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  • 被蜂蛰差点没命?这些救命知识学起来

    被蜂蛰差点没命?这些救命知识学起来

    本文专家:汪小欢,复旦大学医学博士 国庆长假来袭,相信很多朋友都会选择户外游玩。 不过,眼下这个时间段正是蜂类动物的活跃期,蜂群伤人的新闻也屡见不鲜。 如果在野外不幸被蛰,轻者出现发红肿胀、瞬间强烈的刺痛和瘙痒,严重还会头晕、恶心呕吐、全身水肿、血压下降、呼吸麻痹甚至死亡。 为什么被小小的蜂蛰了一下会有这么大的危害?被蛰后又该如何自救?赶快来学! 被蜂蛰了为啥危害这么大? 蜂蛰时,会将其蛰针刺入皮肤,通过蛰针里的中央空管将毒囊里的毒液注入机体。 蜂的毒液成分极其复杂,对机体的肌肉、神经和免疫系统都具有非常强的刺激作用,会引起一系列不适症状。 其实,被蜂蛰后的严重危害主要是由于体内发生了变态(过敏)反应引起的。 蜂在蛰咬处留下的毒液或毒刺,属于一种外源性过敏原。当这些过敏原进入到身体里,免疫系统便会做出反应,攻击自身的组织器官,进而引发一些严重症状。 常见的哪些蜂是有毒的? 蜂的种类繁多,目前已知的有10万多种。 大部分蜂都带有毒刺、能蜇人。我国常见的毒蜂包括蜜蜂、黄(马)蜂、地雷蜂、牛角蜂等。 - 蜜蜂 毒液为酸性,毒性较小。被蜜蜂蛰后,毒刺会留在皮肤中,一般只会引起轻微的局部症状。 - 黄蜂 又称“马蜂”、“胡蜂”。黄蜂分布广泛,当受到人类攻击时,它们会对目标进行群体作战,导致被蛰人发生严重的过敏反应,严重者会死亡。 - 地雷蜂 毒性极大,被蛰后会有较大的生命危险。多存在于我国广东、海南、江西等地区的山区丛林地带,飞行时会发出非常响的嗡嗡声。 如果被地雷蜂叮咬,蛰口处会立马血肉模糊,几分钟后,便会产生眩晕、麻木的症状,接着伤口处会有强烈的疼痛感,甚至晕厥。 - 牛角蜂 在广西岑溪等地又被称为“三眼针”。牛角蜂在受到外界刺激时会有强烈的攻击性,其毒液中有大量的组织胺,可能会引发休克。 如果被蛰了该怎么自救? 首先,要保持冷静。尽快将留在皮肤中的毒刺取出,因为毒液进入身体的速度非常快,有时仅需要几秒的时间。建议使用镊子拔出,不要挤压伤口,避免在此过程中注入更多的毒液。 对于轻微的蜇伤,可以尝试冷敷、使用清水或肥皂水清洗蛰咬处,也可以服用止痛药来缓解疼痛症状。一般的轻微症状会在数小时或1天内消失。 如果伤口在一两天之内红肿范围扩大,则需要服用抗组胺药物,防止瘙痒和肿胀的加剧,但需要关注药物使用的注意事项。最好及时就医,在专业医生的指导下用药。 如果出现严重症状,则很可能是过敏反应,必须立即就医。对于曾经出现过蜂蛰过敏反应的朋友,再次被蛰还会发生过敏反应的概率约为30-60%,应避免再次被蜂蜇伤。 去野外还要小心哪些虫子? - 蜱虫 一种寄生虫,多出没于丘陵地区。 蜱虫咬人时,会将整个口器牢牢地嵌入皮肤中,以此来吸血、分泌有害物质。被叮咬两三天后,蜱虫产卵或蜕皮时才会脱落。 伤口可能会出现轻微红肿甚至无症状,其潜伏期可长达一个月。所以,户外出游后,建议回家先仔细检查身体,当发现蜱虫感染时,切忌暴力拍打虫体或者硬拔,这样只会加重症状,甚至感染。 可以将酒精擦在叮咬处上,等到蜱虫死亡后,用镊子拔出。为了避免处理不当,发现蜱虫叮咬后应及时就医。 - 蚂蟥 蚂蟥也是通过吸盘,紧紧附着在皮肤上,吸取血液。蚂蟥叮咬虽然不痛,但会引发水肿性丘疹。 处理伤口时,切忌直接暴力强拉,否则蚂蟥断裂,其口盘仍吸附在皮肤内会引起感染。 建议用食醋或盐水涂在叮咬处,使蚂蟥放松吸盘而易脱落。当然,最好的处理方式还是尽快就医。 - 隐翅虫 隐翅虫的体液不论是直接或间接的接触皮肤,都会导致损伤。表现为条状或片状的水肿性红斑,可能带有丘疹、水泡或脓点,还会引起附近淋巴结肿大。 如果有隐翅虫落到皮肤上,应尽量弹走,不要直接拍死,否则虫体液会与皮肤接触。如果被叮咬,则需要服用抗组胺药物或糖皮质激素,就近就医。 户外游玩,谨防昆虫叮咬,更不可主动攻击或骚扰。一旦被蛰,尽快先将毒刺取出。如果出现严重症状,建议直接就医。 最后,祝大家假期愉快,也要注意安全。

    时间:2020-10-04 关键词: 生物医学 马蜂

  • 美利用遗传物质密码创建合成聚合物,增强疾病治疗潜力

    美利用遗传物质密码创建合成聚合物,增强疾病治疗潜力

      据物理学家组织网4月报道,美国哈佛大学研究团队开发出一种新方法,可利用遗传物质密码创建合成聚合物。该方法“进化”出的合成聚合物或可具有新的,或改进性的功能,如作为化学反应催化剂或是增强疾病治疗潜力。相关研究成果发表在最新一期《自然·化学》上。   在生物学中,像DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白质这样的大分子是最常见的聚合物,这些聚合物具有显著的特性。相比而言,人类创建带有量身定制性能的人造聚合物的能力却非常有限。曾有研究人员设法利用遗传密码创造出合成聚合物,但他们的努力常常受阻于新分子一定要与创建它们的基因模板相似。   为了解决这个问题,哈佛大学化学生物学教授刘大维(音译)领导的团队转向一个可在自然界中发现的类似过程。该系统不允许新聚合物模块直接与DNA模板发生作用,而是依赖于一个“转接器”分子。每个转接器都带有聚合物的一部分,与模板绑定后形成新的聚合物。在过程的最后一步中,转接器被切断,让合成聚合物根据基因模板创建出来。   该系统的一个有趣功能是由此产生的合成聚合物不必与DNA模板具有任何结构关系。该系统与 DNA碱基相结合的部分是转接器分子,所以可从模板中进行物理删除。该整体策略严重“抄袭”自然界中的蛋白合成过程,即tRNA(转移核糖核酸)分子绑定一个信使RNA链,其携带的氨基酸拼接形成蛋白质。   理论上讲,由基因模板引导创建的新合成聚合物也能“进化”出独特的性能,而这几乎不可能在实验室中设计出来。譬如,假设你想创建一个合成分子,其能打开与癌症相关蛋白的一个特定基因的表达。你可能会检索现行研究成果,寻找关于如何建立这样一个分子的线索,你或许还会用你的化学知识确定哪些分子是可能的。但是,对于这种复杂的分子目标,这些努力常常是无功而返。   进化的力量使实现这些雄心勃勃的目标变得更为可行。绑定某个非常明确的分子并创造生物反应,对于高分子科学家来说要从零开始设计是非常困难的,但对大自然的进化来说并不难。大自然经历了数百万几代人的半随机尝试,每一代中策略的最成功部分通过其分子秘密传给下一代。进化是迭代的,任何一代的小进步,都被继承下来并在以后发展成重大的成功。   刘教授表示,他的下一个目标是要利用这个系统进化出能实现更为复杂功能的合成聚合物,然后将其折叠成结构化的三维形状,绑定到具有生物医学或化学用途的特定分子,并最终催化化学反应。

    时间:2020-09-04 关键词: dna 生物医学

  • 利用触觉晶体管打造更智能的人造皮肤

    利用触觉晶体管打造更智能的人造皮肤

      虽然现在越来越多的国家已经研发出可执行复杂任的机器人,但是来自美国和中国的科研人员并不愿意就此止步。近日,他们一起合作研发出了一种全新的3D电流阵,即机器人将具备人类手指尖那样的灵敏触感度。乔治亚理工学院表示,这种技术将被广泛运用到人工/假肢皮肤、智能生物医学治疗以及智能机器人等领域中。   据介绍,该种技术主要是通过“压电效应”而实现的。科研人员将由氧化锌制成的纳米线穿到一种被称为“taxels”的触觉晶体管中。之后,他们将这些 taxels连接在一起,然后产生电流阵。由于每个taxel都能产生独立的可读且可控的电流信号,所以该晶体阵就能产生特别灵敏的触感度。   乔治亚理工学院的钟林旺教授指出,所有机器人的胳膊或者手指的机械运动都能被翻译成可控信号,这将帮助他们打造出更加接近人类皮肤、更智能化的人造皮肤。

    时间:2020-09-04 关键词: 晶体管 机器人 智能机器人 生物医学

  • 注意!这个“黑点”可能要命

    注意!这个“黑点”可能要命

    近期以来,全国多地多人因身上出现“黑点”,来到医院就诊。这个“黑点”到底是什么呢?经确诊,这些“黑点”是深深扎在皮肤里的蜱虫。 医生提醒,4月到10月是蜱虫活跃的时期,遇到蜱虫叮咬切勿生拉硬拽,以免将其头部留在人体内,建议及时到正规医院就医。 “被蜱虫咬伤不能自己往下拽,否则口器留在皮肤里,容易感染。”王医生说,蜱虫身上携带的病原还容易引起疾病,若不及时取出,轻者引发皮肤疾病,重者甚至危及生命。 浙江宁波市中医院曾接诊过一位老人,因为被蜱虫咬伤后引发全身出血症状,身上布满出血点和瘀斑,血小板急剧减少,生命危在旦夕。 多位市民因蜱虫叮咬就医 在大连市皮肤病医院皮肤科,5月初开始皮肤科陆续接诊了多位被蜱虫叮咬的病患。 5月4日,一位男性患者前来就诊,自述前一天发现大腿部有“黑点”,因在农村生活,熟悉蜱虫,便自行先用酒精湿敷患处,尝试取出,但没有成功。 经诊断,患处的确是被蜱虫叮咬,后经护士酒精湿敷麻醉15分钟后,将虫体完整取出,并进行消毒处理。 5月17日,一位7岁女童在其父亲的陪伴下前来就诊,女童父亲称,当天一起郊游爬山,回家后发现孩子腰部皮肤上有个“黑点”,担心是蜱虫,就立刻带着孩子来医院看看。 经诊断为蜱虫叮咬,医生将虫体完整取出。 4月到10月要格外小心蜱虫 据该院皮肤科副主任医师李兆研介绍,蜱虫又名壁虱、扁虱、草爬子。蜱是多种脊椎动物体表的暂时性寄生虫,猫、狗、人,鸟类,爬行动物都可能成为它的目标。 蜱虫的幼虫、若虫、成虫时期都以吸血为生,主要寄生于皮肤较薄、不易被搔抓的部位,如颈部、耳后、大腿内侧、腋窝等。 蜱虫的吸血时间长,吸血量大,各发育期饱血后可胀大几倍至几十倍,雌硬蜱甚至可达100多倍。 蜱虫是多种细菌和病毒的传染媒介,经蜱虫传染的疾病有:莱姆病、斑疹热、Q热、森林脑炎、出血热、巴贝斯虫病、泰勒虫病、落基山斑疹热等81种病毒性、31种细菌性和32种原虫性疾病。 被蜱虫叮咬后,容易引发皮肤红肿、疼痛等皮肤过敏症状,同时也可能感染它所携带的病菌。 据介绍,在我国,从4月到10月都是蜱虫的活跃时间,植被茂盛的树林、牧场、草丛都可能有它的身影。 被咬后切勿生拉硬拽 李兆研表示,蜱虫在吸血时,它的头部包括口器是深深扎进皮肤里的,如果生拉硬拽,很容易将其头部留在皮肤内,也会刺激蜱虫分泌更多的携带病原体的毒液,增加感染风险。 可以先用酒精麻醉蜱虫,使其松口,然后再用尖头镊子尽量贴近皮肤夹住头部,保持手部稳定,将其取出。 被蜱虫叮咬后,建议及时到正规医院就医,进行专业处理、消毒、抗炎治疗。取出虫体后,若出现发热、头痛、皮疹等症状,一定要及时就医。 李兆研提醒,外出旅游或户外运动时,尽量避免到草丛、树木茂盛的地方。 到草原、森林、海边等潮湿、植被较多的地方时,要注意穿长衣长裤,并扎紧袖口、裤腿处和腰部,尽量减少停留的时间,涂抹驱虫液,携带抗过敏药物。 出游回家后及时洗澡,并仔细检查身体、衣物上有无异常“黑点”。 宠物要定期进行驱虫,夏季遛狗尽量避免到植被茂盛的地方,回家后要及时检查有无蜱虫,以防人畜共患。

    时间:2020-05-21 关键词: 蜱虫 生物医学

  •  生物医学新技术管理条例:基因编辑拟由国家卫健委审批

    生物医学新技术管理条例:基因编辑拟由国家卫健委审批

    为规范生物医学新技术临床研究与转化应用,国家卫生健康委员会起草了《生物医学新技术临床应用管理条例(征求意见稿)》,并于2月26日起征求社会意见。征求意见稿提出,医疗机构开展生物医学新技术临床研究和转化应用必须经过行政部门批准,基因编辑技术等高风险生物医学新技术由国务院卫生主管部门审批。生物医学新技术临床研究必须经行政审批按照征求意见稿,“生物医学新技术”指已完成临床前研究,拟作用于细胞、分子水平的,以对疾病作出判断或预防疾病、消除疾病、缓解病情、减轻痛苦、改善功能、延长生命、帮助恢复健康等为目的的医学专业手段和措施。如基因编辑技术、干细胞技术、克隆技术、辅助生殖技术等。征求意见稿拟规定,医疗机构开展生物医学新技术临床研究和转化应用必须经过行政部门批准,任何组织和个人不得开展未经审查批准的临床研究。其中,临床研究按照风险等级进行两级管理,中低风险研究项目由省级卫生主管部门审批,高风险研究项目由省级卫生主管部门审核后国务院卫生主管部门审批;研究成果转化应用均由国务院卫生主管部门审批。记者注意到,征求意见稿对高风险生物医学新技术进行了明确。包括涉及遗传物质改变或调控遗传物质表达的,如基因转移技术、基因编辑技术、基因调控技术、干细胞技术、体细胞技术、线粒体置换技术等;涉及异种细胞、组织、器官的,包括使用异种生物材料的,或通过克隆技术在异种进行培养的;产生新的生物或生物制品应用于人体的,包括人工合成生物、基因工程修饰的菌群移植技术等;涉及辅助生殖技术的;技术风险高、难度大,可能造成重大影响的其他研究项目。存在重大伦理问题的项目不得开展临床研究征求意见稿提出,卫生行政部门对临床研究的审批主要包括学术审查和伦理审查。其中,学术审查主要包括开展临床研究的必要性;研究方案的合法性、科学性、合理性、可行性;医疗机构条件及专科设置是否符合条件;研究人员是否具备与研究相适应的能力水平;研究过程中可能存在的风险和防控措施;研究过程中可能存在的公共卫生安全风险和防控措施。伦理审查主要包括9项内容,如研究者的资格、经验是否符合试验要求;研究方案是否符合科学性和伦理原则的要求;受试者可能遭受的风险程度与研究预期的受益相比是否合适;在办理知情同意过程中,向受试者(或其家属、监护人、法定代理人)提供的有关信息资料是否完整易懂,获得知情同意的方法是否适当等。征求意见稿指出,法律法规和国家有关规定明令禁止的,存在重大伦理问题的,未经临床前动物实验研究证明安全性、有效性的生物医学新技术,不得开展临床研究。未经临床研究证明安全性、有效性的,或未经转化应用审查通过的生物医学新技术,不得进入临床应用。须在三甲医院进行临床研究征求意见稿还规定了开展生物医学新技术临床研究医疗机构和项目主要负责人的条件。其中,拟从事临床研究活动的机构,应当具备3项条件:三级甲等医院或三级甲等妇幼保健院;有与从事临床研究相适应的资质条件、研究场所、环境条件、设备设施及专业技术人员;有保证临床研究质量安全和伦理适应性及保障受试者健康权益的管理制度与能力条件。人员方面,临床研究项目负责人应当同时具备执业医师资格和高级职称,具有良好的科研信誉。主要研究人员应当具备承担该项研究所需的专业知识背景、资格和能力。医务人员违反规定如情节严重终生禁入针对现有规定处罚力度弱,无法形成威慑的问题,条例加大了违规行为的处罚力度。征求意见稿对医疗机构违规开展临床研究和转化应用、未按规定开展研究、医师违反规定、其他医务人员违反规定、非医疗机构违规开展临床研究等情形明确了处罚措施,包括警告、限期改正、罚款、取消诊疗科目、吊销《医疗机构执业许可证》,开除或辞退,终生不得从事生物医学新技术临床研究等;情节严重的还将追究刑事责任。例如,征求意见稿拟规定,医疗机构未经省级以上人民政府卫生主管部门许可开展生物医学新技术临床研究或转化应用的,由县级以上人民政府卫生主管部门予以通报批评、警告,并处5万元以上10万元以下罚款;对机构主要负责人和其他责任人员,依法给予处分。情节较重的,取消相关诊疗科目,5年内不得申请该诊疗科目;情节严重的,吊销其《医疗机构执业许可证》。医务人员违反条例规定开展临床研究和转化应用的,由县级以上人民政府卫生主管部门给予警告或者责令暂停6个月以上1年以下执业活动;情节严重的,吊销其执业证书,终生不得从事生物医学新技术临床研究;有违法违规收入的,没收违法违规所得,并处违法违规所得10倍以上20倍以下罚款;构成犯罪的,依法追究刑事责任。

