融合生物學與電子學的先進醫(yī)療應用曙光初露

　　“我們希望這款新芯片可以協(xié)助盲人分辨出形狀，但我們目前還不知道真正的視網(wǎng)膜是如何感知信息的。”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于記錄腦部深度訊號的原型芯片。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(fā)出一款腦部深度刺激器，來減輕帕金森氏癥和癲癇的癥狀。這款新設備和其它電路用在一起，可以使系統(tǒng)增加閉路功能，以便更為更靈活地記錄、處理和響應腦部訊號。

　　“僅僅要證明一個適合植入大腦刺激的電極就得花上數(shù)年的時間。”美國猶他大學副教授Reid Harrison表示。“既然它們的組件已經(jīng)能夠正常工作，那么用這個組件還能做點別的什么就顯得很有意義，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芯片不僅能透過傳統(tǒng)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(xiàn)的現(xiàn)象。

　　“研究人員發(fā)現(xiàn)在大腦的海馬體突起中有非常快速的波動。”Medtronic公司神經(jīng)系統(tǒng)事業(yè)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(nèi)部，你就能獲得這些有趣的生物標志。但這是一項還未能取得重大研究成果的領域，因為我們還不了解觀察到的所有訊號。“

　　該設計中采用了一個現(xiàn)成的商用化微處理器來執(zhí)行頻譜掃描，以便發(fā)現(xiàn)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(tài)的不同大腦時，你可能真的必須放棄一般的算法。”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(tǒng)的腦電圖儀(EEG)只能分析頭部表面所發(fā)出的2到3μV訊號，但這些訊號經(jīng)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(jīng)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圣的地方一樣，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制造人工胰腺的最新進展。Medtronic公司已經(jīng)開發(fā)出可人工激活的植入式胰島素泵，該新設備可以自動檢查血糖值，并在需要時提供胰島素。

　　“我們正致力于研究一種新式算法，我們相信這是最適合我們芯片使用的算法。”資深研究經(jīng)理Barry Keenan表示。

　　Keenan并討論了幾種具有自適應濾波器和算法的冗余傳感器使用方法，這種方法可以補償并修正硬件誤碼率達30%。

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

　　改善測試設備

　　在其它的小組討論中，演講者還介紹了可用于改善醫(yī)療測試設備、同時削減成本和體積的其它芯片。

　　哈佛大學的一個小組展示了一個小尺寸書本大小的模塊，該模塊可以驅(qū)動核磁共振成像系統(tǒng)。該新模塊的核心采用1.9×2mm的芯片；相較于重量約260磅、成本約7萬美元的傳統(tǒng)設備而言，新模塊能驅(qū)動靈敏度更高60倍、重量更輕60倍、體積更小40倍的系統(tǒng)。

　　更高的靈敏度意味著醫(yī)生可以在疾病發(fā)生的更早階段就發(fā)現(xiàn)病原體，提交該論文的哈佛大學Nan Sun表示。“該設備的整合度高于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，可以為芯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數(shù)組則可取代一種如同大型打印機大小、價格近20萬美元的設備(包括與其相連的獨立PC)。由于系統(tǒng)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(yī)生診療室中所置放的儀器，而不必專門放置在遠程實驗室中。

　　此外，IMEC的Refet Yazicioglu還展示了一款ASIC，它能將EEG系統(tǒng)的電路縮小成大約1立方公分的模塊。這款8信道芯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(shù)據(jù)。“現(xiàn)有的那些連接著各種線路的設備幾乎讓人崩潰，更使病人處于不自然的狀態(tài)，可能影響到測試效果。”Yazicioglu指出。