集成電路技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用

1、集成電路技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用隨著社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)醫(yī)療 健康、生活質(zhì)量、疾病護(hù)理等方面提由了越來越高的要求。 同時(shí)，依托于高新領(lǐng)域電子技術(shù)的各種治療和監(jiān)護(hù)手段越來 越先進(jìn)，也使得醫(yī)療產(chǎn)品突破了以往觀念的約束和限制，在信息化、微型化、實(shí)用化等方面得到了長(zhǎng)足發(fā)展。本文從醫(yī)療 健康領(lǐng)域的需求分析入手，從集成電路技術(shù)的角度對(duì)醫(yī)療健 康領(lǐng)域的應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)(現(xiàn)狀和前景)做了大致的分析探 討。1醫(yī)療健康領(lǐng)域的需求現(xiàn)狀在醫(yī)療健康領(lǐng)域，關(guān)注的熱點(diǎn)正在漸漸從最基本的疾病產(chǎn)業(yè)向保健產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變。這二者都是以健康服務(wù)為最終目的，但是前者主要是有針對(duì)性的“對(duì)癥下藥”，而后者則更傾向于 為一般消費(fèi)者

2、提供更全面的保健解決方案。美國(guó)著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家保羅 ？皮爾澤(Paul Zane Pilzer)曾是花 旗銀行最年輕的副總裁并由任布什、克林頓兩任總統(tǒng)的經(jīng)濟(jì) 顧問，在他的財(cái)富第五波一書中指由：二H一世紀(jì)人類面臨嚴(yán)重飲食失衡，卻人人希望更健康、抗老化，預(yù)防勝于治療 從而開啟保健產(chǎn)業(yè)的兆億商機(jī)。這是繼第四波網(wǎng)絡(luò)革命后的 明星產(chǎn)業(yè)，相比疾病產(chǎn)業(yè)的被動(dòng)性，保健事業(yè)是主動(dòng)積極的產(chǎn) 業(yè)。世界衛(wèi)生組織（WHO）在2008年10月公開的一份檔案中 提到:人口老齡化助長(zhǎng)癌癥和心臟病病例上升 ；心血管疾病是 全世界主要的死亡原因，聽力喪失、視力問題和精神障礙是最 常見的殘疾原因。龐大的老齡化群體和慢性疾病患者等群體的

3、現(xiàn)狀（換言之，是社會(huì)需求和市場(chǎng)需求的現(xiàn)狀 ）使得疾病產(chǎn)業(yè)、保健產(chǎn)業(yè) 中亟需發(fā)展應(yīng)用新的技術(shù)和產(chǎn)品。2.1世界人口老齡化，對(duì)醫(yī)療護(hù)理產(chǎn)品提由了更高的要 求。隨著醫(yī)療水平的提高，世界平均人口壽命增加，世界和中 國(guó)都面臨著人口結(jié)構(gòu)老齡化的問題。如根據(jù)聯(lián)合國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì) 部的研究數(shù)據(jù)（如圖1）,到2050年世界60歲以上的老年人將 達(dá)20億，約占世界總?cè)丝诘?/3,其中有79%生活在發(fā)展中國(guó) 家;而中國(guó)國(guó)家人口發(fā)展戰(zhàn)略研究報(bào)告也指由，我國(guó)在2007年老齡人口為1.43億,占人口比重的11%,但是在2040年左右， 這個(gè)數(shù)字將達(dá)到4.3億,占全國(guó)人口的30% o這些數(shù)字意味著 屆時(shí)每4個(gè)人中將有12名老年人

4、，同時(shí)也表明針對(duì)老年人護(hù) 理的配套設(shè)施將會(huì)有很大需求。近幾年來，中國(guó)社會(huì)老齡化趨勢(shì)日益明顯，也引起了各有關(guān)方面的關(guān)注?！叭丝诶淆g化將伴隨 21世紀(jì)始終。我國(guó) 現(xiàn)在雖然還處于勞動(dòng)力黃金時(shí)期 ，但60歲以上人口超過 14%,65歲以上人口超過10%,按照國(guó)際社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)跨進(jìn)了 老齡化社會(huì)的門檻。老齡化問題將從多方面給中國(guó)社會(huì)帶來 巨大壓力和挑戰(zhàn)，同時(shí)也會(huì)帶來新的機(jī)遇，其中最大的機(jī)遇就 是老年人群消費(fèi)所帶來的“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”發(fā)展。我國(guó)老齡化的趨勢(shì)及特點(diǎn)如下： TOC o 1-5 h z (1)老齡化速度快于全國(guó)總?cè)丝谠鲩L(zhǎng)速度；(2)我國(guó)老齡化速度快于世界老齡化速度；(3)我國(guó)老齡化速度快于經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度

5、，呈現(xiàn)了 “未富先老”的特征；(4)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)率先進(jìn)入老齡化；(5)老年人生活質(zhì)量有所提高；在目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平尚處于世界中下水平時(shí)，老齡化程度卻己進(jìn)入了發(fā)達(dá)國(guó)家的行列。老齡化的加速對(duì)經(jīng)濟(jì)社 會(huì)都將產(chǎn)生巨大的壓力。老人占全球人口的比例越來越高，這助長(zhǎng)了與年齡有關(guān)的慢性病增加，在發(fā)展中國(guó)家尤其如此。在世界各地，護(hù)理人員、衛(wèi)生系統(tǒng)乃至整個(gè)社會(huì)均需作好準(zhǔn)備，應(yīng)付老人持續(xù)增長(zhǎng)的需求。疾病特別是慢性病的威脅和困擾日益擴(kuò)大化，以及家用保健產(chǎn)品需求的加強(qiáng)，對(duì)醫(yī)療保健產(chǎn)品的便攜程度提由了 更高的要求。隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，對(duì)一些多發(fā)性 的慢性疾病、殘疾障礙、以及神經(jīng)功能失調(diào)疾病的治療需求 越