    时间:2019-02-28 关键词: 生物医学

  • 科学家研发用于生物医学和软机器人的3D打印硅橡胶结构

    使用由液体和固体形式的硅氧烷形成的糊状油墨,北卡罗莱纳州立大学的研究人员已经能够3D打印灵活多孔的硅橡胶结构。该技术可用于生物医学和软机器人。 从隐形眼镜到发动机衬垫到冰块托盘,硅胶已被证明是一种多功能的聚合物组。因此,研究人员和企业已经设法制作可3D打印的硅胶。 加利福尼亚州的ALT是少数几家已经开发硅胶3D打印工艺的公司之一,佛罗里达大学的研究人员在几周前就推出了用于医疗器械的硅胶3D打印工艺。 北卡罗莱纳州立大学的一组研究人员刚刚成为研究硅胶3D打印工艺的最新成员,开发了用由液体和固体形式的硅氧烷形成的糊状油墨打印的3D打印方法。他们说他们的技术让人联想到用水将砂粒变成沙堡。 由NVISTA NCID化学和生物分子工程教授Orlin Velev领导的研究团队表明,在水介质中,液体硅橡胶可用于在微小的硅橡胶珠之间形成桥梁。所得到的糊状物可以在各种环境中3D打印,甚至在水下也可以。 由于该技术可以在干燥或潮湿的环境中使用,研究人员认为其可用于活组织。他们设想了生物医学应用,例如可以直接应用到人体上的3D打印软绷带,以及在软机器人领域的应用。 Velev说:“硅胶或PDMS的3D打印非常有价值,因为它具有许多有用的特性。但应用它还需要攻克一些挑战,您通常需要快速加热材料或使用特殊的化学来应用它,这在技术上是复杂的。” 另一方面,这种硅胶3D打印方法既不需要热应用也不需要特殊的化学成分。NC州研究人员认为这种技术非常可取。 Velev说:“我们的方法采用非常简单的可挤出材料,可以放置在3D打印机中,直接对多孔、柔性结构进行原型打印,即使在水下也可以。所有这一切都是通过两种材料的多相系统完成的,不需要特殊的化学成分或昂贵的机器。” 研究人员将这种易用性归因于该方法中使用的双重硅胶。 “这个‘诀窍’是珠粒和与它们结合的液体都是硅胶,因此在成型和固化后可以形成一种非常内聚的、可拉伸和可弯曲的材料。”Velev解释说。 据悉,该研究论文于本周发布在Advanced Materials杂志上。它的第一作者是NC州博士候选人Sangchul Roh。共同作者包括NC州立研究生Dishit Parekh;路易斯安那州立大学的教授Bhuvnesh Bharti,以及荷兰瓦赫宁根大学的Simeon Stoyanov博士。

