生物醫學(xué)電子學(xué)領(lǐng)域的醫療傳感器（一）

科幻劇《無(wú)敵金剛》（The Six MillionDollar Man）搬上電視熒屏距今已差不多有40年時(shí)間，隨著(zhù)現代電子技術(shù)與納米技術(shù)、高級植入技術(shù)、太陽(yáng)能與光能設備，以及醫學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域傳感器重要發(fā)展的融合，科學(xué)幻想正在成為現實(shí)?？茖W(xué)創(chuàng )新催生了增強和代替人體器官的基于傳感器的電子設備。這些電子設備包括WBAN（無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)）以及增強或代替眼睛和耳朵的設備。本文第一部分描述了創(chuàng )新的傳感器技術(shù)，以及從傳感器直到微控制器的微型化、可植入以及無(wú)線(xiàn)電子接口方式。第二部分將討論肺、心臟和大腦。

傳感器與無(wú)線(xiàn)通信設備的發(fā)展使我們能夠設計出微型、高成本效益以及智能的生理傳感器結點(diǎn)。一個(gè)創(chuàng )新是可穿戴的健康監控系統，如WBAN.針對這一技術(shù)的IEEE802.15.4標準規定了一個(gè)與醫療傳感器體域網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的小功率低數據速率無(wú)線(xiàn)方案。2011年，意法半導體公司推出了自己的未來(lái)cyborg技術(shù)，包括傳感器和MEMS,以及iNEMO（慣性模塊評估板）結點(diǎn)（圖1）。

圖1,意法半導體公司開(kāi)發(fā)了一些用于個(gè)人與診斷的傳感器應用

在這一領(lǐng)域的其它供應商中，Analog Devices也提供了一些先進(jìn)的活動(dòng)監控解決方案，以及傳感器接口元件，而德州儀器公司提供了一個(gè)帶Tmote Sky的開(kāi)發(fā)套件，這是下一代的mote平臺，即針對極低功耗、高數據速率傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的遠程平臺，有容錯和易于開(kāi)發(fā)的雙重設計目標。TI公司的Tmote Sky套件號稱(chēng)有10KB的片上RAM（所有mote中的最大容量），IEEE 802.15.4射頻，以及一個(gè)125m作用范圍的集成板載天線(xiàn)。

幫助盲人重見(jiàn)光明

視網(wǎng)膜修復技術(shù)可以幫助患視網(wǎng)膜退化疾病，如可能致盲的黃斑變性的人群恢復視力（參考文獻1）。研究人員做了臨床植入研究，證明植入假體最終可彌補眼睛失去的功能，研究采用了一種植入物，包含一個(gè)15通道的激勵芯片、分立的電源元件，以及與眼睛外壁吻合的電源與數據接收線(xiàn)圈。波士頓視網(wǎng)膜植入項目的研究人員在一只豬的視網(wǎng)膜下區域植入了一個(gè)陣列，而大部分假體（一個(gè)鈦制的密封電子組件盒）則附著(zhù)在鞏膜的外表面，或眼白部分。盒中伸出一個(gè)螺旋狀電極陣列，延伸至眼的顳上象限（圖2）。系統有一個(gè)外接的視頻捕捉單元，以及一個(gè)能向設備植入部分發(fā)送影像數據的發(fā)射機（圖3）。一只定制ASIC將圖像轉換為兩相的電流脈沖，其送至電極陣列的強度、周期以及頻率都是可編程的（圖4）。Minco公司也提供了針對植入體的先進(jìn)柔性電路，有助于實(shí)現這一面向170萬(wàn)遭受此類(lèi)眼疾痛苦的人們的項目。

圖2,波士頓視網(wǎng)膜植入項目的研究人員在一頭豬的視網(wǎng)膜下區域植入了一個(gè)陣列，但把假體的大部分（一個(gè)鈦制的密封電子組件）裝在鞏膜的表面。

電極陣列從盒中蜿蜒而出，延伸到眼睛的顳上象限

圖3,此系統有外置的視頻捕捉單元，還有一個(gè)發(fā)射器，它以無(wú)線(xiàn)方式將圖像數據發(fā)送給植入的裝置

圖4,定制ASIC將圖像轉換為兩相的電流脈沖，對一個(gè)電極陣列其強度、周期與頻率都是可以編程設定的