6、來越迫切。心血管疾病是全世界主要的死亡原因，主要是心臟和血 管疾病，可造成心臟病和中風(fēng)。 通過健康飲食、經(jīng)常性身體活 動(dòng)和避免使用煙草，可預(yù)防80%以上的心臟病和中風(fēng)，而為了 進(jìn)一步減少威脅，這些病往往還需要長(zhǎng)期的、 經(jīng)常性的檢查和 治療。最常見的殘疾原因中如聽力喪失、視力問題和精神障礙等，其中許多障礙是容易通過電刺激設(shè)備進(jìn)行輔助治療的 （例 如聽力喪失和白內(nèi)障）。這些疾患的總體罹患率較高 ，需要改 善獲得治療的機(jī)會(huì)和方法，改善患者的生活質(zhì)量，使人們過上 有意義的生活。另外，神經(jīng)功能失調(diào)是一大類神經(jīng)系統(tǒng)疾病，高發(fā)病率而且重癥的帕金森病等運(yùn)動(dòng)障礙疾病、癲癇、頑固性疼痛等 ， 導(dǎo)致病人明顯殘障，造

7、成巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)。傳統(tǒng)上 ，神 經(jīng)功能失調(diào)疾病的治療有藥物方法和外科手術(shù)毀損方法。但 是長(zhǎng)期服用藥物副作用多且難以避免，而由于腦和神經(jīng)的復(fù) 雜性和人類認(rèn)識(shí)的局限性，不可逆的手術(shù)毀損具有不可預(yù)知的惡性后果進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著生活質(zhì)量的提高，人們健康意識(shí)也普 遍增強(qiáng)。特別是在醫(yī)院內(nèi)“一次性治愈”目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)的階 段下，新的產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生：除了醫(yī)院的醫(yī)生診斷，可家用的醫(yī)療 及保健電子設(shè)備的需求明顯，如疾病預(yù)防和協(xié)助診斷、慢性病 的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及治療、 特別是老年人護(hù)理等。 另外，包括慢性疾 病的監(jiān)測(cè)和控制、治療在內(nèi)，醫(yī)療保健需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)在臨床上 的診斷準(zhǔn)確性和日常家用的普及性 ，以及建立以預(yù)防和早期

8、 診斷為導(dǎo)向的健康觀念。比如對(duì)于盲人、癲癇癥、糖尿病等 患者，傳統(tǒng)醫(yī)療護(hù)理手段所帶來的長(zhǎng)期的臨床生活是社會(huì)和 病人都無法承擔(dān)的，而離開了醫(yī)院又會(huì)造成生活質(zhì)量的下降。 于是醫(yī)療電子終端產(chǎn)品的普遍發(fā)展趨勢(shì)將主要是便攜式、穿 戴式，莫些特殊方面還向植入式發(fā)展 ，以實(shí)現(xiàn)“隨時(shí)隨地”的 動(dòng)態(tài)、連續(xù)的檢測(cè)和初步診斷。 可以預(yù)見在不遠(yuǎn)的將來，這些 便攜、可穿戴或植入式的醫(yī)療及保健電子設(shè)備將給人類的生 活提供極大便利，產(chǎn)生重大的影響。世界醫(yī)用市場(chǎng)需求的迅猛發(fā)展，將成為半導(dǎo)體市場(chǎng) 的重要推動(dòng)力。在世界范圍內(nèi)，醫(yī)療電子市場(chǎng)連續(xù)25年增長(zhǎng)，很有可能成 為未來（半導(dǎo)體市場(chǎng)的）主要驅(qū)動(dòng)。全球醫(yī)療保健費(fèi)用每年 5 萬億美

9、元，而中國(guó)的醫(yī)療保健則消耗了 GDP的5%,平均每年 增加38% o特別是從全球醫(yī)用半導(dǎo)體行業(yè)的收入來看 ，醫(yī)用半 導(dǎo)體行業(yè)的幾個(gè)主要的部分預(yù)計(jì)在未來的 5年內(nèi)年均復(fù)合增 長(zhǎng)率(CAGR)在10%附近。而另一份來自 Databeans (Sept. 2008)的數(shù)據(jù)則預(yù)計(jì)在未 來5年醫(yī)用集成電路市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率將高達(dá)14%,甚至高于消費(fèi)類集成電路(11%)和計(jì)算機(jī)集成電路(9%)的增長(zhǎng)?？梢?看由，在21世紀(jì)醫(yī)用集成電路的重大革新將會(huì)像上世紀(jì)80年代的電子計(jì)算機(jī)、90年代的移動(dòng)通信一樣，成為影響全球半 導(dǎo)體市場(chǎng)的主要推動(dòng)力。世界范圍內(nèi)的醫(yī)療電子市場(chǎng)同時(shí)會(huì)帶動(dòng)我國(guó)的醫(yī)療電 子產(chǎn)業(yè)。比如現(xiàn)階段我國(guó)的

10、“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”剛剛起步，根據(jù)中國(guó)國(guó)家老齡委提供的數(shù)據(jù)，目前中國(guó)老年人用品市場(chǎng)的需求量 為4000億元，到2010年將達(dá)到10萬億元，而現(xiàn)階段全國(guó)為老 年人提供的產(chǎn)品不足10%,離市場(chǎng)需求差距巨大。而且隨著中 國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展，各方面因素將為“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”蓬勃發(fā) 展提供更加強(qiáng)大的動(dòng)力。 在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，老年人生活 質(zhì)量能夠提高、身心健康得到保障，借助產(chǎn)業(yè)發(fā)展也可以緩解 老齡化問題給社會(huì)帶來的壓力。2我國(guó)醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的涵蓋領(lǐng)域非常廣，包括超聲波成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描等應(yīng)用電子設(shè)備，以及電子血壓計(jì)、血糖儀等消費(fèi)類終端產(chǎn)品都屬于醫(yī)療電子領(lǐng)域。在我國(guó)的電子信息產(chǎn)業(yè)中,醫(yī)療電子產(chǎn)

11、業(yè)是很重要的一環(huán) ，是最貼近民生的電子信息產(chǎn) 業(yè)細(xì)分行業(yè)之一。隨著 2009年4月份電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整 和振興規(guī)劃的由臺(tái)以及國(guó)家新醫(yī)改方案的公布，尤其是8500億元醫(yī)改的投入，我國(guó)醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)無疑面臨著廣闊的發(fā)展 空間，這對(duì)我國(guó)的醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)將帶來積極的影響。而且政策中特別還強(qiáng)調(diào)了要加強(qiáng)在醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力 的建設(shè)，這無疑為我國(guó)醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)帶來了很好的發(fā)展機(jī)遇。 另外，醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的高速增長(zhǎng)也將刺激醫(yī)療電子市場(chǎng)的需 求:據(jù)預(yù)測(cè)，當(dāng)前我國(guó)醫(yī)療電子市場(chǎng)規(guī)模為250多億元，同比增速在16%以上,超過了全球市場(chǎng)的增長(zhǎng)率。為了更好的應(yīng)對(duì)這個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇，要在如下兩個(gè)方面有所建樹：一方面是在醫(yī)療