    时间:2017-06-12 关键词: 3d打印 软机器人 生物医学

  • 生物医学电子学领域的创新医疗传感器技术概述

     第一部分:眼睛与耳朵随着现代电子技术在医疗和生物领域的进展,我们的眼、耳、肺、心、脑功能都有可能得到增强。 科幻剧《无敌金刚》(The Six MillionDollar Man)搬上电视荧屏距今已差不多有40年时间,随着现代电子技术与纳米技术、高级植入技术、太阳能与光能设备,以及医学与生物学领域传感器重要发展的融合,科学幻想正在成为现实。科学创新催生了增强和代替人体器官的基于传感器的电子设备。这些电子设备包括WBAN(无线体域网)以及增强或代替眼睛和耳朵的设备。本文第一部分描述了创新的传感器技术,以及从传感器直到微控制器的微型化、可植入以及无线电子接口方式。第二部分将讨论肺、心脏和大脑。 传感器与无线通信设备的发展使我们能够设计出微型、高成本效益以及智能的生理传感器结点。一个创新是可穿戴的健康监控系统,如WBAN。针对这一技术的IEEE802.15.4标准规定了一个与医疗传感器体域网络相关的小功率低数据速率无线方案。2011年,意法半导体公司推出了自己的未来“cyborg”技术,包括传感器和MEMS,以及iNEMO(惯性模块评估板)结点(图1)。 图1,意法半导体公司开发了一些用于个人与诊断的传感器应用 在这一领域的其它供应商中,Analog Devices也提供了一些先进的活动监控解决方案,以及传感器接口元件,而德州仪器公司提供了一个带Tmote Sky的开发套件,这是下一代的“mote”平台,即针对极低功耗、高数据速率传感器网络应用的远程平台,有容错和易于开发的双重设计目标。TI公司的Tmote Sky套件号称有10KB的片上RAM(所有mote中的最大容量),IEEE 802.15.4射频,以及一个125m作用范围的集成板载天线。 帮助盲人重见光明 视网膜修复技术可以帮助患视网膜退化疾病,如可能致盲的黄斑变性的人群恢复视力(参考文献1)。研究人员做了临床植入研究,证明植入假体最终可弥补眼睛失去的功能,研究采用了一种植入物,包含一个15通道的激励芯片、分立的电源元件,以及与眼睛外壁吻合的电源与数据接收线圈。波士顿视网膜植入项目的研究人员在一只猪的视网膜下区域植入了一个阵列,而大部分假体(一个钛制的密封电子组件盒)则附着在巩膜的外表面,或眼白部分。盒中伸出一个螺旋状电极阵列,延伸至眼的颞上象限(图2)。系统有一个外接的视频捕捉单元,以及一个能向设备植入部分发送影像数据的发射机(图3)。一只定制ASIC将图像转换为两相的电流脉冲,其送至电极阵列的强度、周期以及频率都是可编程的(图4)。Minco公司也提供了针对植入体的先进柔性电路,有助于实现这一面向170万遭受此类眼疾痛苦的人们的项目。 图2,波士顿视网膜植入项目的研究人员在一头猪的视网膜下区域植入了一个阵列,但把假体的大部分(一个钛制的密封电子组件)装在巩膜的表面。电极阵列从盒中蜿蜒而出,延伸到眼睛的颞上象限 图3,此系统有外置的视频捕捉单元,还有一个发射器,它以无线方式将图像数据发送给植入的装置 图4,定制ASIC将图像转换为两相的电流脉冲,对一个电极阵列其强度、周期与频率都是可以编程设定的 自研究人员两年前开始做这个临床研究以来,电子技术发生了很多进步,改善了微型化,降低了功耗,并增加了集成度,这一努力最终有望形成产品,得到FDA(食品与药物管理局)批准应用于人体。这些技术进步的例子包括:德州仪器公司符合无线充电联盟Qi标准的无线接收器与发射器技术,该公司为改进的负载系统提供符合标准的通信,用于无线电源传输、AC/DC电源转换、输出电压调整,以及动态整流器控制等。采用德州仪器的无线电源产品和开发套件,就可以做出全套的无接线电源传输与充电设计。飞思卡尔与AnalogDevices公司也提供这一领域的低功耗无线产品。 另外一项临床研究是采用有望实现高分辨率视网膜假体的光电二极管电路。在这项研究中,斯坦福大学的研究人员正在努力研究有源偏置光敏电路与无源光伏电路(参考文献2)。该大学眼科系与汉森实验物理实验室副教授Daniel V Palanker称,他用了一台笔记本电脑处理来自摄像头的数据流, 用一块微型LCD(类似于视频眼镜)显示得到的数据。约900nm波长的近IR(红外)光以0.5ms间隔照亮LCD,相当于约30?的视场。这个脉冲将影像通过眼球投射到视网膜上。然后,视网膜下一个植入的3mm直径芯片中的光伏像素接收IR影像,相当于10?的视场。每个像素都将脉冲光转换为一个成比例的双相脉冲电流,将视觉信息携带给有病的视网膜组织。 与光敏系统比较,光伏系统中没有额外的电源,从而大大简化了假体的设计、制造,以及相关的手术过程,前者需要有源的偏置电压。研究人员计划在未来研究中,确定各个视网膜神经元对这种激励的响应。 帮助聋人获得听力 生物医学科学的另一个发展领域是耳蜗植入。这些植入体的主要目标是通过电刺激,安全地提供或恢复功能听力(参考文献3)。植入体包括放在耳后一个外置单元中的处理器和一个电池,外置单元用一只话筒拾取声音,将声音转换到数字域,将数字信号处理并编码成一个RF信号,然后将其发送给耳机中的天线(图5)。医生通过手术,在耳后皮肤下面放置了内置接收器,一块磁铁吸附在它外面,将耳机固定。密封的激励器包含有源的电子电路,它从RF信号获得能量来解码信号,并将其转换为电流,然后将其发送给连接耳蜗的导线。导线末端的电极刺激连接到中央神经系统的听觉神经,这些神经将电脉冲解析为声音。 图5,植入耳蜗将声音转换为电脉冲,送给听觉神经。话筒将声音捕捉给声音处理器(a)。声音处理器将声音转换为详细的数学信息 (b)。磁耳机将数字信号发送给植入的耳蜗(c)。植入耳蜗将电信号发送给听觉神经(d)。收听到的神经将脉冲发给大脑,这将脉冲解析成为声音 外置的语言处理器中包含一个DSP、一个功率放大器和一个RF发射器。DSP提取出声音的特征,将其转换为一个数据流,RF发射器将其发射出去。DSP还在一个存储映像中包含了病人的信息。外置PC的适配程序可以设置或修改存储映像,以及其它语音处理参数。 内部单元有一个RF接收器,以及一个密封的刺激器。这个内部植入单元没有电池供电,因此接收器必须从RF信号获得能量。然后,充电的刺激器解码RF码流,将其转换为电流,送给听觉神经处的电极。一个反馈系统监控着植入体内的关键电气与神经活动,并将这些活动传送回外置单元(图6)。 图6,一个反馈系统监护着植入体的关键电活动与神经活动,并将这些活动传回到外置单元 Advanced Bionics公司开发出了一个可植入电子平台,它提供了更多通道,以及通过电流导引而生成虚拟通道的能力。该公司R&D副总裁Lee Hartley称,在开发复杂的声音处理传感器时,最大的挑战之一就是提高在噪声听音环境中的聆听能力。他说:“耳蜗植入接收器对于辨别响度水平以及不同频率通道的能力不足。这更增加了改善语言理解与音乐欣赏的挑战;我们需要智能地将信息从噪声中分离出来。” Hartley表示,接下来能大大改进耳蜗植入系统及性能的重要领域包括:与商务设备的随处无线连接能力;低功耗下更加智能的场景分析算法,以及使病人能够接收临床医师耳蜗植入服务的技术,而与病人或医师的位置无关。他解释说:“业界的技术趋势是系统架构与服务模型,它将尽可能减小整个耳蜗植入系统的可见性。Hartley预计,IC技术的发展将提供无线功能,降低系统功耗。他说:“我认为系统设计会继续模块化,接受者将根据自己不断变化的需求,定制自己的体验。” 信号处理大大改善了耳蜗植入的性能。声音可以建立模型,使语音成为周期声源,而非语音则成为噪声源。声道的谐振特性可过滤声音的频率频谱。还有一个办法是,声源可以建模成为一个载波,而声道则作为一个调制器,表示出嘴或鼻的开闭。声源通常会快速变化,而滤波器的反应更慢得多(参考文献3)。 所有现代耳蜗植入体的内部单元都要通过一个经皮RF链接连到外部单元上,这是为用户的安全和方便性着想。RF链接采用了一对电感耦合线圈,不仅传输数据,同时传送电源。RF传送单元有一些挑战性工作,如高效地放大信号与功率,并保持对EMI的抵抗力。它的第二个功能是提供可靠的通信协议,包括一个信号调制模式、位编码、帧编码、同步,以及后台遥测的检测。 耳蜗植入体的RF设计可能有很多相互冲突的挑战,需要谨慎地权衡。例如,要延长电池寿命,功率发射器必须是大功率高效设计。于是,很多现代植入体都采用高效率的E类放大器。但E类放大器是非性线的,它们有波形失真,限制了数据发射速率。另外一个挑战是对高功率效率发射与接收线圈的要求。RF系统为了获得最大功率,要工作在其谐振频率上,或一个窄带宽上,但是RF系统在数据传输时却不能限制带宽。另外,虽然这些设备要求有高的发射频率,但这样就需要大的线圈。而在一个实际可用设计中,发射与接收线圈的尺寸都必须小到从美容角度可接受的程度。 内部单元中的接收器与激励器是耳蜗植入体的引擎(图7)。ASIC(虚线中)完成关键的功能,确保安全而可靠的电激励。它有一个直通数据解码器的路径,能从RF信号中恢复数字信息,并通过对错误和安全性的检查,确保正确的解码。数据分配器通过转换多工器的开、关状态,将解码后的电激励参数送至可编程电流源。返回路径包括一个后台遥测电压采样器,用于读取某个时刻记录电极上的电压。然后,PGA(可编程增益放大器)放大电压,ADC将其转换到数字域,并保存在存储器中,再用后台遥测技术将其发送给外置单元。ASIC也有很多控制单元,如从时钟生成的RF信号,直到指令解码器。ASIC对某些功能的集成不太方便,如稳压器、发电器、线圈和RF调谐回路,以及后台遥测数据调制器等,但这些领域也正在不断发展中。 图7,内部单元中的接收器和刺激器是植入耳蜗的引擎 DAC和电流镜组成电流源,根据来自数据解码器的幅度信息,产生激励电流。这个电流源必须很精确,也充满着挑战。例如,由于工艺差异,MOSFET的源极与漏极关系不是恒定的,同时,栅极与源极之间的电压差控制着漏极的电流量。因此,电路需要一个调整网络,对基准电流作精细调节。新设计有多只DAC,以获得所需要的精确电流,因此无需使用电位器。理想的电流源有无限大的阻抗,因此很多设计者采用级联电流镜,付出的代价是降低了电压的裕度,增加了功耗。 这些权衡必须谨慎地考虑和实现。有些耳蜗植入产品有多个电流源,较老的装置需要一个开关网络,将一个电流源连接至多个电极。新设计则使用了多个顺序或同时的电流源。在这些设计中,P沟道和N沟道电流源都可生成激励的正、负相位。挑战是要匹配P沟道和N沟道电流源,确保正负电荷的平衡。自适应恒流电压可以减少功耗,保持高阻抗。 工程师们都更喜欢采用ASK(幅移键控)调制,而不是FSK(频移键控)调制,因为ASK有简单的实现方法,以及高频RF信号下的低功耗。多亏了各团队工程师、科学家、物理学家和企业家的不懈努力与合作,安全且费用合理的激励方法已恢复了全球超过12万人的听力。这些假体已成为指导其它神经假体开发的模型,可望提高几百万人的生活质量。 第二部分:大脑、心脏与肺患有脑病和心肺病的人们受益于21世纪电子、生物以及医疗技术的协同。 生物医学电子学研究的动力来自于“婴儿潮”人口的老化及他们的医疗需求。这一局面刺激了新型生物技术的快速发展,以及在预防医学领域创新的医疗诊断与治疗方式的采用。后来,植入技术与先进无线电子媒介将有助于减缓今天社会高涨的医疗费用,使我们今后更健康长寿。 本文第一部分讨论了眼睛和耳朵,本部分将讨论大脑、心脏和肺,技术的发展将改善工程、生物以及医学之间的桥梁,增强这些器官的功能。 本文将揭示出新装置的微型化、便携能力、连接性、人性化、安全以及可靠性是如何推动这方面的尝试,从而改善人体中那些老化或带病/损伤器官所要求的脆弱性质与微妙平衡。 大脑 对于癫痫、帕金森症(PD)甚至强迫症(OCD)患者,闭合深脑刺激(CDBS)是一个实现生物医学电子解决方案的优秀例子,它改善了那些遭受这些痛苦折磨的人们的生活质量。 DBS系统通过检测病人的脑电波(EEG),自动产生DBS电脉冲,防止癫痫的发作,甚至帮助减轻PD的震颤。DBS向大脑的不同区域发送特定的刺激。DBS用于那些拒绝药物治疗的病人,以及有症状波动和震颤的病人。 迄今为止,只有Medtronic公司有通过FDA批准的DBS产品。他们的双侧大脑DBS装置于2002年通过了FDA的批准,带有两个神经刺激器,每个用于一个大脑半球。与心脏起搏器类似,DBS用一个神经刺激器产生并提供高频的电脉冲,通过延长线与电极,送至大脑中的丘脑下核(STN)区或苍白球内侧(GPi)部分。Medtronics的Soletra神经刺激器是最先进的电池供电装置之一。 神经刺激器通常要由受过训练的技术人员在手术后编程,以寻找减轻帕金森症状的最有效信号参数。图8是Medtronic公司标准DBS产品的一个简单框图。 图8,Medtronic深脑刺激系统的框图,它采用了一个神经刺激器,为部分大脑产生和提供高频电脉冲 建议CDBS基本设计如下: CDBS装置可以直接与记录、刺激电极连接。8个记录电极被植入到运动皮层中,64个刺激电极被植入到大脑的STN部分。这种64通道可单点控制的刺激能够获得各种刺激模式,最有效地治疗帕金森症状。 从植入微电极获得的神经信号要用8个前端低噪声神经放大器(LAN)做调整。由于神经脉冲的幅度小,有时要用集成前置放大器去放大这些小信号,然后再做数据转换。前端设计需要低噪声,以保证信号的完整性。 前端的带通LNA通常增益为100量级,而LNA的输入设计需要尽可能减小1/f噪声。可以将一种开关电容技术用于电阻模拟和1/f降噪。开关电容电路对信号做调制,这样1/f噪声就可以降低为热噪声。开关电容的放大滤波器能够同时很好地记录神经脉冲和场电势。 多个LNA被复用到一个大动态范围的对数放大器前端,进入一个模数转换器(ADC),从而不必做模拟自动增益控制。 为了覆盖大脑刺激所产生的小信号神经脉冲以及大信号局部场电势(LFP)响应的整个范围,大动态范围ADC需要对所有需要的神经信息做数字化。ADC前端所使用的对数放大器能够达到所需的动态范围。对数编码非常适用于神经信号,并且有效率,因为大动态范围可以用一个短字长来表示。为了节约面积和功耗,采用了相对较大动态范围的ADC,因此就不必采用模拟自动增益控制。 ADC需要一个数字滤波器,用于将低频神经场电势信号从神经脉冲能量中分离出来。这个工作可以采用一个22个接头的有限脉冲响应(FIR)Butterworth型数字滤波器。 使用数字滤波器而不是模拟或混合信号滤波器有很多优点。首先,数字滤波器是可编程的,因此可以调整其运行, 而不用修改硬件, 而模拟滤波器只有修改设计才能做更改。数字滤波器用作双工器,将脉冲与LFP的两个频段分离开来。模拟滤波器电路容易漂移,并依赖于温度,而数字滤波器则没有这些问题,无论是时间还是温度都不会有影响。 电刺激器生成64个通道的两相电荷平衡刺激电流。一只专用控制器通过一个I/O通道,产生这些刺激模式,控制64只电流导引DAC。64个DAC可以构成一个级联的共享2位粗粒度电流DAC和64个独立的双向4位细粒度DAC,或类似的配置。 DAC有48种可能的电流值。可以使用一个细粒度ADC和一个极性转换开关,选择DAC的正负输出,达到电荷平衡的双相刺激,这有助于减少长期的组织损伤风险。 图9是一个用于CDBS系统的单芯片,它与一只微处理器连接,就可获得一个完整的CDBS系统。该项目主管Michael Flynn说:“微处理器告诉芯片有关位置和方式的信息,芯片做其它工作。” 图9,典型的闭环深脑刺激(CDBS)芯片系统框图 在医疗电子领域,飞思卡尔一直与做定制模拟设计的Cactus半导体公司合作。Cactus半导体公司的医疗业务集中在同时涉及可植入和便携应用的集成电路设计,如神经刺激、起搏、除颤、超声,以及医疗监护(如血糖仪)。(见附文) 飞思卡尔也有采用低功耗微控制器、集成模拟前端(AFE)以及低功耗算法的医疗解决方案。其无线通信解决方案能确保低功耗的运行模式,以及能够快速唤醒的睡眠模式。 为了推出下一代DBS , 以及供研究人员探索神秘大脑的工具,Medtronic公司正在开发双向脑机接口(BMI)。一旦完成了所有实验室试验,并在不久的将来被批准用于人脑研究,这种技术有望成为大脑研究前沿的重要工具。现在它正处于临床前期研究阶段,尚没有被批准的产品。 正如图10中的功能框图所示,神经接口(NI)技术核心是当前已发布神经刺激器中的刺激器和遥测系统(Medtronic的ActivaPC)。 图10,这个功能框图表示了一个双向神经接口系统,神经接口(NI)技术核心是已发布神经刺激器中存在的刺激器与遥测系统 参见图11,传感器硬件、算法处理器以及固件部分插入到现有架构中,在物理域和算法域之间有定义良好的信号路径。 图11,双向脑机接口原型中的传感器硬件、算法处理器与固件区都插到现有架构中,并有物理域和算法域中定义良好的信号路径 心脏 “体积小”、“无线”、“无接触”,这些词汇都不可能与过去的ECG装置搭上关系。现在电子技术的新进展促成了更紧凑更便携的设计,有些带有无线功能,传感器甚至不需要与人体有物理或电阻触点。 集成电路的发展造就了ECG设计的小型化,如德州仪器公司高集成度的ADS1298R AFE,它还包含了全集成的呼吸阻抗测量功能。图12给出了一个集成AFE设备,它就像是ADS12998加上ECG架构的其它重要部分。 图12,带有集成模拟前端(AFE)设备心电解决方案 ECG系统功能与进展 ECG机的基本功能包括ECG波形显示(可以采用LCE屏幕或打印纸介质)、心律指示及采用按键的简单用户界面。越来越多的ECG产品中需要更多的功能,例如用方便介质做病人记录的存储,无线/有线传输,以及在有触摸功能大型LCD屏的2D/3D显示等。 多级诊断能力也在为医生和没有特殊ECG训练的人们提供帮助,让他们理解ECG图形,以及对某些心脏状况的提示(下面会讨论Monebo算法)。当ECG信号被捕捉和数字化时,将被送去做显示和分析,分析工作涉及更进一步的信号处理。 信号采集的挑战 ECG信号的测量可能极具挑战性,因为存在着大的DC偏压,以及各种干扰信号。一个典型电极上的这种电势可以高达300mV。干扰信号包括来自电源的50Hz/60Hz干扰、由于病人活动而造成的运动干扰、电外科设备的射频干扰、除颤脉冲、起搏器脉冲,以及其它监护设备的干扰。 对于不同的最终设备, 一台ECG将需要不同的精度和带宽:- 频率在0.05Hz~30Hz之间的标准监护需求;- 频率从0.05Hz~1000Hz的诊断型监护需求。 采用高输入阻抗仪表放大器(INA)可以抑制掉一些50Hz/60Hz的共模干扰,它消除了两个输入端上共同的交流线噪声。要进一步抑制线路上的电源噪声,可将信号反向,再由一个放大器通过右腿回送给病人。只要几微安甚至更小的电流,就可以显著提高CMR,并保持在UL544的限制范围内。另外,50Hz/60Hz的数字陷波滤波器也可以进一步降低这种干扰。 模拟前端的选项 对于便携ECG而言,优化模拟前端的功耗以及PCB区非常关键。由于技术的进步,现在有几种前端的选择: - 采用低分辨率ADC(需要所有的滤波器); - 采用高分辨率ADC(需要少量滤波器); - 采用Σ-Δ ADC(不需要滤波器,除INA外不需要放大器,无DC偏移); - 采用顺序或同步采样方案。 当使用低分辨率( 16位)ADC时,信号需要显著地提高增益(通常是100x~200x),才能达到所需分辨率。当使用高分辨率(24位)ADC时,信号需要4x~5x的适度增益。这样就可以省掉第二个增益级,以及用于消除DC偏移的电路。这样就从整体上减少了面积和成本。另外,Δ-Σ方案还保留了信号的全部频率分量,从而为数字后处理带来了极大的灵活性。 当采用顺序采样方案时, 每个通道都将ECG的导线复用到一个ADC上。此时,相邻通道之间有一个确定的扭曲。当采用同步采样方案时, 每个通道都有一个专用ADC,因此通道之间没有扭曲。 飞思卡尔有大量低成本的开发板,叫做MED-EKG模块,这是一种极其万能的系统,设计者可以快速地建立一个心电系统的原型。当用作飞思卡尔Tower系统的一部分时,设计者可获得一个全功能的系统,通过一个定制设计的电路板,只要更换套件中的任何单个模块,就可以方便地修改、更换或升级成一个定制的设计。 另外, 采用Monebo Kinetic ECG算法也使设计者能够为用户提供对ECG波形的信号处理与解析,从而帮助保健专家获取心脏的参数。它提供高度精确的QRS(在一个典型心电图上能看到的一组三个相连波—通常为心电图轨迹中最重要、目视最明显的部分)检测,并能对多达16线的ECG捕捉数据做特征提取、心拍分类、间隔测量及节律分析等。 无触点ECG不再是科学幻想。Plessey半导体公司与英国苏塞克斯大学开发了电势集成电路(EPIC)传感器,这是一种电势检测(EPS)技术,这种传感器的阵列只要装在病人的胸口,就可以获得相当于12线ECG的读数,而没有一堆导线、导电胶和容易脱落的电极。

