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扫视ISSCC大会:生物学在电子应用领域获得新进展

上网日期: 2008年04月29日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:无线硅片监视器? 生物学? 传感器? 人造视网膜?

无线硅片监视器可以像创口贴那样使用,用完后再扔掉;芯片有望成为首个商用视网膜替代品;用于测量波形的器件仍可深植于大脑之中。

这些先进技术纷纷出现在前不久于美国旧金山举行的国际固态电路会议(ISSCC)上发表的众多论文中。总之,它们让人更加相信:生物学将成为下一个重要的电子应用领域。

“我真的建议工程师认真学好两门学科:一门是电子技术,另一门是自然科学。”德州大学的研究员Mark McDermott表示,“许多工程师开始对医疗问题产生浓厚的兴趣。”McDermott还曾担任过飞思卡尔和英特尔公司技术经理。

在ISSCC的晚间演讲中,布朗大学的工程学教授Arto Nurmikko介绍了涉及电子学、光学和解剖学的大脑植入设计。“这绝对是计算机科学、工程学、生物学以及像瑞士手表制造商钻孔那样的精密机械学之间的交叉学科领域。这非常关键。”Nurmikko表示。

IMEC研究学院的研究员Chris Van Hoof在ISSCC上主持了有关生命科学的讨论,他在演讲中直接指出:“硅片与人类身体的相互作用正变得越来越紧密。”

在不远的将来,配备有无线佩戴型传感器的病人无需去医院就能获得医生给出的定期检查报告,三星综合技术院首席执行官Hyung Kyu Lim在ISSCC的主题演讲中表示。

“卫生保健设备和服务机器人是用于这些新业务的两种主要的新兴消费产品。”Lim指出,“然而,实现这些未来服务的系统非常复杂和昂贵,因为它们需要更高级的机器智能。”

例如新创企业Toumaz Technology就在ISSCC上介绍了一款定制芯片,能把无线监视器放在一个可随意使用的贴布上。该芯片是多种新兴的智能可佩戴型芯片中的一种,能帮助病人和消费者在舒适的家中获得医疗监视服务。

“我们不仅面临着老龄化的社会,而且这个社会没有建立起健康的生活方式。”Toumaz公司的技术总监Alison Burdett表示,“有越来越多的人患有慢性疾病,这将给全球卫生保健系统带来沉重的负担。”

一家大型的美国卫生保健公司据说正在与Toumaz合作,计划在2009年底前推出基于硅片的医用胶布。另据报道,包括GE和菲利浦在内的一些公司也在实验室开展同样的项目。

为了进一步降低功耗,提高可靠性,Toumaz公司为800MHz到900MHz的无线网络开发了定制的硬件和协议,所用器件的最大数据速率可达50kbps。芯片在通信时的电流为2.5mA,但它的数字控制部分功耗只有100μw。

“定制的介质访问控制器是关键,因为在短距离通信中总是存在干扰,而且我们有许多缓冲层。”Burdett表示。

尽管是定制设计,但这种胶布在明年上市时的价格有望低至5美元。其中的芯片尺寸为16平方毫米,只占成本的一小部分。该芯片将由英飞凌科技公司采用130nm工艺进行制造。

“当这种胶布投入大批量生产时,硅片成本真的微乎其微。”Burdett表示,“大部分成本在组装和制造方面,因为需要采用新的工艺。”

该芯片可以与传感器连接来实现心电图设备、三轴加速计或血糖、pH值和压力监视器。虽然同一时刻只能有一个传感器进行测量,但可以在三个传感器之间进行切换。

在关于Life Thermascope项目的论文中,日立公司阐述了这种器件如何能成为消费类产品的理由。该项目使用了更为现成的设计,并集成进了腕表或徽章,可以记录用户的体温以及一整套对个人精神、体格和交际状态的日常评估数据。

对200名用户的现场试验表明,即使单个传感器也有助于跟踪日常生活方式的细微改变,日立工程师指出。上述监视器封装在30立方厘米的模块中,采用工作在ZigBee网络上的32位H8S处理器。

硅片眼

在谈到全球植入技术时,德国乌尔姆大学教授Albrecht Rothermel介绍了一款可以成为首个商用人造视网膜的芯片。这所大学与Retina Implant公司在1600像素、3×3.5mm阵列方面开展了合作。

这款器件在Rothermel演讲的前几天才从代工厂返回,是在斯图加特微电子学院开发的1450像素阵列的基础上设计出来的。其CMOS成像器具有170dB的动态范围,曾在持续了数周的医院实验时被植入了许多病人身体中。

上述人造视网膜采用0.8μm技术制造,厚度只有20μm。它采用了很宽的电压摆幅用于视网膜刺激,并采用新的电源架构和数字控制器来顺序寻址像素。它能让一些盲人感觉到反射光,Rothermel表示。