12、信息系統(tǒng)領(lǐng)域。這 一領(lǐng)域迫切需要提高遠(yuǎn)程醫(yī)療水平，以及其所依賴的信息傳 輸和管理技術(shù)。另一方面是在醫(yī)療電子領(lǐng)域。這兩個(gè)方面的 要求，需要在技術(shù)上關(guān)注網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與便攜技術(shù)的走勢(shì)：第一是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)操作標(biāo)準(zhǔn)。幾年前一些著名國(guó)際企業(yè)包括思科、 IBM、英特爾、三星電子等就成立了 “持續(xù)健康聯(lián)盟”產(chǎn)業(yè) 組織，以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)選擇、互用性指南的編寫等工作。ADI亞太 區(qū)醫(yī)療事業(yè)部也認(rèn)識(shí)到“為了適應(yīng)醫(yī)療體系的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看互聯(lián)的數(shù)據(jù)平臺(tái)變得非常重要”。第二是便攜醫(yī)療產(chǎn)品與技術(shù)。隨著人們健康意識(shí)、健康需求及相應(yīng)支 付能力的不斷提高，以預(yù)防為主和早診治的指導(dǎo)思想 ，以及醫(yī) 療電子隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展不斷涌現(xiàn)

13、由小型化、集成 化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的趨勢(shì) ，這些都將成為便攜醫(yī)療 電子快速增長(zhǎng)的催化劑。在便攜醫(yī)療產(chǎn)品中，電子血壓計(jì)、便攜血糖儀、電子助聽器等便攜式設(shè)備占到家用便攜醫(yī)療產(chǎn)品 市場(chǎng)的90%,而便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀、 便攜式超聲診斷儀、 便 攜式胎兒監(jiān)測(cè)儀、便攜式心電圖儀位居我國(guó)醫(yī)用便攜設(shè)備市 場(chǎng)前列。此外，基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)所需的低成本、高可靠性、操作 簡(jiǎn)單的X光機(jī)、超聲診斷儀、核磁共振設(shè)備和計(jì)算機(jī)斷層掃 描設(shè)備的市場(chǎng)容量也將大幅提升。而這些產(chǎn)品所涉及的智能 化、小型化、低功耗、高分辨率的技術(shù)都備受關(guān)注。3集成電路技術(shù)應(yīng)用的概要介紹集成電路技術(shù)在醫(yī)療電子領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用非常廣闊且多樣化，大致可分為下

14、述四種不同的應(yīng)用類型：(1)醫(yī)學(xué)影像一一這一類型包括超聲波、計(jì)算機(jī)化的X射線斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射線、正電子發(fā) 射斷層顯像等；(2)醫(yī)療儀器一一主要是實(shí)驗(yàn)室配套電子設(shè)備、透析機(jī)、分析儀器、外科手術(shù)設(shè)備、牙科設(shè)備等；（3）消費(fèi)型醫(yī)療設(shè)備一一偏重于患者（可家用，非臨床）使 用的終端設(shè)備，包括數(shù)字體溫計(jì)、血糖計(jì)、血壓計(jì)、胰島素泵、 心率計(jì)、輔助聽力（數(shù)字助聽）等；（4）診斷、患者監(jiān)護(hù)與治療設(shè)備一一協(xié)助醫(yī)生判斷的（主要是臨床使用）相應(yīng)設(shè)備，都包括心電圖、腦電圖、血氧計(jì)、 血壓計(jì)、溫度計(jì)、呼吸計(jì)、除顫器、植入設(shè)備等 ；這四種類型基本涵蓋了醫(yī)療電子領(lǐng)域的各種應(yīng)用。其中 后兩類，特別

15、是消費(fèi)型醫(yī)療設(shè)備尤其需要通過先進(jìn)的集成電 路技術(shù)來達(dá)到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目標(biāo)。小型化、低功耗：通過這些便攜、可穿戴、或是植入式的 設(shè)備，才可以實(shí)現(xiàn)人體相關(guān)體征信號(hào)的動(dòng)態(tài)采集和連續(xù)監(jiān)測(cè)，在必要時(shí)還可以達(dá)到 24x7的工作要求；智能化、低成本：可醫(yī)院用、家庭用、其他非醫(yī)院環(huán)境用 并通過網(wǎng)絡(luò)接入等技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，從而更合理地配置醫(yī)療資源，提供更高水平的醫(yī)療服務(wù)，同時(shí)減緩醫(yī)院就診壓力。 還可普及供大范圍內(nèi)的人群使用：如病人用來治療、健康人用來預(yù)防，或老年人用于輔助護(hù)理、年輕人用于鍛煉健身，可提供早診治的信息，對(duì)人體最小干預(yù)（無創(chuàng)/微創(chuàng)）,等等。世界上集成電路領(lǐng)域最權(quán)威的會(huì)議一一國(guó)際固

16、態(tài)電路 會(huì)議（ISSCC）的技術(shù)專題委員會(huì)，圍繞以上四種類型的醫(yī)療電 子應(yīng)用中日益凸顯的關(guān)鍵技術(shù)問題，在2009年預(yù)測(cè)了在未來醫(yī)療電子應(yīng)用領(lǐng)域中集成電路技術(shù)的研究熱點(diǎn)：(1)人工輔助聽覺、視覺、無線肌肉刺激、神經(jīng)刺激：這類研究重點(diǎn)在于需要對(duì)人體安全無危害，包括和人體組織的電 極接觸界面、泄漏電流檢測(cè)、過熱斷電等。同時(shí)還對(duì)系統(tǒng)的 可靠性、外殼包裝、集成度和工作壽命等方面有要求；(2)傳感量：生物分子檢測(cè)(如DNA等)，神經(jīng)感知、集成核 磁共振等；(3)超小型：遙控或遠(yuǎn)程診斷；(4)自適應(yīng)控制：場(chǎng)景分析、管理方法等；(5)無線測(cè)量技術(shù)中的瓶頸：數(shù)據(jù)流壓縮、拓寬頻道等；(6)帶有馬達(dá)和姿態(tài)控制的智能