    时间:2015-05-12 关键词: 传感器 电子学 wban 生物医学

  • 生物医学电子学领域的医疗传感器

     第一部分:眼睛与耳朵随着现代电子技术在医疗和生物领域的进展,我们的眼、耳、肺、心、脑功能都有可能得到增强。 科幻剧《无敌金刚》(The Six MillionDollar Man)搬上电视荧屏距今已差不多有40年时间,随着现代电子技术与纳米技术、高级植入技术、太阳能与光能设备,以及医学与生物学领域传感器重要发展的融合,科学幻想正在成为现实。科学创新催生了增强和代替人体器官的基于传感器的电子设备。这些电子设备包括WBAN(无线体域网)以及增强或代替眼睛和耳朵的设备。本文第一部分描述了创新的传感器技术,以及从传感器直到微控制器的微型化、可植入以及无线电子接口方式。第二部分将讨论肺、心脏和大脑。 传感器与无线通信设备的发展使我们能够设计出微型、高成本效益以及智能的生理传感器结点。一个创新是可穿戴的健康监控系统,如WBAN。针对这一技术的IEEE802.15.4标准规定了一个与医疗传感器体域网络相关的小功率低数据速率无线方案。2011年,意法半导体公司推出了自己的未来“cyborg”技术,包括传感器和MEMS,以及iNEMO(惯性模块评估板)结点(图1)。     图1,意法半导体公司开发了一些用于个人与诊断的传感器应用 在这一领域的其它供应商中,Analog Devices也提供了一些先进的活动监控解决方案,以及传感器接口元件,而德州仪器公司提供了一个带Tmote Sky的开发套件,这是下一代的“mote”平台,即针对极低功耗、高数据速率传感器网络应用的远程平台,有容错和易于开发的双重设计目标。TI公司的Tmote Sky套件号称有10KB的片上RAM(所有mote中的最大容量),IEEE 802.15.4射频,以及一个125m作用范围的集成板载天线。 帮助盲人重见光明 视网膜修复技术可以帮助患视网膜退化疾病,如可能致盲的黄斑变性的人群恢复视力(参考文献1)。研究人员做了临床植入研究,证明植入假体最终可弥补眼睛失去的功能,研究采用了一种植入物,包含一个15通道的激励芯片、分立的电源元件,以及与眼睛外壁吻合的电源与数据接收线圈。波士顿视网膜植入项目的研究人员在一只猪的视网膜下区域植入了一个阵列,而大部分假体(一个钛制的密封电子组件盒)则附着在巩膜的外表面,或眼白部分。盒中伸出一个螺旋状电极阵列,延伸至眼的颞上象限(图2)。系统有一个外接的视频捕捉单元,以及一个能向设备植入部分发送影像数据的发射机(图3)。一只定制ASIC将图像转换为两相的电流脉冲,其送至电极阵列的强度、周期以及频率都是可编程的(图4)。Minco公司也提供了针对植入体的先进柔性电路,有助于实现这一面向170万遭受此类眼疾痛苦的人们的项目。     图2,波士顿视网膜植入项目的研究人员在一头猪的视网膜下区域植入了一个阵列,但把假体的大部分(一个钛制的密封电子组件)装在巩膜的表面。电极阵列从盒中蜿蜒而出,延伸到眼睛的颞上象限     图3,此系统有外置的视频捕捉单元,还有一个发射器,它以无线方式将图像数据发送给植入的装置     图4,定制ASIC将图像转换为两相的电流脉冲,对一个电极阵列其强度、周期与频率都是可以编程设定的 《电子设计技术》网站版权所有,谢绝转载 自研究人员两年前开始做这个临床研究以来,电子技术发生了很多进步,改善了微型化,降低了功耗,并增加了集成度,这一努力最终有望形成产品,得到FDA(食品与药物管理局)批准应用于人体。这些技术进步的例子包括:德州仪器公司符合无线充电联盟Qi标准的无线接收器与发射器技术,该公司为改进的负载系统提供符合标准的通信,用于无线电源传输、AC/DC电源转换、输出电压调整,以及动态整流器控制等。采用德州仪器的无线电源产品和开发套件,就可以做出全套的无接线电源传输与充电设计。飞思卡尔与AnalogDevices公司也提供这一领域的低功耗无线产品。 另外一项临床研究是采用有望实现高分辨率视网膜假体的光电二极管电路。在这项研究中,斯坦福大学的研究人员正在努力研究有源偏置光敏电路与无源光伏电路(参考文献2)。该大学眼科系与汉森实验物理实验室副教授Daniel V Palanker称,他用了一台笔记本电脑处理来自摄像头的数据流, 用一块微型LCD(类似于视频眼镜)显示得到的数据。约900nm波长的近IR(红外)光以0.5ms间隔照亮LCD,相当于约30?的视场。这个脉冲将影像通过眼球投射到视网膜上。然后,视网膜下一个植入的3mm直径芯片中的光伏像素接收IR影像,相当于10?的视场。每个像素都将脉冲光转换为一个成比例的双相脉冲电流,将视觉信息携带给有病的视网膜组织。 与光敏系统比较,光伏系统中没有额外的电源,从而大大简化了假体的设计、制造,以及相关的手术过程,前者需要有源的偏置电压。研究人员计划在未来研究中,确定各个视网膜神经元对这种激励的响应。 帮助聋人获得听力 生物医学科学的另一个发展领域是耳蜗植入。这些植入体的主要目标是通过电刺激,安全地提供或恢复功能听力(参考文献3)。植入体包括放在耳后一个外置单元中的处理器和一个电池,外置单元用一只话筒拾取声音,将声音转换到数字域,将数字信号处理并编码成一个RF信号,然后将其发送给耳机中的天线(图5)。医生通过手术,在耳后皮肤下面放置了内置接收器,一块磁铁吸附在它外面,将耳机固定。密封的激励器包含有源的电子电路,它从RF信号获得能量来解码信号,并将其转换为电流,然后将其发送给连接耳蜗的导线。导线末端的电极刺激连接到中央神经系统的听觉神经,这些神经将电脉冲解析为声音。     图5,植入耳蜗将声音转换为电脉冲,送给听觉神经。话筒将声音捕捉给声音处理器(a)。声音处理器将声音转换为详细的数学信息 (b)。磁耳机将数字信号发送给植入的耳蜗(c)。植入耳蜗将电信号发送给听觉神经(d)。收听到的神经将脉冲发给大脑,这将脉冲解析成为声音 外置的语言处理器中包含一个DSP、一个功率放大器和一个RF发射器。DSP提取出声音的特征,将其转换为一个数据流,RF发射器将其发射出去。DSP还在一个存储映像中包含了病人的信息。外置PC的适配程序可以设置或修改存储映像,以及其它语音处理参数。 内部单元有一个RF接收器,以及一个密封的刺激器。这个内部植入单元没有电池供电,因此接收器必须从RF信号获得能量。然后,充电的刺激器解码RF码流,将其转换为电流,送给听觉神经处的电极。一个反馈系统监控着植入体内的关键电气与神经活动,并将这些活动传送回外置单元(图6)。     图6,一个反馈系统监护着植入体的关键电活动与神经活动,并将这些活动传回到外置单元 Advanced Bionics公司开发出了一个可植入电子平台,它提供了更多通道,以及通过电流导引而生成虚拟通道的能力。该公司R&D副总裁Lee Hartley称,在开发复杂的声音处理传感器时,最大的挑战之一就是提高在噪声听音环境中的聆听能力。他说:“耳蜗植入接收器对于辨别响度水平以及不同频率通道的能力不足。这更增加了改善语言理解与音乐欣赏的挑战;我们需要智能地将信息从噪声中分离出来。” 《电子设计技术》网站版权所有,谢绝转载 Hartley表示,接下来能大大改进耳蜗植入系统及性能的重要领域包括:与商务设备的随处无线连接能力;低功耗下更加智能的场景分析算法,以及使病人能够接收临床医师耳蜗植入服务的技术,而与病人或医师的位置无关。他解释说:“业界的技术趋势是系统架构与服务模型,它将尽可能减小整个耳蜗植入系统的可见性。Hartley预计,IC技术的发展将提供无线功能,降低系统功耗。他说:“我认为系统设计会继续模块化,接受者将根据自己不断变化的需求,定制自己的体验。” 信号处理大大改善了耳蜗植入的性能。声音可以建立模型,使语音成为周期声源,而非语音则成为噪声源。声道的谐振特性可过滤声音的频率频谱。还有一个办法是,声源可以建模成为一个载波,而声道则作为一个调制器,表示出嘴或鼻的开闭。声源通常会快速变化,而滤波器的反应更慢得多(参考文献3)。 所有现代耳蜗植入体的内部单元都要通过一个经皮RF链接连到外部单元上,这是为用户的安全和方便性着想。RF链接采用了一对电感耦合线圈,不仅传输数据,同时传送电源。RF传送单元有一些挑战性工作,如高效地放大信号与功率,并保持对EMI的抵抗力。它的第二个功能是提供可靠的通信协议,包括一个信号调制模式、位编码、帧编码、同步,以及后台遥测的检测。 耳蜗植入体的RF设计可能有很多相互冲突的挑战,需要谨慎地权衡。例如,要延长电池寿命,功率发射器必须是大功率高效设计。于是,很多现代植入体都采用高效率的E类放大器。但E类放大器是非性线的,它们有波形失真,限制了数据发射速率。另外一个挑战是对高功率效率发射与接收线圈的要求。RF系统为了获得最大功率,要工作在其谐振频率上,或一个窄带宽上,但是RF系统在数据传输时却不能限制带宽。另外,虽然这些设备要求有高的发射频率,但这样就需要大的线圈。而在一个实际可用设计中,发射与接收线圈的尺寸都必须小到从美容角度可接受的程度。 内部单元中的接收器与激励器是耳蜗植入体的引擎(图7)。ASIC(虚线中)完成关键的功能,确保安全而可靠的电激励。它有一个直通数据解码器的路径,能从RF信号中恢复数字信息,并通过对错误和安全性的检查,确保正确的解码。数据分配器通过转换多工器的开、关状态,将解码后的电激励参数送至可编程电流源。返回路径包括一个后台遥测电压采样器,用于读取某个时刻记录电极上的电压。然后,PGA(可编程增益放大器)放大电压,ADC将其转换到数字域,并保存在存储器中,再用后台遥测技术将其发送给外置单元。ASIC也有很多控制单元,如从时钟生成的RF信号,直到指令解码器。ASIC对某些功能的集成不太方便,如稳压器、发电器、线圈和RF调谐回路,以及后台遥测数据调制器等,但这些领域也正在不断发展中。     图7,内部单元中的接收器和刺激器是植入耳蜗的引擎 DAC和电流镜组成电流源,根据来自数据解码器的幅度信息,产生激励电流。这个电流源必须很精确,也充满着挑战。例如,由于工艺差异,MOSFET的源极与漏极关系不是恒定的,同时,栅极与源极之间的电压差控制着漏极的电流量。因此,电路需要一个调整网络,对基准电流作精细调节。新设计有多只DAC,以获得所需要的精确电流,因此无需使用电位器。理想的电流源有无限大的阻抗,因此很多设计者采用级联电流镜,付出的代价是降低了电压的裕度,增加了功耗。 这些权衡必须谨慎地考虑和实现。有些耳蜗植入产品有多个电流源,较老的装置需要一个开关网络,将一个电流源连接至多个电极。新设计则使用了多个顺序或同时的电流源。在这些设计中,P沟道和N沟道电流源都可生成激励的正、负相位。挑战是要匹配P沟道和N沟道电流源,确保正负电荷的平衡。自适应恒流电压可以减少功耗,保持高阻抗。 工程师们都更喜欢采用ASK(幅移键控)调制,而不是FSK(频移键控)调制,因为ASK有简单的实现方法,以及高频RF信号下的低功耗。多亏了各团队工程师、科学家、物理学家和企业家的不懈努力与合作,安全且费用合理的激励方法已恢复了全球超过12万人的听力。这些假体已成为指导其它神经假体开发的模型,可望提高几百万人的生活质量。 《电子设计技术》网站版权所有,谢绝转载 第二部分:大脑、心脏与肺患有脑病和心肺病的人们受益于21世纪电子、生物以及医疗技术的协同。 生物医学电子学研究的动力来自于“婴儿潮”人口的老化及他们的医疗需求。这一局面刺激了新型生物技术的快速发展,以及在预防医学领域创新的医疗诊断与治疗方式的采用。后来,植入技术与先进无线电子媒介将有助于减缓今天社会高涨的医疗费用,使我们今后更健康长寿。 本文第一部分讨论了眼睛和耳朵,本部分将讨论大脑、心脏和肺,技术的发展将改善工程、生物以及医学之间的桥梁,增强这些器官的功能。 本文将揭示出新装置的微型化、便携能力、连接性、人性化、安全以及可靠性是如何推动这方面的尝试,从而改善人体中那些老化或带病/损伤器官所要求的脆弱性质与微妙平衡。 大脑 对于癫痫、帕金森症(PD)甚至强迫症(OCD)患者,闭合深脑刺激(CDBS)是一个实现生物医学电子解决方案的优秀例子,它改善了那些遭受这些痛苦折磨的人们的生活质量。 DBS系统通过检测病人的脑电波(EEG),自动产生DBS电脉冲,防止癫痫的发作,甚至帮助减轻PD的震颤。DBS向大脑的不同区域发送特定的刺激。DBS用于那些拒绝药物治疗的病人,以及有症状波动和震颤的病人。 迄今为止,只有Medtronic公司有通过FDA批准的DBS产品。他们的双侧大脑DBS装置于2002年通过了FDA的批准,带有两个神经刺激器,每个用于一个大脑半球。与心脏起搏器类似,DBS用一个神经刺激器产生并提供高频的电脉冲,通过延长线与电极,送至大脑中的丘脑下核(STN)区或苍白球内侧(GPi)部分。Medtronics的Soletra神经刺激器是最先进的电池供电装置之一。 神经刺激器通常要由受过训练的技术人员在手术后编程,以寻找减轻帕金森症状的最有效信号参数。图1是Medtronic公司标准DBS产品的一个简单框图。     图1,Medtronic深脑刺激系统的框图,它采用了一个神经刺激器,为部分大脑产生和提供高频电脉冲 建议CDBS基本设计如下: CDBS装置可以直接与记录、刺激电极连接。8个记录电极被植入到运动皮层中,64个刺激电极被植入到大脑的STN部分。这种64通道可单点控制的刺激能够获得各种刺激模式,最有效地治疗帕金森症状。 从植入微电极获得的神经信号要用8个前端低噪声神经放大器(LAN)做调整。由于神经脉冲的幅度小,有时要用集成前置放大器去放大这些小信号,然后再做数据转换。前端设计需要低噪声,以保证信号的完整性。 前端的带通LNA通常增益为100量级,而LNA的输入设计需要尽可能减小1/f噪声。可以将一种开关电容技术用于电阻模拟和1/f降噪。开关电容电路对信号做调制,这样1/f噪声就可以降低为热噪声。开关电容的放大滤波器能够同时很好地记录神经脉冲和场电势。 多个LNA被复用到一个大动态范围的对数放大器前端,进入一个模数转换器(ADC),从而不必做模拟自动增益控制。 为了覆盖大脑刺激所产生的小信号神经脉冲以及大信号局部场电势(LFP)响应的整个范围,大动态范围ADC需要对所有需要的神经信息做数字化。ADC前端所使用的对数放大器能够达到所需的动态范围。对数编码非常适用于神经信号,并且有效率,因为大动态范围可以用一个短字长来表示。为了节约面积和功耗,采用了相对较大动态范围的ADC,因此就不必采用模拟自动增益控制。 ADC需要一个数字滤波器,用于将低频神经场电势信号从神经脉冲能量中分离出来。这个工作可以采用一个22个接头的有限脉冲响应(FIR)Butterworth型数字滤波器。 使用数字滤波器而不是模拟或混合信号滤波器有很多优点。首先,数字滤波器是可编程的,因此可以调整其运行, 而不用修改硬件, 而模拟滤波器只有修改设计才能做更改。数字滤波器用作双工器,将脉冲与LFP的两个频段分离开来。模拟滤波器电路容易漂移,并依赖于温度,而数字滤波器则没有这些问题,无论是时间还是温度都不会有影响。 《电子设计技术》网站版权所有,谢绝转载 电刺激器生成64个通道的两相电荷平衡刺激电流。一只专用控制器通过一个I/O通道,产生这些刺激模式,控制64只电流导引DAC。64个DAC可以构成一个级联的共享2位粗粒度电流DAC和64个独立的双向4位细粒度DAC,或类似的配置。 DAC有48种可能的电流值。可以使用一个细粒度ADC和一个极性转换开关,选择DAC的正负输出,达到电荷平衡的双相刺激,这有助于减少长期的组织损伤风险。 图2是一个用于CDBS系统的单芯片,它与一只微处理器连接,就可获得一个完整的CDBS系统。该项目主管Michael Flynn说:“微处理器告诉芯片有关位置和方式的信息,芯片做其它工作。”     图2,典型的闭环深脑刺激(CDBS)芯片系统框图 在医疗电子领域,飞思卡尔一直与做定制模拟设计的Cactus半导体公司合作。Cactus半导体公司的医疗业务集中在同时涉及可植入和便携应用的集成电路设计,如神经刺激、起搏、除颤、超声,以及医疗监护(如血糖仪)。(见附文) 飞思卡尔也有采用低功耗微控制器、集成模拟前端(AFE)以及低功耗算法的医疗解决方案。其无线通信解决方案能确保低功耗的运行模式,以及能够快速唤醒的睡眠模式。 为了推出下一代DBS , 以及供研究人员探索神秘大脑的工具,Medtronic公司正在开发双向脑机接口(BMI)。一旦完成了所有实验室试验,并在不久的将来被批准用于人脑研究,这种技术有望成为大脑研究前沿的重要工具。现在它正处于临床前期研究阶段,尚没有被批准的产品。 正如图3中的功能框图所示,神经接口(NI)技术核心是当前已发布神经刺激器中的刺激器和遥测系统(Medtronic的ActivaPC)。     图3,这个功能框图表示了一个双向神经接口系统,神经接口(NI)技术核心是已发布神经刺激器中存在的刺激器与遥测系统 参见图4,传感器硬件、算法处理器以及固件部分插入到现有架构中,在物理域和算法域之间有定义良好的信号路径。     图4,双向脑机接口原型中的传感器硬件、算法处理器与固件区都插到现有架构中,并有物理域和算法域中定义良好的信号路径 《电子设计技术》网站版权所有,谢绝转载 心脏 “体积小”、“无线”、“无接触”,这些词汇都不可能与过去的ECG装置搭上关系。现在电子技术的新进展促成了更紧凑更便携的设计,有些带有无线功能,传感器甚至不需要与人体有物理或电阻触点。 集成电路的发展造就了ECG设计的小型化,如德州仪器公司高集成度的ADS1298R AFE,它还包含了全集成的呼吸阻抗测量功能。图5给出了一个集成AFE设备,它就像是ADS12998加上ECG架构的其它重要部分。     图5,带有集成模拟前端(AFE)设备心电解决方案 ECG系统功能与进展 ECG机的基本功能包括ECG波形显示(可以采用LCE屏幕或打印纸介质)、心律指示及采用按键的简单用户界面。越来越多的ECG产品中需要更多的功能,例如用方便介质做病人记录的存储,无线/有线传输,以及在有触摸功能大型LCD屏的2D/3D显示等。 多级诊断能力也在为医生和没有特殊ECG训练的人们提供帮助,让他们理解ECG图形,以及对某些心脏状况的提示(下面会讨论Monebo算法)。当ECG信号被捕捉和数字化时,将被送去做显示和分析,分析工作涉及更进一步的信号处理。 信号采集的挑战 ECG信号的测量可能极具挑战性,因为存在着大的DC偏压,以及各种干扰信号。一个典型电极上的这种电势可以高达300mV。干扰信号包括来自电源的50Hz/60Hz干扰、由于病人活动而造成的运动干扰、电外科设备的射频干扰、除颤脉冲、起搏器脉冲,以及其它监护设备的干扰。 对于不同的最终设备, 一台ECG将需要不同的精度和带宽:- 频率在0.05Hz~30Hz之间的标准监护需求;- 频率从0.05Hz~1000Hz的诊断型监护需求。 采用高输入阻抗仪表放大器(INA)可以抑制掉一些50Hz/60Hz的共模干扰,它消除了两个输入端上共同的交流线噪声。要进一步抑制线路上的电源噪声,可将信号反向,再由一个放大器通过右腿回送给病人。只要几微安甚至更小的电流,就可以显著提高CMR,并保持在UL544的限制范围内。另外,50Hz/60Hz的数字陷波滤波器也可以进一步降低这种干扰。 模拟前端的选项 对于便携ECG而言,优化模拟前端的功耗以及PCB区非常关键。由于技术的进步,现在有几种前端的选择: - 采用低分辨率ADC(需要所有的滤波器); - 采用高分辨率ADC(需要少量滤波器); - 采用Σ-Δ ADC(不需要滤波器,除INA外不需要放大器,无DC偏移); - 采用顺序或同步采样方案。 当使用低分辨率( 16位)ADC时,信号需要显著地提高增益(通常是100x~200x),才能达到所需分辨率。当使用高分辨率(24位)ADC时,信号需要4x~5x的适度增益。这样就可以省掉第二个增益级,以及用于消除DC偏移的电路。这样就从整体上减少了面积和成本。另外,Δ-Σ方案还保留了信号的全部频率分量,从而为数字后处理带来了极大的灵活性。 当采用顺序采样方案时, 每个通道都将ECG的导线复用到一个ADC上。此时,相邻通道之间有一个确定的扭曲。当采用同步采样方案时, 每个通道都有一个专用ADC,因此通道之间没有扭曲。 飞思卡尔有大量低成本的开发板,叫做MED-EKG模块,这是一种极其万能的系统,设计者可以快速地建立一个心电系统的原型。当用作飞思卡尔Tower系统的一部分时,设计者可获得一个全功能的系统,通过一个定制设计的电路板,只要更换套件中的任何单个模块,就可以方便地修改、更换或升级成一个定制的设计。 另外, 采用Monebo Kinetic ECG算法也使设计者能够为用户提供对ECG波形的信号处理与解析,从而帮助保健专家获取心脏的参数。它提供高度精确的QRS(在一个典型心电图上能看到的一组三个相连波—通常为心电图轨迹中最重要、目视最明显的部分)检测,并能对多达16线的ECG捕捉数据做特征提取、心拍分类、间隔测量及节律分析等。 无触点ECG不再是科学幻想。Plessey半导体公司与英国苏塞克斯大学开发了电势集成电路(EPIC)传感器,这是一种电势检测(EPS)技术,这种传感器的阵列只要装在病人的胸口,就可以获得相当于12线ECG的读数,而没有一堆导线、导电胶和容易脱落的电极。 《电子设计技术》网站版权所有,谢绝转载 肺 医用呼吸机(也叫辅助呼吸机,或机械式呼吸机(MV))能将空气推入病人的肺内。呼吸机可以在重症监护治疗中用作人工呼吸,或家庭中治疗呼吸暂停疾病。现代设备采用了智能电路,能够混合气体,或根据传感器的数据确定一个固定或受控的风扇速度。意法半导体公司的解决方案包括所需要的全部半导体器件,以及通过批准的软件,能够实现安静且可靠的运行。 自从机械式呼吸机发明并在医院和保健机构中使用以来,它已经拯救了很多人的生命。但重症监护病房(ICU)中用MV存活时间超过一周的病人会增加患医疗并发症如呼吸机相关肺炎(VAP)及院内感染的风险,在ICU中的死亡率高6倍。见图6。     图6,典型的辅助呼吸机框图 使用MV病人的横隔膜肌会快速萎缩,随着时间推移而越来越难以脱离呼吸机。 Avery Biomedical开发了一种呼吸起搏系统,它采用射频(RF)耦合的接收器,能同时发送电源和信号。其重要性源于以下两点: 1. 不存在植入的电池,因此没有内部损耗问题。除非机械损坏,否则对任何病人,植入体都可望终生使用,而与年龄无关。 2. 植入部件和外置部件之间没有经皮的连接。由于病人的皮肤没有损伤,因此没有对皮肤损伤的长期保护问题,也没有慢性感染风险。 另一个关键点是,系统采用的是负压呼吸原理。即通过横隔膜的收缩,使肺内压力低于大气压,让空气流入。这在生理上是正确的,也是我们现在呼吸的原理。正压换气(无论是面罩还是机械换气机)都是压气,既不自然,也有患VAP或换气相关肺炎的高风险。VAP是呼吸机依赖病人再次入院的最常见原因。降低再入院率(减少Medicare/Medicaid为他们支付的费用)是最近医疗改革的焦点之一。见图7和图8。     图7,呼吸起搏器带有用于膈神经刺激的植入电极以及RF接收器,还有向植入体发射RF信号的外部天线,完成刺激起搏功能     图8,呼吸起搏器的基本功能框图 对于下一代装置, 新的发展甚至采用血管电极的较少侵入性方法,适用于采用局部麻醉经皮插入的病人(任何需要接触内部器官或其它组织的医疗过程都通过经皮肤的针刺穿透,而不采用暴露内部器官和组织的“切口”方案),膈神经可以通过电致运动,保持横隔膜的强度与抗疲劳能力,改善呼吸,以及尽早脱离MV的可能性。一旦通过FDA和相关机构的批准,这一技术还可缩短ICU停留时间,降低死亡率,并减少医院的费用。 通过采用这种最少侵入性技术的正确膈神经刺激,可以产生有节奏的隔膜收缩。膈神经刺激的阈值电势是1.26V。封装电极激活神经所需电流预计不到引线型电极的三倍。一般采用180μs脉冲周期的平衡双相脉冲。 新型商用传感器与手持设备(如iPhone、Blackberry与iPad)的微电路创新要求有低成本、小体积和低功耗。这些努力传播到生物医学电子领域,带来了更多神奇的解决方案,可改善植入体,并通过非接触性刺激和检测装置,如感应电源与数据传输,以及低功耗RF器件,最终消除对大多数医疗植入体的需求。 附文 飞思卡尔公司内科、外科医师兼电子工程师Jose Fernandez Villase?or博士表示:“无论是外科技术还是用于控制(DBS)起搏器的电路与软件,都永远存在着改进的空间。电子电路尤为重要,因为它们必须准确地探测病人大脑细胞何时发生问题,从而决定何时做补偿,何时不做。我相信需要研究新的控制软件,提高传感器和处理单元的精度,以减少并发症的可能性。”他继续说:“作为技术提供者,我们只希望通过建立尽可能有效而安全的解决方案,从而加快这个过程。” 以下引用一段TimDenison有关Medtronic 方案的评论:“ 神经接口是一个相对较新的领域,还有很多我们不知道的东西。Medtronic 将人机接口技术的发现、发展与部署作为一个参与的过程。我们已经开放了共享的模型,因此我们可以加入全球最好的科学思想,在短期内开发出实现下一代疗法的新工具,以治疗慢性、退化性疾病,比如帕金森症,经过一段时间,可能在解析大脑信号基础上,产生新的治疗方法。”

