一種方法是用軟件可編程控制系統(tǒng)。另一種方法是將控制器置于病人體外,與病人體內的傳感器、泵和電機進行無線通信。
手機技術與未來醫(yī)療裝置的融合是一個非常令人感興趣的話題。例如,手機可以作為醫(yī)療裝置和醫(yī)生診所之間的一個網(wǎng)關。它也可以作為一個用戶終端,直接收集病人的數(shù)據(jù),或為病人提供反饋信息。但是,手機系統(tǒng)最重要的融合機會是它最接近于成為一個通用的個人控制器,因為幾乎所有人都攜帶或使用手機。這種特性使得手機成為一個可能的候選者,因為它的外形尺寸適合用作半自動植入系統(tǒng)的外部控制器。隨著植入系統(tǒng)日益普及以及價格的下降,不難想像病人要擁有多個此類系統(tǒng)。所以,對這些病人來說,手機可以作為一個主控制器,以避免多個植入裝置之間的干擾或相互異常影響。
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