17、內(nèi)窺鏡膠囊；(7)pH值的測(cè)量陣列(離子敏感的場(chǎng)效應(yīng)管,ISFET)；(8)其他系統(tǒng)級(jí)需求。在這些預(yù)測(cè)的研究熱點(diǎn)中，既有針對(duì)莫一種具體應(yīng)用提 生了更進(jìn)一步的功能研究(如用于腸胃內(nèi)窺鏡中的馬達(dá)和姿 態(tài)控制),也有對(duì)從應(yīng)用中提煉由的共性關(guān)鍵技術(shù)(如對(duì)于無線通信技術(shù)方面的瓶頸分析 ，還有對(duì)于生物醫(yī)療與集成電路的 交叉學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)(如需要更完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)和傳感技術(shù)完 成生物分析檢測(cè)等)。從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來看，上述醫(yī)療應(yīng)用中有關(guān)的信息工 程在醫(yī)療電子領(lǐng)域面臨的根本性問題可分為四個(gè)主要方面：(1)數(shù)據(jù)采集：電子電路需要通過傳感器來感知物理世界。 在實(shí)際世界中的各種物理量需要首先轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，之后 才能夠

18、由集成電路進(jìn)行處理。采用適合類型的傳感器對(duì)適合 的物理量進(jìn)行采集，以及對(duì)傳感器的接口進(jìn)行完善的交互控 制就顯得尤為重要；(2)數(shù)據(jù)處理：將外界物理量信息提取成電信號(hào)后 ，還需要 做初步的信號(hào)調(diào)理和采樣、變換、濾波等預(yù)處理操作，并將原 始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)或是根據(jù)一定的算法做分析計(jì)算 ；(3)數(shù)據(jù)傳輸：經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行傳遞 ，通過由集 總的控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后才能夠判斷?？煞譃榛鶐ㄐ?和射頻通信，前者大部分是電信號(hào)有線連接或是通過人體組 織等導(dǎo)電介質(zhì)，后者主要是用無線電磁波通過空氣等介質(zhì)；(4)能量供應(yīng)：對(duì)于一般的醫(yī)療電子設(shè)備而言 ，體積微型化 和延長(zhǎng)工作壽命是矛盾的，因?yàn)殡娫吹捏w積往往與

19、其可提供 的能量大小成比例。這樣就需要在進(jìn)行低功耗、低能耗設(shè)計(jì) 研究的同時(shí)，開發(fā)由新的能量供應(yīng)方式如能量恢復(fù)、光電池效應(yīng)、壓電效應(yīng)等，保證醫(yī)療設(shè)備(特別是便攜式、植入式)的續(xù) 航能力。接下來以幾個(gè)具體的研究課題項(xiàng)目為基礎(chǔ)，針對(duì)不同的應(yīng)用例做更深入的分析，來介紹一下目前國(guó)內(nèi)在如下兩個(gè)研 究方向上取得的一些進(jìn)展：1)對(duì)較為基本的物理量如溫度、脈搏等 待處理的數(shù)據(jù)量比較少，硬件系統(tǒng)的工作流程也非常類似，可以考慮采用一種 具有共性的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。同時(shí)這些有共性的硬件系統(tǒng)還可以通過一種通信協(xié)議組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)人體區(qū)域的傳感器 網(wǎng)絡(luò)。2)在另一些特殊的應(yīng)用中如人工輔助的聽覺、視覺，以及智能內(nèi)窺鏡膠囊等，

20、由于原始數(shù)據(jù)是語音和圖像，過程中會(huì)涉 及到傅里葉變換、數(shù)據(jù)壓縮等更為復(fù)雜的算法，數(shù)據(jù)運(yùn)算量相 對(duì)于簡(jiǎn)單的生命體征信號(hào)要大得多，成為制約低功耗的瓶頸 之一。4實(shí)例用于體征監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)無線人體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò) (Wireless Body Area Sensor Networks, WBASN)是一種能夠滿足前述應(yīng)用要求的“通用” 解決方案。它是進(jìn)行人體生命要素信息采集與控制的小區(qū)域 傳感器網(wǎng)絡(luò)，一般主要用于特定人群/人體的長(zhǎng)時(shí)間健康狀況 監(jiān)測(cè)、身體健康指標(biāo)分析等。 最典型的應(yīng)用例為糖尿病患者、 癲癇癥患者、神經(jīng)紊亂或衰弱患者，以及慢性心臟病患者等。 通過這種網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的可定制監(jiān)測(cè)，人們可以根據(jù)實(shí)際

21、需要對(duì)身體的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)做連續(xù)采集監(jiān)測(cè)，并通過良好人機(jī)交互界面進(jìn)行控制。1)WBASN的結(jié)構(gòu)WBASN通常由近人體區(qū)域的傳感子節(jié)點(diǎn)和基站主節(jié)點(diǎn)組成。近人體區(qū)域包括體表測(cè)量、體內(nèi)測(cè)量、探針測(cè)量和體 檢測(cè)量等。完成這些測(cè)量的傳感子節(jié)點(diǎn)中包括前端的傳感器 件/能量轉(zhuǎn)換器件，目標(biāo)是由對(duì)有關(guān)健康狀況的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè) 量、處理和交換?；局鞴?jié)點(diǎn)隨時(shí)接受區(qū)域中每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn) 的數(shù)據(jù)，并控制和調(diào)配這些傳感節(jié)點(diǎn)的采集狀態(tài)、休眠方案等需要有能力做較大量的數(shù)據(jù)處理、累計(jì)、判斷及交換。所測(cè) 量的數(shù)據(jù)信息也都是與人體密切相關(guān)的，如心電、心率、血壓、心音、肺音、血氧、呼吸、溫度、加速度等。不同種類的數(shù) 據(jù)采集需要不同

22、的傳感器件（能量轉(zhuǎn)化器件，簡(jiǎn)稱換能器，如 單導(dǎo)電極、熱敏電阻、惠斯通電橋、電流式傳感器和3軸加速度計(jì)等。所有傳感子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息通過基站主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 統(tǒng)一的融合處理和分析判斷，實(shí)現(xiàn)WBASN的基本功能。圖3示由了簡(jiǎn)要的 WBASN結(jié)構(gòu)示意圖。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基本功能是由傳感子節(jié)點(diǎn)（位于體表或體內(nèi)的粘附或植入式裝置）完成的，如采集血壓、溫度等信息。這些信 息由主節(jié)點(diǎn)（體外的便攜裝置，如PDA等）統(tǒng)一接收后進(jìn)行數(shù) 據(jù)融合，完成初步判斷和處理，還可以給由信息的實(shí)時(shí)反饋、 超限數(shù)據(jù)的安全警告等。另外，主節(jié)點(diǎn)還可以作為“網(wǎng)關(guān)”接 入到因特網(wǎng)、GPRS等廣域網(wǎng)絡(luò)中，將本地的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程 服務(wù)器供醫(yī)生遠(yuǎn)程診斷，實(shí)