    时间:2015-05-05 关键词: 医疗传感器 生物医学

  • 美研发能拉伸离子导体 可应用于生物医学器件

    美国哈佛大学一个研究小组本月29日宣布,他们在实验室中造出了可拉伸且全透明的离子导体,能在一万赫兹以上的频率及一万伏以上的电压下工作。这种离子导体在医学、柔性机器人和柔性光学器件等领域有着广阔的应用前景。 伸缩性导体可应用在生物医学等多个领域,成为业界研究热点。但现有伸缩性导体大多是电子导体,尽管它们具有良好的导电性与拉伸性,但在高频高压或在高度变形的情况下工作,导电性能将受较大影响,此外透明度与生物相容性都不及离子导体。 研究小组负责人、哈佛大学应用科学与工程学院锁志刚教授在接受采访时说,他们用盐水与高分子聚合物网络相结合,做成水凝胶离子导体。在水凝胶里,水使离子导电,聚合物网络则提供固体形状。“我们的水凝胶像果冻和凉粉,但是可拉伸性极强,可拉伸5倍以上。”他们用水凝胶做了一系列器件,包括一个全透明大变形传感器以及一个透明的扬声器,可放各种音量的音乐。 对于这个已发表在《科学》杂志上的成果,锁志刚说,使用离子导体制作器件,通常会遇到两个困难:一是高电压会引起电化学反应,二是离子比电子大、重,移动速度慢得多,造成离子导体的导电系数要比许多电子导体低很多。他们用绝缘橡胶解决了这两个难题。 锁志刚解释说,在他们的器件中,用绝缘橡胶夹在两层离子导体之间,从而能控制电压接口,杜绝了电化学反应出现。与此同时,橡胶层作为电容器,只要有很少量电荷就可导致很大的变形。由于它的电容很小,因此器件的频率可以极高,这样就可用离子导体做高频器件,而不受导电系数问题限制。 对于离子导体的意义,锁志刚说,离子导体的多样性将为各种应用提供更多选择。比如,现代医学需要电子器件直接接触皮肤、心脏及大脑,可拉伸、透明且具有生物相容性的离子导体就可能比电子导体更适合。 锁志刚承认,水凝胶作为离子导体有其缺陷,包括水分容易蒸发从而变得干燥等。因此他们下一步计划研制不易挥发的离子导体。此外,他们还计划用离子导体造出柔性机器人的控制元件与生物医学器件。

    时间:2013-09-02 关键词: 应用于 导体 离子 生物医学

  • 新型显微技术成功用于生物医学研究

    中科院西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室姚保利研究组,将基于数字微镜器件和LED照明的显微技术成功用于生物医学研究,从而为深层生物样品大面积快速三维成像提供了一种新的技术手段。相关成果日前发表在《自然》子刊《科学报告》杂志上。 大到宇宙,小到分子,看得更远、更细、更清楚是人类不断追求的目标。为突破光的衍射极限,近年来出现了不少光学超分辨方法,如光激活定位法、随机光学重构法、受激发射损耗法等。但这几种超分辨成像技术速度较慢,而且需要一些特殊染料标记样品。另外一种方式是使用结构光照明的显微技术(SIM)。它使用特殊调制的光场照明样品,通过空间频谱处理的方式获得超分辨图像。目前,只有美、德、英、日等几个国家掌握该技术,我国在这方面相对滞后。 据了解,姚保利研究组首次提出并实现了基于数字微镜器件和LED照明的SIM技术。与激光干涉照明SIM技术相比,该技术能够获得更高的空间分辨率、更快的成像速度和更好的图像质量,而且大大降低了装置的复杂性和成本。经测定,系统的横向分辨率达90纳米,是目前国际上同类技术的最好水平。 此次研究组与第四军医大学和德国康斯坦茨大学合作,利用该系统成功获得了牛肺动脉内皮细胞线粒体和小鼠脑神经元细胞的超分辨图像,并且实现了小鼠脑神经元细胞和植物花粉的三维光切片成像,其成像深度和成像速度比当前同类切片显微技术均提高了约10倍。