“我们希望这个新的芯片可以帮助盲人分辨出形状,但我们目前还不知道真正的视网膜是如何感知信息的。”Rothermel表示,“我们也认为盲人重见光明可能是个学习的过程。”

在ISSCC上讨论的其它植入技术中,Medtronic公司的研究人员还介绍了用于记录深度脑信号的一款原型芯片。这个0.8μm的斩波放大器工作电压为2V,功耗只有8μW,面积为5平方毫米。

Medtronic公司已经制作了一个深度脑刺激器,来减轻帕金森病和癫痫症的症状。这个新器件和其他电路用在一起,可以为更灵活地记录、处理和响应脑信号的系统增加闭环功能。

“仅仅证明一个适合植入大脑的刺激性电极就花了许多年时间。”犹它州立大学副教授Reid Harrison表示。他在ISSCC上主持了关于上述器件的讨论。“既然它们的器件已经能够正常工作,那么用这个器件还能做点别的什么就显得很有意义,比如记录大脑信号。”他表示。

研究人员还在寻找新信号种类以及测量它们的方法。Medtronic芯片不仅能通过对信号尖峰的传统跟踪来记录宽能(bandpower)波动,还能测量alpha、beta和gama波以及500Hz点所呈现的现象。

“研究人员发现在大脑的海马状突起中有非常快的波动。”Medtronic公司神经系统事业部高级IC设计工程师Tim Denison指出,“这些波动频率在表面测量中是看不到的,但一旦深入大脑内部你就能获得这些有趣的生物标志。这是还没有取得重大研究成果的领域,因为我们还不了解看到的所有信号。”

设计中采用了一个商用微处理器来执行频谱扫描,以便发现新的波形。工程师们还增加了新的滤波器和增益控制机制,来补偿不断变化的噪声电平。

“当你试图接入具有不同噪声状态的不同大脑时,你可能真的需要放弃你的算法。”Denison表示。

研究人员还必须权衡处理他们测量的位置。传统的脑电图仪只能分析头部表面发出的2到3μv信号,这些信号容易受到病人移动所带来的噪声影响,从而导致失真。接近神经元的探测可以获得较强的100μv信号,但成本很高。

“整个大脑和脊柱被一层叫做硬脑(脊)膜的薄膜包裹着以防止感染,”Harrison指出,“这尤如大自然中最神圣的地方。突破这个保护屏障可能会带来很大的外科风险。”

在另外一个晚间小组讨论会上,Medtronic公司的另外一位工程师介绍了制造人工胰腺的最新进展。Medtronic公司已经开发出可人工起动的植入型胰岛素泵,该新设备可以自动检查血糖值,并在需要时提供胰岛素。

“我们正在研究一种新算法,并且我们相信这是最适合我们芯片使用的算法。”高级研究经理Barry Keenan表示。

Keenan讨论了带自适应滤波器和算法的冗余传感器的使用方法,这种方法可以补偿硬件误码率,最多能改善30%。

“今年我们已经通过大规模的试验验证了这种自动防故障系统,因此我们可以启动无人监督计划。”Keenan表示,“我们必须向世人表明,这些系统能百分之百有效地满足美国食品药品管理局(FDA)的规定。”

更好的测试装置

在其它一些小组讨论中,演讲者还介绍了旨在改进医疗测试设备、同时削减其成本和体积的芯片。

来自哈佛的一个小组展示了一个小型的、书本大小的模块,该模块可以驱动核磁共振成像系统。模块的核心是一块1.9×2mm的芯片,它能驱动与传统设备相比灵敏度高60倍、重量轻60倍、体积小40倍的系统,这种系统重量是260磅,成本大约为7万美元。

更高的灵敏度意味着医生可以在疾病发生的更早阶段发现病原体,提交上述论文的哈佛Nan Sun表示。“该设备的集成度要高过目前有过报道的任何设备。”Sun指出。

苏格兰爱丁堡大学的研究人员Bruce Rae所介绍的一个设备可以对硅片中的分子进行光学分析,该设备有望取代目前使用激光源、光子和滤波器的大型昂贵的DNA测试仪器。

而4×16微型LED阵列则可以代替大型打印机大小、价格近20万美元的设备(包括与之相连的独立PC)。由于系统的体积和成本降低超过一半,这个350nm设备可以做成一个能放在医生的办公室的仪器,而不需要专门放置在某个实验室。

另外,IMEC的Refet Yazicioglu展示了一款ASIC,它能将EEG系统的电路缩小到约1立方厘米的模块。通过替代目前使用的大体积老式盒子,这个8通道芯片将使病人更容易佩戴,并可能收集更好的数据。“现有的那些有很多线的设备让人崩溃,会使病人处于不自然的状态,进而影响测试效果。”Yazicioglu指出。







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