23、現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療等。如果主節(jié)點(diǎn)初步判 斷后認(rèn)為需要完成進(jìn)一步的操作，會(huì)再次采集相關(guān)信息、給由 警告信息或進(jìn)行干預(yù)操作一一給藥、電刺激等，以實(shí)現(xiàn)慢性病 護(hù)理或及時(shí)診治。雖然這一網(wǎng)絡(luò)的研究目前還處于實(shí)驗(yàn)室為 主的原型驗(yàn)證，但是在一些應(yīng)用中還是會(huì)或多或少的發(fā)現(xiàn) WBASN的影子：如前不久的“神七”宇航服中就實(shí)現(xiàn)了壓力、 心率、呼吸等傳感器，采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到宇航員之外的接 收設(shè)備上，然后再發(fā)回地面指揮中心進(jìn)行分析。2）WBASN的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖一個(gè)典型的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4,包括了傳感器和電刺激驅(qū)動(dòng)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器 MCU、數(shù)據(jù)流 的預(yù)處理（協(xié)處理）單元、存儲(chǔ)器和射頻（RF）收發(fā)機(jī)，其

24、中MCU 與傳感器模塊之間還可以實(shí)現(xiàn)可配置的多標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)接口、電 源可視情況采用電池或無線供能方式等等。各模塊連接后即 可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。若將圖4所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行高集成度的電路實(shí)現(xiàn)，就是片上系統(tǒng)（SoC）平臺(tái)芯片。一種較為 簡(jiǎn)單的平臺(tái)芯片實(shí)現(xiàn)中不含有傳感器模塊和RF收發(fā)機(jī)（但包含對(duì)應(yīng)的接口，通過外接（1）不同類型、不同功能的傳感器件 前端和相同類型的射頻收發(fā)芯片后，就可以完成相應(yīng)種類 數(shù)據(jù)信息的采集，進(jìn)行一些預(yù)處理，然后與主節(jié)點(diǎn)建立通信并 傳輸數(shù)據(jù)、接收配置等。還有一種集成度較高的 SoC平臺(tái)芯 片中會(huì)帶有片上 RF模塊,這樣每個(gè)子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)就只需外接一 個(gè)傳感器芯片即可完成采集、組網(wǎng)等功

25、能。SoC平臺(tái)的作用是在功能異構(gòu)的WBASN各個(gè)子節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中作為一個(gè)基礎(chǔ)的“通用的”平臺(tái)。3)WBASN的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)上述分析表明 WBASN的近人體子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)該以超低功耗和高度集成的(SoC)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)。于是就要綜合系統(tǒng)的各方面需求，整合設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)由核心的數(shù) 字微控制單元和電源管理單元，以便在達(dá)到功能上的靈活性、 完備性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的極低功耗。這些數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的 關(guān)鍵技術(shù)包括幾個(gè)方面：(1)在各個(gè)功能相異的節(jié)點(diǎn)休眠間隔 不等的情況下進(jìn)行接入；(2)醫(yī)療用途的緊急情況下 “給藥”或 “電刺激”的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn)；(3)星型網(wǎng)絡(luò)中單跳的組網(wǎng)方式對(duì) 指令集的優(yōu)化；(

26、4)無線方式的節(jié)點(diǎn)功能更替；(5)兼容多標(biāo)準(zhǔn)的 傳感器器件接口 ；(6)電路級(jí)的低功耗技術(shù)如門控、多電壓、異步電路設(shè)計(jì)等。在我們的研究中，綜合考慮了上述方面進(jìn)行了 設(shè)計(jì)優(yōu)化。這樣還會(huì)帶來很多其他的好處，如設(shè)計(jì)成本低、系 統(tǒng)擴(kuò)充性好、針對(duì) WBASN應(yīng)用開發(fā)的軟件/硬件效率高，等 等。下面針對(duì)上述子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具 體說明：第一,在低功耗方面，通過對(duì)具體實(shí)例的分析發(fā)現(xiàn)，“工作 狀態(tài)”和“空閑狀態(tài)”的功耗一般相差20倍甚至更多，所以工作狀態(tài)下的低功耗優(yōu)化是首要任務(wù)。目前的絕大多數(shù)SoC實(shí)現(xiàn)方案基本上都是采用各種措施將工作時(shí)低功耗達(dá)到更 低的指標(biāo)。但是對(duì)于 WBASN的具體應(yīng)用而言，

27、子節(jié)點(diǎn)通常都會(huì)處于非常低的工作占空比，也就是說在整個(gè)子節(jié)點(diǎn)壽命內(nèi) 的絕大多數(shù)時(shí)間里，子節(jié)點(diǎn)是在空閑狀態(tài)的。 如體溫測(cè)量可以 每1分鐘測(cè)量一次，每次測(cè)量只需要幾個(gè)毫秒；心率測(cè)量也只 需要每100毫秒測(cè)量幾個(gè)毫秒，等等。這樣，子節(jié)點(diǎn)的總能量 消耗往往更多浪費(fèi)在空閑時(shí)的狀態(tài)上。所以對(duì)于 WBASN的優(yōu)化需要從工作時(shí)功耗和休眠時(shí)功耗協(xié)同考慮完成，目標(biāo)是提高電池的能量使用效率。第二，子節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制。在許多研究中廣泛采用了實(shí)時(shí) 性操作系統(tǒng)（如TinyOS）,其實(shí)只保證了子節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)下 處理器處理各個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性。還需要子節(jié)點(diǎn)保證網(wǎng)絡(luò)行為 的“實(shí)時(shí)性”：如用于閉環(huán)施放藥物的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，在接到主 節(jié)點(diǎn)發(fā)

28、來的“給藥”指令之后應(yīng)該以最短的反應(yīng)時(shí)間給由操 作。這就與低功耗的指標(biāo)相矛盾：為了更快的反應(yīng)速度，應(yīng)該 在空閑時(shí)采用“偵聽”方案或者休眠間隔很短的方案一一這 樣同時(shí)增大了空閑時(shí)功耗；反之，為了避免該給藥子節(jié)點(diǎn)的電 池能量大都浪費(fèi)在空閑時(shí)狀態(tài)，應(yīng)該采用空閑時(shí)休眠的方案， 并且該加大休眠間隔一一這樣在主節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送喚醒要求 （大多數(shù)這種時(shí)候都是緊急情況）之后還要等到子節(jié)點(diǎn)的下次 定時(shí)喚醒才能夠給由響應(yīng)，最壞情況下的反應(yīng)速度為子節(jié)點(diǎn) 的定時(shí)喚醒周期。所以目前這一問題的解決方案就是空閑休 眠間隔、偵聽時(shí)間的折中選取。以具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：在“國(guó) 內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)”中的 ADICOL項(xiàng)目中，胰島素施放操作的閉