    时间:2013-02-19 关键词: 显微 生物医学

  • MEMS微针阵列及其在生物医学上的应用

    1 引言 微机电系统(MEMS)是指可批量制作的,集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和 电源等于一体的微型器件或系统。MEMS的特点之一就是其涉及电子、机械、材料、制造、信息与自动控制、物理、化学和生物等多种学科, 并集约了当今科学技术发展的许多尖端成果。 微机电系统能够在传统仪器不能达到的微小空间中进行精密操作, 实现实时监测, 因而在生物医学中有着广泛的应用, 精确药物注射、临床监测、显微外科手术、微型植入系统等。MEMS技术的出现给生物医学带来了新的手段。微针阵列就是MEMS技术在医学上的一个重要应用。 微针(Micro needles)一般指通过微细加工工艺制作的, 尺寸在微米级, 直径在30~80Lm, 长度100Lm以上呈针状的结构, 材料可以为硅、聚合物、金属等。微针在生物医学领域有广泛的应用, 例如用于生物医学测量系统, 药物传输系统及微量采样分析系统等。微针不但体积微小, 而且在性能上具有常规方法所不可比拟的特性——精确, 无痛, 高效, 便利。这极大促进了生物医学的发展, 使该领域的仪器更具人性化。 为了更好地说明MEMS微针阵列的生物医学上的性能, 先介绍一下涉及到的人体皮肤的结构。人的外层皮肤, 由外向内, 依次是角质层, 表皮层和真皮层。角质外层的厚度在10~15Lm, 是死去细胞的组织, 是液体的屏障, 具有电绝缘性。下面是表皮(50~100Lm), 包括活细胞, 但绕开了血管, 几乎不包括神经, 这层皮肤是相当于电解液的导电组织。再深层, 真皮形成了皮肤大部分的体积, 它不但包括活细胞, 而且包括神经和血管。这样, 微针刺穿皮肤10~15Lm, 而小于50~100Lm的深度, 可以提供穿过角质层的传送通道, 达到导电组织, 而由于刺不到深层组织的神经不会有痛感。 MEMS生物微针技术出现了并不是很长的时间, 目前我国国内这个方向的研究刚刚起步, 还很不 成熟, 踞国外研究的先进水平还有很大差距。下面就微针较为广泛的三个方面的应用原理及当前该技术的最新进展进行阐述。 2 微针阵列在生物医学上的应用 2.1 基于微针阵列的微电极 电极在生物医学测量工作中有着极为广泛的应用。电极的用途可以分为3大类型:(1)测量生物电 位的电极, 如测量脑电、心电、神经电位、肌肉及皮肤电位的电极;(2)测量某些组织的阻抗;(3)通过电极给一些组织和器官施加电刺激, 从而促使机体的某些部分发生一定变化, 如心脏起搏器中电极、穴位刺激电极等。随着电化学及微系统相关技术的迅猛发展, 微电极在各个领域被广泛使用。 现以生物电位电极为例, 介绍微针阵列电极的应用。 生物电位电极广泛应用于现代临床和生物医学应用(例如心电图 ECG, 脑电图 EEG 和电阻抗摄影EIT)。如果使用不适当地电极测量电子设备可能显示错误的数据, 因此电极的重要性是不容忽视的。 生物电位微针阵列电极可以刺穿皮肤的角质层, 这样避开了皮肤角质层高阻抗特性, 与普通电位电极比较, 不需要皮肤准备和电解凝胶, 更有利于长期测量使用。因此微针电极更方便可靠, 具有更小的阻抗, 而且预计有较小的电化学噪声。 微针电极的设计要考虑到皮肤的分层结构, 需要刺穿角质层, 刺入导电表皮层, 以避开角质层的高阻抗特性, 不能刺到真皮层(包括神经和血管)以避免疼痛和出血。这样, 微针刺入的深度大于10~15Lm小于50~100Lm, 在角质层产生一个无痛的电极-电解液界面并把活性细胞引起离子流转化成电流。 瑞典斯德哥尔摩皇家工程学院设计制作的微针阵列, 微针以硅为材料, 为了减少电极-电解液界面噪音, 微针覆盖上银- 氯化银(Ag-AgCl), 只有AgCl和电解液接触。使用Ag的优点是低电阻率和 生物医学兼容性。微针直径在30~50Lm, 高度160Lm, 中间有一通孔。 微针电极通过一根导线和分析仪器相连。微针阵列中间设计一个通孔, 保证电极和导线的之间能够导电。用一个薄薄的圆盘进行封装, 环形胶带加固电极和皮肤的连接。 通过实验证明基于MEMS工艺的微针阵列生物电位电极比标准电极体积显著减小, 电极-皮肤-电极阻抗测量和EEG记录证明微针式电极不需要皮肤准备和电解凝胶就可获得比标准电极更好的性能。微针电极使用起来快速方便, 可以完成低生物电位的高质量记录。 2.2 经皮药物传输微针 虽然现代生物技术已生产出极为成熟和有效的药物, 但是许多药物的有效传输受到目前的传送技术(药品口服和注射)的限制。口服投药主要的问题就在于在胃肠道中药物的降解作用和通过肝脏药物的排出。另一种通常用的投药的途径是经过静脉注射, 这种方法在非医疗场所不易使用, 也不好维持和控制药物的释放, 并且对于患者来说不方便, 有痛感。通过皮肤传送药物是很吸引人的新型方法, 但是这种方法由于皮肤极差的渗透性受到限制。由上所述, 微针阵列提供一种新型传送药物的方法, 可以增强经皮肤对药物分子的传输, 实现高效、无痛投药。微针阵列刺入皮肤, 创造了通过角质层传输药物的导管, 一旦药物穿过角质层, 它就通过深层组织迅速扩散并被下面的毛细血管吸收, 形成投药系统。 美国乔治亚州工程学院传送钙黄绿素的微针阵列制作使用反应离子刻蚀技术, 长度在150Lm, 直径50~80Lm, 形成为20×20微针阵列。当微针插入试管中的皮肤时, 显示了极好的机械特性并增强了皮肤对钙黄绿素, 一种众数性药剂的渗透性, 提高至4个数量级。 美国加利福尼亚大学伯克利Sensor and Actuator中心研制的传送胰岛素中空的微针阵列, 把药物悬浮在无水粘性溶液中, 防止药物从装置中流出, 保证完全通过微针阵列传输。微针管道直径为40Lm, 微针高度200Lm, 针尖的曲率半径为100mm(曲率半径越小越容易刺入皮肤)。由实验得出,微针阵列可以成功地插入皮肤下100Lm, 完成高效传送胰岛素。 经皮微针投药应用药物范围很广, 也包括大分子化合物。 瑞典斯德哥尔摩皇家工程学院制作的侧面开口输药的微针阵列。这种轴上开口而不是上端开口的微针, 经过测试, 传送流体的阻率较小, 并且机械强度较高, 刺入和取出都不会损坏。微针的长度为210Lm。 另外, 美国路易斯安那州立大学和德克萨斯州大学利用LIGA工艺, 研制了用于药物传送的聚合体PMMA和金属Ni微针阵列。微针高度200Lm, 内径至外径尺寸范围20~40Lm和40~80Lm。 新的制造工艺使微针阵列迅速发展起来, 微针阵列的设计制作对于新型经皮药物传送系统的发展是极其重要的一步。实验证明, 目前的微针有足够的强度支撑在整个传输过程中的压力。 2.3 流体采样微针 微针在生物医学上的另一个重要应用是流体采样。采样在人体的体液( 特别是全血) 检测的第一步, 也是很关键的一步。采样的方法对血液的检测有直接的影响, 方法不当, 采出的血液无法用于检测, 严重影响检测的准确性。微针采样, 由于微针极小的尺寸而可以实现无痛微量采血。 加拿大Kumetrix公司研制的硅微针其直径如人的发丝, 可以实现无痛采血。采血的过程与蚊子吸血过程相似。刺入皮肤吸出血样的硅微针大小就像蚊子的刺针, 可以实现无痛采血。而又没有蚊子分泌的化学物质, 所以使人没有痒或其他不舒适的感觉。通过微泵, 毛细血管受力采出血样, 通过微针进入微系统的小玻璃管。由于它尺寸小, 当微针插入皮肤时几乎不接触任何神经, 刺入要求的最小深度以获得微量(可以达到0.1LL以下)血样用作光学或电化学检验。 现在荷兰Micronit研制出了通过毛细血管张力吸出血液的微针阵列, 就可以不需要外部微泵。这种微针有三角形的针尖, 高度400Lm, 底宽250Lm, 椭圆孔的大径70Lm。实验证明可采出的血样。 目前研究微针采血的技术难点有: (1)高强度微针的 MEM S 新型工艺过程; (2)流体设备的非牛顿生物学流体设计实现快速有效的试管灌注; (3)适当的传感器以控制及有限的采样量, 实现毛细管血液超微定量采集。 微针流体采样由于它的特点使人们能够更好地自主监测健康状况, 提高生活质量, 降低医疗费用。 3 MEMS微针的加工工艺   微细加工工艺主要有在半导体工艺上发展起来的硅微加工工艺、利用X射线光刻和电铸的LIGA工艺以及超微精密机械加工和特种加工技术。目前微针制作工艺主要是硅微加工工艺和LIGA工艺。 利用硅微加工工艺制作微针。工艺流程大概有热氧化, 光刻, 体硅腐蚀, ICP, RIE 等, 当微针阵列用做电极时, 需要完全溅射金属的过程。这种加工方法的特点是成本相对较低, 不存在粘贴性的问题, 结构形状较多, 可实现比较尖锐的针尖结构, 可批量生产。局限性是材料只能采用硅, 所要求的较高的深宽比不容易控制。 美国路易斯安那州立大学和德克萨斯州大学是用利用LIGA工艺制作的传送药物的微针阵列。利用200Lm的PMMA片键合在钛和硅的衬底上, 用X射线光刻, 在冲洗及电镀。形成了微针的模子, 经过电铸最后形成Ni微针阵列。也可以用X射线照射PMMA, 直接形成了PMMA材料的微针阵列。LIGA工艺的特点是工艺简单, 能实现较高的深宽比, 能以小于1Lm的精度进行几百微米至1毫米的深度加工, 可加工多种材料, 如金属、陶瓷、玻璃、塑料, 及这些材料的结合物等, 突破了半导体加工技术对材料和深度的限制。LIGA工艺的关键是要用X射线同步辐射光源, 而同步辐射光源价格昂贵, 使其应用受到了限制。 最近根据LIGA工艺的优缺点, 研制出一种新的技术, 准LIGA工艺。其工艺过程和LIGA基本相同, 只是不需要同步放射X线源, 而利用常规紫外光刻设备和掩膜在光敏材料上光刻形成模子, 再电铸金属形, 因此也称UV-LIGA。这样, UV-LIGA的成本大大降低。我们可以考虑用该工艺方法来实现高深宽比的微针结构。预计UV-LIGA在不久发展成熟会成为极具活力的工艺方法。 4 结束语 基于MEMS工艺的生物医学微针阵列可以广泛应用于生物医学测量, 药物传送, 微流体采样等领域, 它具有尺寸小, 强度高, 用材具有生物兼容性等特点, 从而减少刺入位置的损伤, 给患者提供了更好的运动自由性, 实现无痛, 可以精确控制刺入的深度, 阵列便于重叠封装入仪器设备, 给生物医学领域注入了极大的活力, 为患者提供无痛、高效、安全的医疗手段, 更符合医学研究人性化的特点。微机械工艺技术的高速发展使微针制造工艺更加完善, 根据需要设计最优化结构的微针, 以满足各个方面的需要。基于MEMS生物医学微针阵列是具有很大潜力的一种生物医学方法, 值得进一步研究。

    时间:2013-02-18 关键词: mems 阵列 生物医学

  • LED照明:新兴生物医学光电前景值得期待

    标签:LED   照明 光源 台湾光电科技工业协进会( PIDA )日前发表2012年第四季光电产业景气信心指数调查结果,显示现整体光电业界对于下一季的景气信心度呈现“持平稍差”的看法。 此外PIDA认为,2012下半年显示器、LED背光、太阳光电等产业亟须摆脱需求不振问题,但其他传统光电领域如光通讯、光学元件、光储存、光输出入等都至少能维持基本、甚至不错的成长率。展望未来,新兴的生物医学光电领域,因社会结构改变,老龄人口剧增是可期待的明日之星;其他应用如LED照明、电子纸也可望带动需求,让光电产业在稳定中求成长。 PIDA是针对LED、太阳光电(PV)、平面显示器(FPD)、光通讯(OFC)、光学、泛光电等领域341位产业界人士,进行2012年第四季产业景气信心程度的问卷调查,问卷选项​​包括“很乐观”、“乐观”、“持平稍好”、“持平”、“持平稍差”、“悲观”、“很悲观”7个等级,综合计算其百分比分布分数,显示产业界对第四季景气看法偏向“持平稍差”,整体“光电产业景气信心指数”仅42分;该数字在上一季为47分。 LED照明市场前景可期 另外PIDA以各产业领域进行分析,指出在LED市场,因应电费缓涨,台电规划取消补助公所路灯电费,将刺激LED路灯安装需求成长,台湾地区LED厂商看准路灯市场大饼积极投入,然在相关标准尚未完备之际,对路灯产品进行检测以确保标案品质,才能避免产品良莠不齐的情形产生。 再者,近几年国内外厂商竞相投入LED照明产品开发,部份台湾业者采用别于以往的代工模式,选择台湾地区各大实体通路及网络销售通路,推出自有照明品牌产品。台湾地区内消费者除了很容易就在市面上购买到LED照明产品之外,产品价格也愈来愈亲民。 不过PIDA指出,各家厂商推出6~12W的冷白光LED球泡灯,用以取代40W~60W的白炽灯,但值得再深入探讨的是,厂商贩售的LED球灯泡所宣称的对照白炽灯功率,彼此差距甚大。例如,单以取代60W白炽灯来看,各厂商标示从420~810lm都有,不利于消费者直接判别产品的优劣好坏。 所以PIDA建议台湾地区政府相关单位必须定义清楚对应值,进一步主动对市售产品进行后测机制的把关动作,以避免厂商标示值与实测值差异性过大,而损及消费者权益,造成劣币逐良币的情形,阻碍了LED照明产品的推广。 现阶段推展LED照明市场仍必需依靠厂商们自律配合,除了推出比一般3~5级能源效率安定器,内藏式萤光灯泡更优异的LED球泡灯之外,也务必将产品规格标示清楚。倘若未来LED球泡灯可以纳入能源效率分级标示制度,将更有利于消费大众辨识各项照明产品之间的规格,增加购买新LED照明灯泡产品的可能性。 PV市场持续低迷转机待明年 PV产业部分,2012年全球太阳光电产业市场持续低迷,并且由年初的反弹高点,后如溜滑梯般逐季衰退。除了受到补贴下调的影响外,义大利业界大幅衰退也是原因之一。而相对崛起的如日本、中国大陆地区市场等,将使太阳光电市场轨道逐渐由欧洲转往亚洲。 PIDA指出,台湾太阳光电产业受美国双反案、中国大陆地区转单效应的影响之下,第二季出现整年度峰值。然而第三季与第四季将持续往下。整体产业推估将继续陷入困境至2013年,但危机中仍有转机。下游应用端如电厂等,将持续提供诱人的报酬率,为太阳光电市场挹注活力。2012年台湾太阳光电产业下游系统端产值将持续出现47%的成长,各式PV ESCO能源服务形式也因应而生。 显示器产业产值持续下滑中小尺寸面板成主流 在显示器产业部分,受到欧、美、日等地经济持续不振影响,景气下滑,导致整体减少消费支出;2012上半年可看出整体产业需求薄弱,估计2012年整体产值将下滑8.6%的幅度。此外PIDA指出,目前出货量比例最高的是智能手机与平板电脑应用的中小尺寸面板,再加上触控面板、AMOLED面板与Flexible面板等技术,这都将是现在与未来显示器面板产业必须争霸的新兴技术。而至于大显示器面板,则得暂且搁置一阵时期。 新兴生物医学光电领域发展潜力不容小觑 PIDA在这一季也首度将生物医学光电(biophotonics)纳入观察研究项目,全球生医光电市场可分为:医学影像、医用雷射、光电感测、医学影像、生医照明(包括手术照明,以及植物工厂、农渔畜牧用LED)等方面,根据Espicom统计,全球医疗器材市场规模,2007年为1,940亿美元,2008年为2,012亿美元,2009年为2,241亿美元,2013年预估为2,862亿美元,每年复合成长率为6.37%。其中诊断影像器材方面占了20.0%,例如MRI、CT、X光、心电图和超音波等。 医用雷射方面,2010年台湾医疗器材进口第五大为雷射,进口值达23.9亿台币,若转由自制,产值将等同隐形眼镜。根据BCC research 统计,2008年全球医用雷射市场价值约27亿美元,在全球主要经济体持续衰退影响下,2009年整体市场下跌至23亿美元;预测2009年到2014年,该市场复合年成长率达16.1%,到2014年,医用雷射市场可增长近48亿美元。 光电感测方面,体外诊断器材,全球仍由主要大厂掌控,如Roche、 Siemens、Abbott、Philips等。此类产品可连结远距照护发展,未来定点照护将有相当大的发展潜力,预估2012年全球市场规模将达563亿美元。糖尿病照护产品部份,分医院用自动化系统HbAiC检测、定点照护及居家自我监测用。预计2025年时全球将有3.8亿的消费人口。

    时间:2012-09-24 关键词: LED 光电 照明 生物医学

  • 生物医学成像新技术 用光子反弹克服死角

    受光子放大和光子在室内被物体和墙壁反弹现象的启发,美国麻省理工学院、哈佛大学、威斯康星大学和莱斯大学的科学家利用先进的光学系统追踪反弹的光子,从而能够“看到”隐藏在屋内拐角处无法直接看到的物体。该技术在未来有望成为减灾和无损生物医学成像的无价之宝。 麻省理工大学研究生奥特克莱斯特·古普塔表示,当光子从墙上反弹并射在室内拐角处暗藏物体上被反射回来时,利用光子环绕和反弹的时间数据,他们能够获取有关物体几何形状的信息。 先进光学系统主要由超快激光器和两维超快扫描照相机组成,它们的工作频率可达每秒万亿次。科学家用它们能在1秒钟内拍摄数10亿张图像,通过分析反弹光子的运动状况“看到”室内拐角处的物体。 超快扫描照相机与其他照相机不同,它是根据光子进入照相机的时间来成像。古普塔说,这样的成像方式为人们提供了了解光子需要多长时间被反弹回来的良好途径。如果在拐角处存在某种物体的话,光子返回得越快则进入超快扫描照相机的时间就越早。他们用超快扫描照相机捕捉和计算光子数,每张图像上有3个或更少的光子。通过快速大量的成像来生产扫描图像,帮助他们决定光子传输的距离(以厘米计算)。当数据收集完成后,他们便能了解拐角处暗藏物体的基本几何形状和3维成像。 新的成像技术具有众多潜在的应用,其中包括在救灾方面的应用。古普塔认为,如果有房屋倒塌,新技术能够帮助救灾人员知道废墟内是否有人存在。事实上,新技术几乎适用于各种各样的灾害现场,特别是需要了解内部具体情况以及角落处是否有人的火灾,火灾的危险程度以及有害环境,由此人们不会冒险派人进入燃烧的房屋内,新技术可以极大地减少救灾人员可能面对的威胁。 此外,新技术十分有望被用作无损或非侵害生物医学成像,帮助医生掌握病人皮下组织的情况。这是科学家目前要着手研究的课题。古普塔表示,根据典型的时间表,研发展示到产品推出,新技术商业化需要5年至10年的时间。 更多医疗电子信息请关注:21ic医疗电子频道

    时间:2012-08-20 关键词: 反弹 成像 光子 生物医学

  • 生物医学电子学领域的医疗传感器(二)