29、環(huán)控制是每3分鐘定時(shí)喚醒工作一次，以保證最壞情況下的 給藥控制延遲不超過 3分鐘。而保守情況下（按每天需施放胰 島素10次估計(jì)推算）都至少有97%的喚醒是不需要做給藥的 這樣就浪費(fèi)了子節(jié)點(diǎn)大量的電池能量，降低了有效用能量的使用效率。第三是功能的靈活性。由于每個(gè)子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的RF模塊和通訊協(xié)議都沒有差別，所以通常的設(shè)計(jì)都主要考慮傳感器 接口模塊的靈活可配置等等。很多現(xiàn)有的傳感器件或芯片接 口大致分為兩種：模擬量（需要SoC提供ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換）和數(shù) 字量（傳感器自帶ADC,僅需要滿足相應(yīng)時(shí)序）。已有的相關(guān)研 究大多是基于這兩類接口進(jìn)行展開的。但是在不同功能的子 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)，除了傳感器件前端需要采集的

30、物理量類型和接 口不一樣之外，其軟件程序在操作順序、 運(yùn)算復(fù)雜度、處理方 法等方面都有區(qū)別,SoC本身的軟件部分就需要根據(jù)具體子 節(jié)點(diǎn)的功能進(jìn)行調(diào)整。如果在每個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備封裝前預(yù)先寫 好軟件算法，還需要專門的“燒寫”設(shè)備。我們的研究中采用 一種可由主節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程配置子節(jié)點(diǎn)軟件的協(xié)議，就可以在滿足“軟件靈活性”要求的同時(shí)不引入其他設(shè)備。4）總結(jié)如前述,WBASN的優(yōu)化重點(diǎn)在于子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，而子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的核心是SoC平臺(tái)。為了保證子節(jié)點(diǎn) SoC平臺(tái)的超低功耗、高集成度、靈活性、高效率、可靠性等，需要SoC平臺(tái)中的數(shù)字系統(tǒng)有完善的功能和異常處理能力、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、 良好的可靠性和能量管理等。系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)傳感器

31、設(shè)備（或稱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)“近人體節(jié)點(diǎn)”）的 主要指標(biāo)可以歸結(jié)為：系統(tǒng)集成度，小型化/微型化，低功耗電 路設(shè)計(jì)，無線遙感鏈路和信號(hào)處理算法等。除此之外，其他一些指標(biāo)如服務(wù)質(zhì)量、安全性、多傳感器數(shù)據(jù)融合和診斷支持 等也都是世界上相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)各研究組正在研究的課題。帶有植入式處理器的電刺激器電刺激治療方法是當(dāng)今臨床和日常的物理康復(fù)最常用 的、重要的治療手段之一，在心臟起搏器、人工聽覺、人工視 覺、腦電刺激等許多領(lǐng)域中有著非常重要的作用。該方法通 過將一定量的電流通過特制電極施加到人體組織，實(shí)現(xiàn)促進(jìn)恢復(fù)正常的神經(jīng)傳導(dǎo)和調(diào)節(jié)功能等治療作用，不僅可起到鎮(zhèn)痛、消腫、消炎、脫敏、緩解肌肉痙攣等功效，有時(shí)甚至還可以修復(fù)、

32、替代莫些受損的人體組織和器官。一般的電脈沖刺 激時(shí)采用無極性微分型指數(shù)波形 ，由電荷相等的正負(fù)脈沖波 構(gòu)成，負(fù)指數(shù)脈沖起神經(jīng)纖維去極化作用 ，正脈沖起電荷平衡 的作用，可避免組織損傷。集成電路技術(shù) ，特別是植入式的處 理器控制應(yīng)用在電刺激器中，可以完成復(fù)雜的信號(hào)處理，同時(shí) 極大的保證操作的可靠性和無侵害性。心臟起搏器是最早的醫(yī)用電刺激儀器之,它發(fā)放電脈沖，通過與心內(nèi)膜相接觸的電極導(dǎo)線，刺激心臟使之激動(dòng)收縮，以模擬心臟的沖動(dòng)發(fā)生和傳導(dǎo)等電生理功能，起到治療由于莫些心律失常所致的心臟功能障礙。心臟起搏 器的結(jié)構(gòu)包括脈沖發(fā)生器 (pulse generator)和電極-導(dǎo)線(lead) 兩大系統(tǒng)。脈

33、沖發(fā)生器由電池、釋放與調(diào)節(jié)電脈沖的電路和 外殼構(gòu)成。脈沖發(fā)生器控制起搏節(jié)律，猶如整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”。現(xiàn)在的脈沖發(fā)生器是非常小的，一種典型的尺寸為 5cm x 5cm x 6mm,重量在30克左右。在正常的聽覺系統(tǒng)中，聲音的機(jī)械震動(dòng)通過外耳和中耳 之后，會(huì)在耳蝸的各處與基底膜發(fā)生共振?；啄さ恼駝?dòng)帶動(dòng)毛細(xì)胞纖毛的振動(dòng)，產(chǎn)生毛細(xì)胞的感受器電位，進(jìn)而產(chǎn)生聽神 經(jīng)的動(dòng)作電位發(fā)放。腦的中樞聽覺系統(tǒng)能夠根據(jù)聽神經(jīng)中不 同神經(jīng)纖維的發(fā)放情況判斷基底膜的振動(dòng)情況，進(jìn)而推斷聲音的頻率成分。在一些患有感覺神經(jīng)性耳聾的病人內(nèi)，毛細(xì)胞由于多種因素如遺傳、疾病等而遭到損傷或者數(shù)量減少，無法正常地驅(qū)動(dòng)聽神經(jīng)。而人工耳蝸的

34、基本工作原理就是繞過毛 細(xì)胞這一環(huán)節(jié)，直接對(duì)聽神經(jīng)進(jìn)行電刺激。于是這種電刺激的 效果就好像是聽神經(jīng)被聲音通過正常的基底膜和毛細(xì)胞驅(qū) 動(dòng)一樣。人工耳蝸只是一種聽覺假體，并不能“治愈”耳聾或其他 聽覺障礙。人工耳蝸的工作是基于耳蝸的不同部分與不同聲 音頻率之間一種規(guī)則的對(duì)應(yīng)關(guān)系(頻率拓?fù)湫再|(zhì))。一般需要使用更加復(fù)雜的處理方法以避免造成組織、電極損傷等一些 不良影響。視覺假體技術(shù)也屬于功能電刺激的一種。大多數(shù)盲人的 視覺通路中往往只有一部分發(fā)生病變 ，而其余部分神經(jīng)組織 的結(jié)構(gòu)和功能尚完好。于是就能夠?qū)σ曈X通路的完好部位施 加特定的人工電刺激，來興奮神經(jīng)細(xì)胞以模擬自然光刺激的 效果，使盲人產(chǎn)生視覺感

35、受。視覺假體的工作原理與人工耳蝸相似。視覺假體系統(tǒng)包 括一個(gè)位于病人體外的視頻采集設(shè)備（如小型攝像機(jī)，視頻處 理模塊，電刺激編碼模塊和植入到視覺通路特定部位的多電 極陣列。由視頻采集設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)視頻圖像經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)多電極陣列的信號(hào)。多電極陣列對(duì)視覺神經(jīng)組織 施加一定幅度、波形和頻率的電流刺激，興奮視覺神經(jīng)元，從 而使病人產(chǎn)生視覺感受。人工視覺刺激器主要包括視網(wǎng)膜刺激器、視皮層刺激器 和視神經(jīng)刺激器。其中視網(wǎng)膜刺激器發(fā)展最快。視網(wǎng)膜刺激 器是在視網(wǎng)膜下或視網(wǎng)膜表面植入不同微電極，使外界光線轉(zhuǎn)換成電流，通過微電極刺激并激活視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞及其網(wǎng) 絡(luò),而產(chǎn)生光感。這種裝置可使失明或接近失明

36、的眼重新獲得 部分有用視力。其優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生較準(zhǔn)確的視覺感知 ，而且所 需電流強(qiáng)度較小，玻璃體有利于熱量的散發(fā)，以及可直接觀察 到植入刺激器及植入后的反應(yīng)。至今已有較多實(shí)驗(yàn)表明視網(wǎng)膜前或膜下芯片植入方法可行，有較好的生物相容性及長(zhǎng)期 穩(wěn)定性，達(dá)到預(yù)期效果。目前全世界范圍內(nèi)已經(jīng)接受植入的病人較之佩戴人工 耳蝸的病人要少得多。而且目前美國(guó)食品藥品監(jiān)督局(FDA)也尚未批準(zhǔn)任何類型的視覺假體的臨床應(yīng)用。下面以人工聽覺的具體系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹一下帶有植入式處理器的電刺激器：帶植入式處理器的雙模人工耳蝸系統(tǒng)人工耳蝸就是通過電刺激末梢神經(jīng)系統(tǒng)的方式來修復(fù) 聽覺的一種醫(yī)療電子裝置。它把外部的聲音轉(zhuǎn)換為聽神經(jīng)

37、需 要的電刺激，將這種刺激通過植入電極刺激聽覺神經(jīng)，幫助傳感性耳聾患者恢復(fù)(人工制造生)聽覺。它是迄今為止治療極 重度耳聾唯一有效的方法，也是唯一被商品化的感官神經(jīng)修 復(fù)技術(shù)。目前各種人工耳蝸產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上細(xì)節(jié)不盡相同，但它們的基本硬件構(gòu)成和工作原理卻是一樣的。1)人工耳蝸的硬件構(gòu)成人工耳蝸的基本硬件構(gòu)成如圖6所示，主要分為體外和體內(nèi)兩個(gè)部分，其工作原理和流程如下：(1)體外的麥克風(fēng)首先把采集到的機(jī)械聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成 模擬電信號(hào)；(2)模擬電信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào)；(3)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行分析并決定如何驅(qū)動(dòng)埋植于耳蝸內(nèi)的電極去刺激聽神經(jīng)，形成刺激指 令序列；(4

38、)刺激指令序列經(jīng)過調(diào)制后以無線電波的方式發(fā)送給體內(nèi)部分；(5)體內(nèi)的解調(diào)器從無線電波中獲取體內(nèi)電路工作所需 的能量，并對(duì)刺激指令序列進(jìn)行解析；(6)體內(nèi)的刺激器對(duì)解調(diào)由來的指令序列進(jìn)行譯碼，然后根據(jù)指令要求在電極上產(chǎn)生相應(yīng)的電流，刺激聽神經(jīng)產(chǎn)生聽覺。2)新型全植入系統(tǒng)的應(yīng)用在當(dāng)前植入式電池不足以支撐數(shù)字式全植入人工耳蝸系統(tǒng)，而模擬式全植入系統(tǒng)又存在著諸多缺陷的情況下，新型全植入系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路除了繼續(xù)降低數(shù)字系統(tǒng)本身的功耗 外，還可以在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行調(diào)整，降低系統(tǒng)對(duì)電池的使用量?；?于這些考慮，我們提由了帶植入式處理器的可雙模工作的新 型人工耳蝸系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)在體內(nèi)集成了一套完整的語音信號(hào)

39、采集、處理電路，以及與體外的無線接口 ，同時(shí)配有植入式電池。所謂“雙?！?，是指該系統(tǒng)既可以工作在不帶任何外部輔助裝置的體內(nèi) 單機(jī)模式下，如圖7(b)所示，也可以工作于體外語音信號(hào)采集 電路與體內(nèi)處理電路協(xié)同的聯(lián)機(jī)模式下，如圖7(c)所示。從技 術(shù)可行性的角度上講，聯(lián)機(jī)模式下的系統(tǒng)在當(dāng)前的電路技術(shù) 條件下是可以實(shí)現(xiàn)的，而單機(jī)模式則受制于電池容量和安全 性等非電路因素。這種系統(tǒng)的意義在于，通過兩種模式的交替使用可以很 大程度上減少對(duì)植入式電池的使用量。而且該系統(tǒng)包含了一 個(gè)完整的全植入數(shù)字式子系統(tǒng) ，對(duì)該系統(tǒng)的研究可以涵蓋下 一代全植入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。也就是說，該系統(tǒng)的很多關(guān)鍵技術(shù)將可以直接