    大脑、心脏与肺患有脑病和心肺病的人们受益于21世纪电子、生物以及医疗技术的协同。 生物医学电子学研究的动力来自于"婴儿潮"人口的老化及他们的医疗需求。这一局面刺激了新型生物技术的快速发展,以及在预防医学领域创新的医疗诊断与治疗方式的采用。后来,植入技术与先进无线电子媒介将有助于减缓今天社会高涨的医疗费用,使我们今后更健康长寿。 本文第一部分讨论了眼睛和耳朵,本部分将讨论大脑、心脏和肺,技术的发展将改善工程、生物以及医学之间的桥梁,增强这些器官的功能。 本文将揭示出新装置的微型化、便携能力、连接性、人性化、安全以及可靠性是如何推动这方面的尝试,从而改善人体中那些老化或带病/损伤器官所要求的脆弱性质与微妙平衡。 大脑 对于癫痫、帕金森症(PD)甚至强迫症(OCD)患者,闭合深脑刺激(CDBS)是一个实现生物医学电子解决方案的优秀例子,它改善了那些遭受这些痛苦折磨的人们的生活质量。 DBS系统通过检测病人的脑电波(EEG),自动产生DBS电脉冲,防止癫痫的发作,甚至帮助减轻PD的震颤。DBS向大脑的不同区域发送特定的刺激。DBS用于那些拒绝药物治疗的病人,以及有症状波动和震颤的病人。 迄今为止,只有Medtronic公司有通过FDA批准的DBS产品。他们的双侧大脑DBS装置于2002年通过了FDA的批准,带有两个神经刺激器,每个用于一个大脑半球。与心脏起搏器类似,DBS用一个神经刺激器产生并提供高频的电脉冲,通过延长线与电极,送至大脑中的丘脑下核(STN)区或苍白球内侧(GPi)部分。Medtronics的Soletra神经刺激器是最先进的电池供电装置之一。 神经刺激器通常要由受过训练的技术人员在手术后编程,以寻找减轻帕金森症状的最有效信号参数。图1是Medtronic公司标准DBS产品的一个简单框图。 图1,Medtronic深脑刺激系统的框图,它采用了一个神经刺激器,为部分大脑产生和提供高频电脉冲 建议CDBS基本设计如下: CDBS装置可以直接与记录、刺激电极连接。8个记录电极被植入到运动皮层中,64个刺激电极被植入到大脑的STN部分。这种64通道可单点控制的刺激能够获得各种刺激模式,最有效地治疗帕金森症状。 从植入微电极获得的神经信号要用8个前端低噪声神经放大器(LAN)做调整。由于神经脉冲的幅度小,有时要用集成前置放大器去放大这些小信号,然后再做数据转换。前端设计需要低噪声,以保证信号的完整性。 前端的带通LNA通常增益为100量级,而LNA的输入设计需要尽可能减小1/f噪声。可以将一种开关电容技术用于电阻模拟和1/f降噪。开关电容电路对信号做调制,这样1/f噪声就可以降低为热噪声。开关电容的放大滤波器能够同时很好地记录神经脉冲和场电势。 多个LNA被复用到一个大动态范围的对数放大器前端,进入一个模数转换器(ADC),从而不必做模拟自动增益控制。 为了覆盖大脑刺激所产生的小信号神经脉冲以及大信号局部场电势(LFP)响应的整个范围,大动态范围ADC需要对所有需要的神经信息做数字化。ADC前端所使用的对数放大器能够达到所需的动态范围。对数编码非常适用于神经信号,并且有效率,因为大动态范围可以用一个短字长来表示。为了节约面积和功耗,采用了相对较大动态范围的ADC,因此就不必采用模拟自动增益控制。 ADC需要一个数字滤波器,用于将低频神经场电势信号从神经脉冲能量中分离出来。这个工作可以采用一个22个接头的有限脉冲响应(FIR)Butterworth型数字滤波器。 使用数字滤波器而不是模拟或混合信号滤波器有很多优点。首先,数字滤波器是可编程的,因此可以调整其运行, 而不用修改硬件, 而模拟滤波器只有修改设计才能做更改。数字滤波器用作双工器,将脉冲与LFP的两个频段分离开来。模拟滤波器电路容易漂移,并依赖于温度,而数字滤波器则没有这些问题,无论是时间还是温度都不会有影响。 电刺激器生成64个通道的两相电荷平衡刺激电流。一只专用控制器通过一个I/O通道,产生这些刺激模式,控制64只电流导引DAC.64个DAC可以构成一个级联的共享2位粗粒度电流DAC和64个独立的双向4位细粒度DAC,或类似的配置。 DAC有48种可能的电流值。可以使用一个细粒度ADC和一个极性转换开关,选择DAC的正负输出,达到电荷平衡的双相刺激,这有助于减少长期的组织损伤风险。 图2是一个用于CDBS系统的单芯片,它与一只微处理器连接,就可获得一个完整的CDBS系统。该项目主管Michael Flynn说:"微处理器告诉芯片有关位置和方式的信息,芯片做其它工作。" 图2,典型的闭环深脑刺激(CDBS)芯片系统框图 在医疗电子领域,飞思卡尔一直与做定制模拟设计的Cactus半导体公司合作。Cactus半导体公司的医疗业务集中在同时涉及可植入和便携应用的集成电路设计,如神经刺激、起搏、除颤、超声,以及医疗监护(如血糖仪)。(见附文) 飞思卡尔也有采用低功耗微控制器、集成模拟前端(AFE)以及低功耗算法的医疗解决方案。其无线通信解决方案能确保低功耗的运行模式,以及能够快速唤醒的睡眠模式。 为了推出下一代DBS , 以及供研究人员探索神秘大脑的工具,Medtronic公司正在开发双向脑机接口(BMI)。一旦完成了所有实验室试验,并在不久的将来被批准用于人脑研究,这种技术有望成为大脑研究前沿的重要工具。现在它正处于临床前期研究阶段,尚没有被批准的产品。 正如图3中的功能框图所示,神经接口(NI)技术核心是当前已发布神经刺激器中的刺激器和遥测系统(Medtronic的ActivaPC)。 图3,这个功能框图表示了一个双向神经接口系统,神经接口(NI)技术核心是已发布神经刺激器中存在的刺激器与遥测系统 参见图4,传感器硬件、算法处理器以及固件部分插入到现有架构中,在物理域和算法域之间有定义良好的信号路径。 图4,双向脑机接口原型中的传感器硬件、算法处理器与固件区都插到现有架构中,并有物理域和算法域中定义良好的信号路径 心脏 "体积小"、"无线"、"无接触",这些词汇都不可能与过去的ECG装置搭上关系。现在电子技术的新进展促成了更紧凑更便携的设计,有些带有无线功能,传感器甚至不需要与人体有物理或电阻触点。 集成电路的发展造就了ECG设计的小型化,如德州仪器公司高集成度的ADS1298R AFE,它还包含了全集成的呼吸阻抗测量功能。图5给出了一个集成AFE设备,它就像是ADS12998加上ECG架构的其它重要部分。 图5,带有集成模拟前端(AFE)设备心电解决方案 ECG系统功能与进展 ECG机的基本功能包括ECG波形显示(可以采用LCE屏幕或打印纸介质)、心律指示及采用按键的简单用户界面。越来越多的ECG产品中需要更多的功能,例如用方便介质做病人记录的存储,无线/有线传输,以及在有触摸功能大型LCD屏的2D/3D显示等。 多级诊断能力也在为医生和没有特殊ECG训练的人们提供帮助,让他们理解ECG图形,以及对某些心脏状况的提示(下面会讨论Monebo算法)。当ECG信号被捕捉和数字化时,将被送去做显示和分析,分析工作涉及更进一步的信号处理。 信号采集的挑战 ECG信号的测量可能极具挑战性,因为存在着大的DC偏压,以及各种干扰信号。一个典型电极上的这种电势可以高达300mV.干扰信号包括来自电源的50Hz/60Hz干扰、由于病人活动而造成的运动干扰、电外科设备的射频干扰、除颤脉冲、起搏器脉冲,以及其它监护设备的干扰。 对于不同的最终设备, 一台ECG将需要不同的精度和带宽:- 频率在0.05Hz~30Hz之间的标准监护需求;- 频率从0.05Hz~1000Hz的诊断型监护需求。 采用高输入阻抗仪表放大器(INA)可以抑制掉一些50Hz/60Hz的共模干扰,它消除了两个输入端上共同的交流线噪声。要进一步抑制线路上的电源噪声,可将信号反向,再由一个放大器通过右腿回送给病人。只要几微安甚至更小的电流,就可以显着提高CMR,并保持在UL544的限制范围内。另外,50Hz/60Hz的数字陷波滤波器也可以进一步降低这种干扰。 模拟前端的选项 对于便携ECG而言,优化模拟前端的功耗以及PCB区非常关键。由于技术的进步,现在有几种前端的选择: - 采用低分辨率ADC(需要所有的滤波器); - 采用高分辨率ADC(需要少量滤波器); - 采用Σ-Δ ADC(不需要滤波器,除INA外不需要放大器,无DC偏移); - 采用顺序或同步采样方案。 当使用低分辨率( 16位)ADC时,信号需要显着地提高增益(通常是100x~200x),才能达到所需分辨率。当使用高分辨率(24位)ADC时,信号需要4x~5x的适度增益。这样就可以省掉第二个增益级,以及用于消除DC偏移的电路。这样就从整体上减少了面积和成本。另外,Δ-Σ方案还保留了信号的全部频率分量,从而为数字后处理带来了极大的灵活性。 当采用顺序采样方案时, 每个通道都将ECG的导线复用到一个ADC上。此时,相邻通道之间有一个确定的扭曲。当采用同步采样方案时, 每个通道都有一个专用ADC,因此通道之间没有扭曲。 飞思卡尔有大量低成本的开发板,叫做MED-EKG模块,这是一种极其万能的系统,设计者可以快速地建立一个心电系统的原型。当用作飞思卡尔Tower系统的一部分时,设计者可获得一个全功能的系统,通过一个定制设计的电路板,只要更换套件中的任何单个模块,就可以方便地修改、更换或升级成一个定制的设计。 另外, 采用Monebo Kinetic ECG算法也使设计者能够为用户提供对ECG波形的信号处理与解析,从而帮助保健专家获取心脏的参数。它提供高度精确的QRS(在一个典型心电图上能看到的一组三个相连波-通常为心电图轨迹中最重要、目视最明显的部分)检测,并能对多达16线的ECG捕捉数据做特征提取、心拍分类、间隔测量及节律分析等。 无触点ECG不再是科学幻想。Plessey半导体公司与英国苏塞克斯大学开发了电势集成电路(EPIC)传感器,这是一种电势检测(EPS)技术,这种传感器的阵列只要装在病人的胸口,就可以获得相当于12线ECG的读数,而没有一堆导线、导电胶和容易脱落的电极。 肺 医用呼吸机(也叫辅助呼吸机,或机械式呼吸机(MV))能将空气推入病人的肺内。呼吸机可以在重症监护治疗中用作人工呼吸,或家庭中治疗呼吸暂停疾病。现代设备采用了智能电路,能够混合气体,或根据传感器的数据确定一个固定或受控的风扇速度。意法半导体公司的解决方案包括所需要的全部半导体器件,以及通过批准的软件,能够实现安静且可靠的运行。 自从机械式呼吸机发明并在医院和保健机构中使用以来,它已经拯救了很多人的生命。但重症监护病房(ICU)中用MV存活时间超过一周的病人会增加患医疗并发症如呼吸机相关肺炎(VAP)及院内感染的风险,在ICU中的死亡率高6倍。见图6. 图6,典型的辅助呼吸机框图 使用MV病人的横隔膜肌会快速萎缩,随着时间推移而越来越难以脱离呼吸机。 Avery Biomedical开发了一种呼吸起搏系统,它采用射频(RF)耦合的接收器,能同时发送电源和信号。其重要性源于以下两点: 1. 不存在植入的电池,因此没有内部损耗问题。除非机械损坏,否则对任何病人,植入体都可望终生使用,而与年龄无关。 2. 植入部件和外置部件之间没有经皮的连接。由于病人的皮肤没有损伤,因此没有对皮肤损伤的长期保护问题,也没有慢性感染风险。 另一个关键点是,系统采用的是负压呼吸原理。即通过横隔膜的收缩,使肺内压力低于大气压,让空气流入。这在生理上是正确的,也是我们现在呼吸的原理。正压换气(无论是面罩还是机械换气机)都是压气,既不自然,也有患VAP或换气相关肺炎的高风险。VAP是呼吸机依赖病人再次入院的最常见原因。降低再入院率(减少Medicare/Medicaid为他们支付的费用)是最近医疗改革的焦点之一。见图7和图8. 图7,呼吸起搏器带有用于膈神经刺激的植入电极以及RF接收器,还有向植入体发射RF信号的外部天线,完成刺激起搏功能 图8,呼吸起搏器的基本功能框图 对于下一代装置, 新的发展甚至采用血管电极的较少侵入性方法,适用于采用局部麻醉经皮插入的病人(任何需要接触内部器官或其它组织的医疗过程都通过经皮肤的针刺穿透,而不采用暴露内部器官和组织的"切口"方案),膈神经可以通过电致运动,保持横隔膜的强度与抗疲劳能力,改善呼吸,以及尽早脱离MV的可能性。一旦通过FDA和相关机构的批准,这一技术还可缩短ICU停留时间,降低死亡率,并减少医院的费用。 通过采用这种最少侵入性技术的正确膈神经刺激,可以产生有节奏的隔膜收缩。膈神经刺激的阈值电势是1.26V.封装电极激活神经所需电流预计不到引线型电极的三倍。一般采用180μs脉冲周期的平衡双相脉冲。 新型商用传感器与手持设备(如iPhone、Blackberry与iPad)的微电路创新要求有低成本、小体积和低功耗。这些努力传播到生物医学电子领域,带来了更多神奇的解决方案,可改善植入体,并通过非接触性刺激和检测装置,如感应电源与数据传输,以及低功耗RF器件,最终消除对大多数医疗植入体的需求。 附文 飞思卡尔公司内科、外科医师兼电子工程师Jose Fernandez Villase?or博士表示:"无论是外科技术还是用于控制(DBS)起搏器的电路与软件,都永远存在着改进的空间。电子电路尤为重要,因为它们必须准确地探测病人大脑细胞何时发生问题,从而决定何时做补偿,何时不做。我相信需要研究新的控制软件,提高传感器和处理单元的精度,以减少并发症的可能性。"他继续说:"作为技术提供者,我们只希望通过建立尽可能有效而安全的解决方案,从而加快这个过程。" 以下引用一段TimDenison有关Medtronic 方案的评论:" 神经接口是一个相对较新的领域,还有很多我们不知道的东西。Medtronic 将人机接口技术的发现、发展与部署作为一个参与的过程。我们已经开放了共享的模型,因此我们可以加入全球最好的科学思想,在短期内开发出实现下一代疗法的新工具,以治疗慢性、退化性疾病,比如帕金森症,经过一段时间,可能在解析大脑信号基础上,产生新的治疗方法。"

    时间:2012-05-11 关键词: 医疗传感器 电子学 生物医学

  • 生物医学电子学领域的医疗传感器(一)