40、應(yīng)用到下一代全植入系統(tǒng)當(dāng)中。實(shí)際上,在植入式電池的容量和安全方面的性能提升到一定程度之 后，這個(gè)系統(tǒng)可以自然而然地轉(zhuǎn)換成一個(gè)全植入式系統(tǒng)。3）植入式數(shù)字信號(hào)處理器的低功耗設(shè)計(jì)在雙模系統(tǒng)中，最大的技術(shù)難題就在于植入式數(shù)字信號(hào) 處理器（DSP）的設(shè)計(jì)（圖8）,因?yàn)樗鼛缀跏钦麄€(gè)系統(tǒng)里功耗最 大的部件。傳統(tǒng)人工耳蝸中的DSP處在體外，對(duì)功耗的要求還可以寬松一些，畢竟體外的電池可以隨便更換。而在新系統(tǒng)中，無論是哪一種工作模式，對(duì)DSP的功耗要求都是非?？量?的。在體內(nèi)單機(jī)模式下,DSP的功耗直接影響著植入式電池 的壽命，而植入式電池又不可以隨便更換 ，所以這種情況下 DSP功耗的重要性自不待言。在聯(lián)機(jī)模

41、式下，由于無線能量傳輸效率低下,DSP的功耗將會(huì)被嚴(yán)重放大，這比DSP在體 外時(shí)的情況要惡化很多。實(shí)際的設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果表明，基于開放源代碼硬件的專 用指令集處理器（OSH-ASIP）設(shè)計(jì)方法有助于提高效率并降低成本，同時(shí)可以有助于去除通用處理器中存在的冗余，從而提高處理器的執(zhí)行效率、降低功耗。通過綜合運(yùn)用指令集簡(jiǎn) 化、等待模式、循環(huán)暫存、存儲(chǔ)器切割、操作數(shù)隔離和時(shí)鐘 門控等多種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，在0.18以m CMOS工藝下設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)的一款人工耳蝸專用的低功耗DSP實(shí)際測(cè)量結(jié)果為：在10MHz的時(shí)鐘頻率下執(zhí)行連續(xù)交織采樣 （CIS）算法的功耗小 于2mW,低功耗效果顯著。4）總結(jié)就當(dāng)前的技術(shù)水平

42、來講，數(shù)字式全植入的人工耳蝸系統(tǒng) 仍然因?yàn)槟芰抗?yīng)不足（功耗大而電池容量?。┑木壒薀o法實(shí) 現(xiàn)。但是除了功耗外并沒有其他理由可以阻礙數(shù)字系統(tǒng)的進(jìn) 一步發(fā)展，況且相比于模擬系統(tǒng)中那些固有的缺陷，功耗實(shí)際上是一個(gè)會(huì)隨著微電子設(shè)計(jì)和制造水平的提高而逐步得到 解決的問題。因此,從長(zhǎng)遠(yuǎn)看數(shù)字式全植入系統(tǒng)才是人工耳蝸 系統(tǒng)最優(yōu)的選擇方案。智能內(nèi)窺鏡膠囊傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡（如胃鏡和腸鏡）需要使用光纖或電纜插 入人體體腔內(nèi)拍攝病征圖像以供醫(yī)生診斷，這些連接線會(huì)給病人帶來很大不適，而且診斷存在盲區(qū)，并可能會(huì)有消化道傷 損等并發(fā)癥。智能內(nèi)窺鏡膠囊的由現(xiàn)給消化道疾病的診斷帶 來了便利，克服了上述缺點(diǎn)。如圖9所示，病人在吞

43、服了膠囊內(nèi)鏡以后，膠囊依靠消化道的蠕動(dòng)在其中緩慢移動(dòng)。移動(dòng)的過程中會(huì)采集人體內(nèi)消化道的圖像并以無線的方式發(fā)送至體 外記錄儀，并可以上傳至基站以供醫(yī)生診斷病情。膠囊內(nèi)鏡不會(huì)給病人帶來不適，在檢測(cè)時(shí)病人也可活動(dòng)，而且它可以完成 全消化道的檢測(cè)，掃除了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡存在的盲區(qū)。1）智能內(nèi)窺鏡膠囊的發(fā)展歷史智能內(nèi)窺鏡膠囊（消化道膠囊內(nèi)鏡）的概念最早于2000年 由以色列科學(xué)家提由并實(shí)現(xiàn)，之后Given Imaging公司生產(chǎn)由 第一款商用的膠囊內(nèi)鏡產(chǎn)品Pillcam o最近的幾年里各國(guó)的工業(yè)界和學(xué)術(shù)界相繼開始對(duì)這種產(chǎn)品的研發(fā)，一些新產(chǎn)品和新技術(shù)陸續(xù)面世：日本的奧林巴斯公司推由的EndoCapsule產(chǎn)品在

44、日本也開始商用；日本NORIKA Syaka RF lab正在研發(fā)用 無線供能，代替電池供電的技術(shù)，以及控制膠囊內(nèi)鏡姿態(tài)的控 制技術(shù)；韓國(guó)研究機(jī)構(gòu)推由了以人體作為導(dǎo)體來直接傳輸信 息的技術(shù)，用以代替射頻收發(fā)機(jī)，目前也已成功地利用到膠囊 內(nèi)鏡產(chǎn)品中。在可預(yù)見的將來還將由現(xiàn)集診斷、活檢、給藥 及消化道行走等各種功能于一體的產(chǎn)品。2）膠囊內(nèi)鏡的結(jié)構(gòu)完整的口服式智能內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)由膠囊內(nèi)鏡、體外便 攜式記錄儀和工作站三部分構(gòu)成。膠囊內(nèi)鏡是整個(gè)系統(tǒng)最為 重要的部分，也是設(shè)計(jì)難度最高的部分，在集成電路設(shè)計(jì)時(shí)尤 其要注意功耗等問題。外殼內(nèi)的電路系統(tǒng)主要由五個(gè)部分組成，如圖10所示,包括一個(gè)商用CMOS圖像傳感器、白色發(fā) 光LED、一個(gè)商用射頻收發(fā)機(jī)芯片及天線、一塊用于控制和數(shù)據(jù)處理的專用集成電路和兩節(jié)鈕扣電池。商用的CMOS圖像傳感器位于整個(gè)膠囊的一端，負(fù)責(zé)采 集消化道中的彩色圖像數(shù)據(jù)。支持多種圖像分辨率，最高速率可達(dá)30fpso高亮度的白光LE