    科幻剧《无敌金刚》(The Six MillionDollar Man)搬上电视荧屏距今已差不多有40年时间,随着现代电子技术与纳米技术、高级植入技术、太阳能与光能设备,以及医学与生物学领域传感器重要发展的融合,科学幻想正在成为现实。科学创新催生了增强和代替人体器官的基于传感器的电子设备。这些电子设备包括WBAN(无线体域网)以及增强或代替眼睛和耳朵的设备。本文第一部分描述了创新的传感器技术,以及从传感器直到微控制器的微型化、可植入以及无线电子接口方式。第二部分将讨论肺、心脏和大脑。 传感器与无线通信设备的发展使我们能够设计出微型、高成本效益以及智能的生理传感器结点。一个创新是可穿戴的健康监控系统,如WBAN.针对这一技术的IEEE802.15.4标准规定了一个与医疗传感器体域网络相关的小功率低数据速率无线方案。2011年,意法半导体公司推出了自己的未来"cyborg"技术,包括传感器和MEMS,以及iNEMO(惯性模块评估板)结点(图1)。 图1,意法半导体公司开发了一些用于个人与诊断的传感器应用 在这一领域的其它供应商中,Analog Devices也提供了一些先进的活动监控解决方案,以及传感器接口元件,而德州仪器公司提供了一个带Tmote Sky的开发套件,这是下一代的"mote"平台,即针对极低功耗、高数据速率传感器网络应用的远程平台,有容错和易于开发的双重设计目标。TI公司的Tmote Sky套件号称有10KB的片上RAM(所有mote中的最大容量),IEEE 802.15.4射频,以及一个125m作用范围的集成板载天线。 帮助盲人重见光明 视网膜修复技术可以帮助患视网膜退化疾病,如可能致盲的黄斑变性的人群恢复视力(参考文献1)。研究人员做了临床植入研究,证明植入假体最终可弥补眼睛失去的功能,研究采用了一种植入物,包含一个15通道的激励芯片、分立的电源元件,以及与眼睛外壁吻合的电源与数据接收线圈。波士顿视网膜植入项目的研究人员在一只猪的视网膜下区域植入了一个阵列,而大部分假体(一个钛制的密封电子组件盒)则附着在巩膜的外表面,或眼白部分。盒中伸出一个螺旋状电极阵列,延伸至眼的颞上象限(图2)。系统有一个外接的视频捕捉单元,以及一个能向设备植入部分发送影像数据的发射机(图3)。一只定制ASIC将图像转换为两相的电流脉冲,其送至电极阵列的强度、周期以及频率都是可编程的(图4)。Minco公司也提供了针对植入体的先进柔性电路,有助于实现这一面向170万遭受此类眼疾痛苦的人们的项目。 图2,波士顿视网膜植入项目的研究人员在一头猪的视网膜下区域植入了一个阵列,但把假体的大部分(一个钛制的密封电子组件)装在巩膜的表面。 电极阵列从盒中蜿蜒而出,延伸到眼睛的颞上象限 图3,此系统有外置的视频捕捉单元,还有一个发射器,它以无线方式将图像数据发送给植入的装置 图4,定制ASIC将图像转换为两相的电流脉冲,对一个电极阵列其强度、周期与频率都是可以编程设定的 自研究人员两年前开始做这个临床研究以来,电子技术发生了很多进步,改善了微型化,降低了功耗,并增加了集成度,这一努力最终有望形成产品,得到FDA(食品与药物管理局)批准应用于人体。这些技术进步的例子包括:德州仪器公司符合无线充电联盟Qi标准的无线接收器与发射器技术,该公司为改进的负载系统提供符合标准的通信,用于无线电源传输、AC/DC电源转换、输出电压调整,以及动态整流器控制等。采用德州仪器的无线电源产品和开发套件,就可以做出全套的无接线电源传输与充电设计。飞思卡尔与AnalogDevices公司也提供这一领域的低功耗无线产品。 另外一项临床研究是采用有望实现高分辨率视网膜假体的光电二极管电路。在这项研究中,斯坦福大学的研究人员正在努力研究有源偏置光敏电路与无源光伏电路(参考文献2)。该大学眼科系与汉森实验物理实验室副教授Daniel V Palanker称,他用了一台笔记本电脑处理来自摄像头的数据流, 用一块微型LCD(类似于视频眼镜)显示得到的数据。约900nm波长的近IR(红外)光以0.5ms间隔照亮LCD,相当于约30?的视场。这个脉冲将影像通过眼球投射到视网膜上。然后,视网膜下一个植入的3mm直径芯片中的光伏像素接收IR影像,相当于10?的视场。每个像素都将脉冲光转换为一个成比例的双相脉冲电流,将视觉信息携带给有病的视网膜组织。 与光敏系统比较,光伏系统中没有额外的电源,从而大大简化了假体的设计、制造,以及相关的手术过程,前者需要有源的偏置电压。研究人员计划在未来研究中,确定各个视网膜神经元对这种激励的响应。 帮助聋人获得听力 生物医学科学的另一个发展领域是耳蜗植入。这些植入体的主要目标是通过电刺激,安全地提供或恢复功能听力(参考文献3)。植入体包括放在耳后一个外置单元中的处理器和一个电池,外置单元用一只话筒拾取声音,将声音转换到数字域,将数字信号处理并编码成一个RF信号,然后将其发送给耳机中的天线(图5)。医生通过手术,在耳后皮肤下面放置了内置接收器,一块磁铁吸附在它外面,将耳机固定。密封的激励器包含有源的电子电路,它从RF信号获得能量来解码信号,并将其转换为电流,然后将其发送给连接耳蜗的导线。导线末端的电极刺激连接到中央神经系统的听觉神经,这些神经将电脉冲解析为声音。 图5,植入耳蜗将声音转换为电脉冲,送给听觉神经。话筒将声音捕捉给声音处理器(a)。声音处理器将声音转换为详细的数学信息 (b)。 磁耳机将数字信号发送给植入的耳蜗(c)。植入耳蜗将电信号发送给听觉神经(d)。收听到的神经将脉冲发给大脑,这将脉冲解析成为声音 外置的语言处理器中包含一个DSP、一个功率放大器和一个RF发射器。DSP提取出声音的特征,将其转换为一个数据流,RF发射器将其发射出去。DSP还在一个存储映像中包含了病人的信息。外置PC的适配程序可以设置或修改存储映像,以及其它语音处理参数。 内部单元有一个RF接收器,以及一个密封的刺激器。这个内部植入单元没有电池供电,因此接收器必须从RF信号获得能量。然后,充电的刺激器解码RF码流,将其转换为电流,送给听觉神经处的电极。一个反馈系统监控着植入体内的关键电气与神经活动,并将这些活动传送回外置单元(图6)。 图6,一个反馈系统监护着植入体的关键电活动与神经活动,并将这些活动传回到外置单元 Advanced Bionics公司开发出了一个可植入电子平台,它提供了更多通道,以及通过电流导引而生成虚拟通道的能力。该公司R&D副总裁Lee Hartley称,在开发复杂的声音处理传感器时,最大的挑战之一就是提高在噪声听音环境中的聆听能力。他说:"耳蜗植入接收器对于辨别响度水平以及不同频率通道的能力不足。这更增加了改善语言理解与音乐欣赏的挑战;我们需要智能地将信息从噪声中分离出来。" Hartley表示,接下来能大大改进耳蜗植入系统及性能的重要领域包括:与商务设备的随处无线连接能力;低功耗下更加智能的场景分析算法,以及使病人能够接收临床医师耳蜗植入服务的技术,而与病人或医师的位置无关。他解释说:"业界的技术趋势是系统架构与服务模型,它将尽可能减小整个耳蜗植入系统的可见性。Hartley预计,IC技术的发展将提供无线功能,降低系统功耗。他说:"我认为系统设计会继续模块化,接受者将根据自己不断变化的需求,定制自己的体验。" 信号处理大大改善了耳蜗植入的性能。声音可以建立模型,使语音成为周期声源,而非语音则成为噪声源。声道的谐振特性可过滤声音的频率频谱。还有一个办法是,声源可以建模成为一个载波,而声道则作为一个调制器,表示出嘴或鼻的开闭。声源通常会快速变化,而滤波器的反应更慢得多(参考文献3)。 所有现代耳蜗植入体的内部单元都要通过一个经皮RF链接连到外部单元上,这是为用户的安全和方便性着想。RF链接采用了一对电感耦合线圈,不仅传输数据,同时传送电源。RF传送单元有一些挑战性工作,如高效地放大信号与功率,并保持对EMI的抵抗力。它的第二个功能是提供可靠的通信协议,包括一个信号调制模式、位编码、帧编码、同步,以及后台遥测的检测。 耳蜗植入体的RF设计可能有很多相互冲突的挑战,需要谨慎地权衡。例如,要延长电池寿命,功率发射器必须是大功率高效设计。于是,很多现代植入体都采用高效率的E类放大器。但E类放大器是非性线的,它们有波形失真,限制了数据发射速率。另外一个挑战是对高功率效率发射与接收线圈的要求。RF系统为了获得最大功率,要工作在其谐振频率上,或一个窄带宽上,但是RF系统在数据传输时却不能限制带宽。另外,虽然这些设备要求有高的发射频率,但这样就需要大的线圈。而在一个实际可用设计中,发射与接收线圈的尺寸都必须小到从美容角度可接受的程度。 内部单元中的接收器与激励器是耳蜗植入体的引擎(图7)。ASIC(虚线中)完成关键的功能,确保安全而可靠的电激励。它有一个直通数据解码器的路径,能从RF信号中恢复数字信息,并通过对错误和安全性的检查,确保正确的解码。数据分配器通过转换多工器的开、关状态,将解码后的电激励参数送至可编程电流源。返回路径包括一个后台遥测电压采样器,用于读取某个时刻记录电极上的电压。然后,PGA(可编程增益放大器)放大电压,ADC将其转换到数字域,并保存在存储器中,再用后台遥测技术将其发送给外置单元。ASIC也有很多控制单元,如从时钟生成的RF信号,直到指令解码器。ASIC对某些功能的集成不太方便,如稳压器、发电器、线圈和RF调谐回路,以及后台遥测数据调制器等,但这些领域也正在不断发展中。 图7,内部单元中的接收器和刺激器是植入耳蜗的引擎 DAC和电流镜组成电流源,根据来自数据解码器的幅度信息,产生激励电流。这个电流源必须很精确,也充满着挑战。例如,由于工艺差异,MOSFET的源极与漏极关系不是恒定的,同时,栅极与源极之间的电压差控制着漏极的电流量。因此,电路需要一个调整网络,对基准电流作精细调节。新设计有多只DAC,以获得所需要的精确电流,因此无需使用电位器。理想的电流源有无限大的阻抗,因此很多设计者采用级联电流镜,付出的代价是降低了电压的裕度,增加了功耗。 这些权衡必须谨慎地考虑和实现。有些耳蜗植入产品有多个电流源,较老的装置需要一个开关网络,将一个电流源连接至多个电极。新设计则使用了多个顺序或同时的电流源。在这些设计中,P沟道和N沟道电流源都可生成激励的正、负相位。挑战是要匹配P沟道和N沟道电流源,确保正负电荷的平衡。自适应恒流电压可以减少功耗,保持高阻抗。 工程师们都更喜欢采用ASK(幅移键控)调制,而不是FSK(频移键控)调制,因为ASK有简单的实现方法,以及高频RF信号下的低功耗。多亏了各团队工程师、科学家、物理学家和企业家的不懈努力与合作,安全且费用合理的激励方法已恢复了全球超过12万人的听力。这些假体已成为指导其它神经假体开发的模型,可望提高几百万人的生活质量。

    时间:2012-05-11 关键词: 医疗传感器 电子学 生物医学

  • OCT医疗成像技术在生物医学中的应用

    过去几年间,光学相干断层扫描(OCT)技术有长足的进展。自从OCT技术问世以来,眼科医生便运用近红外线技术,拍摄眼部最远端部位的高分辨率影像。由于眼部组织呈现半透明状,因此OCT可提供显现视网膜病变的影像,藉以诊断和监控青光眼及黄斑水肿等视网膜疾病。如今,许多以OCT为基础的医疗应用已臻成熟,还有多项全新应用正进入开发阶段。 OCT成像的原理与超声波类似,是运用反射的近红外线做为成像媒介形成影像,而非运用反射的音波。近红外线(一般为800~1300nm)来源分为两个途径,其中一个途径用于组织取样;另一个则用于参考反射镜。取样手臂扫描经过组织时,可运用干涉仪,以参考臂的光线持续阻绝取样组织后端发出的反射。对于持续阻绝的光线,会执行数字信号处理算法,以达到深度解析的轴状扫描。将这些扫描相互堆栈即可形成2D或3D的组织影像。一般而言,OCT能够以低于10?m的极高分辨率解析3~5mm组织深度的影像。 在第一代时域系统中,OCT系统关键组件之一的参考反射镜是机械组件,因此机器的动作缓慢,而且影像的分辨率有限。第二代OCT系统以固定式参考反射镜取代机械式参考反射镜,并运用光谱仪以及快速傅立叶转换(FFT)、级数运算(magnitude computation)与对数压缩(log compression)等强大的数字信号处理技术,以解析嵌入式深度信息,并且实时结合横向扫描数据,使成像时间大幅缩短,同时提升影像分辨率。 OCT在生物医学中的应用 如今OCT医疗系统大多用于眼科,不过,过去几年间出现了几项新兴的应用。例如,耳鼻喉科医师及小儿科医师也采用OCT技术作为诊断工具。一般而言,医师使用耳镜检查耳部、外耳道及鼓膜是否有细菌感染而发红的现象。OCT则可通过表皮及皮下膜的成像,判断是否感染致病细菌,提升诊断准确度。在服用几次抗生素后,可使用OCT系统分析抗生素是否发挥效用,如果已去除感染的生物膜,患者则可停止服用抗生素。 其它新兴的OCT医疗应用包括牙科诊断系统以及跨科手术技术运用。例如,牙医可采用OCT成像来确定X光以及目视检查无法发现的早期龋齿及某些牙龈疾病,以便采取更有效的预防措施。 在跨科手术方面,OCT可在去除肿瘤的手术过程中分析有无癌细胞。一般而言,外科医生取出肿瘤周围组织时,总是希望能清除所有的癌细胞。而被清除的肿瘤及周围的组织会送至病理实验室进行一周的分析,以做出手术后的书面报告。由于OCT影像在组织学/病理学应用均为相同的分辨率,因此手术室中的OCT系统能够让外科医生在手术过程中精确地知道需要清除多少组织,同时留下多少安全边缘部份,采用如此的做法便不会错误去除未感染癌症的组织,因而省却后续手术的费用及痛苦。OCT技术能够让医生以组织学的分辨率水平,实时看见影像,以便在第一次进行去除肿瘤的外科手术时做出更好的决定。 日后会有更多采用OCT技术的医疗应用。例如,OCT能够搭配穿刺切片切除早期阶段的小肿瘤。对于罹患乳癌的病患,OCT可搭配视觉及“智能”信号处理技术,引导细针插入精确的肿瘤位置,以查明疑似感染的组织,尽可能减少手术的侵入性。对于心血管疾病患者,OCT可搭配极小型导管支架,更准确地找出血管内支架或检查斑块沉积。在这些类型的应用中,先进的数字信号处理技术不仅能够达到绝佳的影像画质,而且能够进行组织分类。 信号处理性能提升 当作为医疗成像用途的OCT首度推出时,采用的系统是个人计算机(PC)平台,第二代系统已经过修改,目前开发中的第三代系统也将有所改变。有些OCT系统制造商已经或即将采用嵌入式处理平台,配备单一或多核数字信号处理器(DSP),而非个人计算机中使用的一般用途处理器(GPP)。 相较于传统运算方式,DSP的每毫瓦功耗所能达到的信号处理能力更强,这表示运用可编程算法即可得出准确的结果,而不需要使用成本高昂的电源供应及散热器。DSPSoC能够让功能强大的信号处理器与具有适当接口可进行数据处理、内存及储存的系统应用处理器并存,设计人员得以缩小系统体积尺寸并降低功耗。 采用DSP平台可缩小系统的实体尺寸并降低耗电量,因此不久的将来将有电池供电的便携式OCT系统问世。与便携式超声波系统一样,便携式OCT系统将有助于此技术被许多诊所及医生诊疗室普遍采用。此外,对于处理自然灾害或意外事件的医疗与急救人员,便携式OCT系统将成为有效的定点照护诊断工具。 未来趋势 在未来新一代OCT医疗成像技术的趋势中,将部署功能更强大的多核DSP,以缩短成像时间,并提高影像分辨率。处理OCT影像的软件算法目前正处于开发阶段。一项被称为偏振敏感OCT(PS-OCT)的技术能够运用处理算法将光信号极化,以产生视觉对比度更高的影像。高清晰度影像可呈现在龋齿中的小洞或微小的节结及肿瘤。 另一项未来的OCT应用是检查眼部极为细小的血管,其中OCT可使用多普勒成像技术绘制血流量图,并估计血流速度。其原理与超声波类似,但是分辨率更高,可提早诊断出糖尿病以及某些眼部疾病。可编程DSP架构能够针对信号处理应用提供准确且可扩展的平台,因此有助于此类新型算法的开发及快速部署。

    时间:2012-03-13 关键词: 中的应用 oct 医疗成像 生物医学

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