鑒于電子嵌入系統(tǒng)正在尋求進(jìn)入并取代更多機(jī)械控制系統(tǒng)的方法，有理由預(yù)期它們也將會找到進(jìn)入生物系統(tǒng)如人體的途徑。實(shí)際上，電子嵌入系統(tǒng)每天都在用各種方式與人體打交道，完成多種功能，如健康監(jiān)護(hù)、管理及維持系統(tǒng)功能（如心臟）、控制藥物或?qū)⒚缸⑷肴梭w代替失去功能的器官，甚至恢復(fù)肢體和感官的功能等。某些情況下，這些功能的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有數(shù)十年的歷史，而電子學(xué)的發(fā)展只是降低這些系統(tǒng)的成本，改進(jìn)替代這些系統(tǒng)的可靠性以及延長它們的生命周期。在其它情況下，這些功能正在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，但還需要更細(xì)致的改進(jìn)才能用于現(xiàn)實(shí)世界。

無論是何種情況，電子系統(tǒng)與病人身體的聯(lián)系都比以往更加緊密。有時這種與人體關(guān)聯(lián)的方式是介入式的，如植入設(shè)備會在病人身體內(nèi)完成自己的整個運(yùn)行壽命。心臟起搏器是植入設(shè)備的一個常見實(shí)例。病人可以吞服的設(shè)備是診斷與治療過程中的一個新興平臺。胰島素泵和給藥泵也是植入系統(tǒng)，它們的部件一般會存在于病人的體內(nèi)和體外，依靠這類系統(tǒng)可以提供精確劑量的胰島素或藥品。另一個成長中的新興市場是植入式神經(jīng)刺激系統(tǒng)，或叫脊髓神經(jīng)電刺激，該設(shè)備有位于病人體外的控制單元，用于治療慢性疼痛或處理癲癇發(fā)作。

除了有植入部件的插入系統(tǒng)以外，電子子系統(tǒng)還能使醫(yī)生和某些設(shè)備采用比以前較少侵入性的方式完成自己的功能。如腹腔鏡手術(shù)就是這樣一個領(lǐng)域，電子系統(tǒng)使外科醫(yī)生用最低限度的侵入方式完成手術(shù)，而減少對病人身體的壓力。很多公司都在致力于發(fā)展非侵入式血糖儀，它可以連續(xù)監(jiān)控血糖水平，這樣病人可以用這種新式儀器自己監(jiān)測血糖水平，而無需刺手指取血作測試。開發(fā)中的非侵入式血糖儀嘗試用各種方式完成血糖的測量，如在皮膚上投射光束，并檢測紅外吸收情況;通過無線電波阻抗測量電磁波通過皮膚和血液后的吸收情況;或用反向離子導(dǎo)入法從幾乎無損的皮膚上吸出間質(zhì)液體。

高門檻

醫(yī)療和健康保健中使用的嵌入系統(tǒng)要受到一系列規(guī)章限制的監(jiān)管，而工業(yè)與商務(wù)應(yīng)用則不需要考慮這些問題。這些系統(tǒng)滿足規(guī)章需求的程度與它們要擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧窍嚓P(guān)的。生命維持系統(tǒng)要面臨更嚴(yán)格的控制，而對診斷和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的上市要求就比較寬松。身兼多家公司主席（包括 InCube 實(shí)驗(yàn)室）的 Mir Imran 認(rèn)為：“公眾并不知道很多電子醫(yī)療系統(tǒng)正在開發(fā)中，因?yàn)樗鼈冃枰瓿芍朴喴?guī)章的過程。”

對電子醫(yī)療系統(tǒng)制訂規(guī)章的要求現(xiàn)在還沒有直接波及半導(dǎo)體供應(yīng)商，目前這一重?fù)?dān)基本被終端產(chǎn)品集成商全部承擔(dān)下來。根據(jù)多家半導(dǎo)體供應(yīng)商的說法，正在開發(fā)醫(yī)療系統(tǒng)（尤其是植入系統(tǒng)）的團(tuán)隊(duì)經(jīng)常向它們提出包括更小型的封裝、更高的器件和存儲可靠性、高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力、電池監(jiān)控以及更低的功耗等要求。

對低功耗的考慮也經(jīng)常需要系統(tǒng)能支持多種低功耗或睡眠模式，因?yàn)橄到y(tǒng)可能并不總是處于全部運(yùn)行狀態(tài)。終端系統(tǒng)集成商考慮的另一個問題是設(shè)備被埋入病人體內(nèi)之前的貨架壽命，因?yàn)?a target="_blank">電源已經(jīng)裝在密封的殼體內(nèi)，而不能在植入時才由醫(yī)生裝入。供應(yīng)商制造系統(tǒng)的時間與醫(yī)生將其植入病人體內(nèi)的時間差可能會相當(dāng)大。

設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為滿足和堅(jiān)持規(guī)章認(rèn)證要求而要考慮的其它問題，包括一家半導(dǎo)體制造商提供和支持一個部件的時間長度，以及公司是否承諾保持設(shè)備的管腳兼容性。如果團(tuán)隊(duì)需要對系統(tǒng)作重新認(rèn)證，則重新認(rèn)證過程的成本可能會不合理。如果供應(yīng)商將一個部件置于壽命終期狀態(tài)，則設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可能要作壽命終期采購;某些情況下，這些采購量是數(shù)千而不是數(shù)百萬件。設(shè)備管腳的變化可能需要重新認(rèn)證，因此管腳可兼容的設(shè)備是非常必要的。

植入系統(tǒng)的市場份額通常要低于消費(fèi)類多媒體應(yīng)用。如消費(fèi)市場是以數(shù)百萬為計(jì)量單位，而植入醫(yī)療系統(tǒng)可能只有幾百或幾千臺。德州儀器公司（Texas Instruments）技術(shù)員 Gene Frantz 指出：“針對植入電子在人體中的三個重要挑戰(zhàn)，有些開發(fā)者正在作早期的工作。這三個挑戰(zhàn)是：如何在體溫下運(yùn)行系統(tǒng);如何不使設(shè)備周圍的水沸騰;以及如何避免在咸水環(huán)境下的腐蝕。”雖然電子器件位于密封的殼體內(nèi)，但傳感器仍必須直接接觸病人體內(nèi)的組織和咸水環(huán)境。

可以利用人體溫差發(fā)電而運(yùn)行的處理器可能會在未來不久出現(xiàn)，很多半導(dǎo)體公司都這么認(rèn)為。一度的溫差可以為系統(tǒng)提供 2mW 功率。跨越這種電源門檻，電子嵌入系統(tǒng)就有了幾乎無限的電池能源，因?yàn)樗偰軓闹車h(huán)境中（此時是人體）獲取能量。這種功能可以使植入控制系統(tǒng)留存在病人體內(nèi)遠(yuǎn)長于目前植入系統(tǒng)的幾年至10年留存時間。對這些未來的低功耗系統(tǒng)而言，人體的運(yùn)動是可能獲取能量的另一個來源。當(dāng)前延長植入系統(tǒng)電池壽命的一種方法是使用可充電電池，或換用位于體外的電源。對于植入體內(nèi)的電源系統(tǒng)，這種方法意味著病人必須定期去充電。病人要用定期充電的麻煩換取這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。研究人員正在探索的另一種為植入電池充電的方法是涓流充電法。

對高密度計(jì)算系統(tǒng)來說，散熱是一個需要考慮的重要問題，例如中心辦公室的通信設(shè)備或服務(wù)器。植入人體的系統(tǒng)也要考慮散熱問題，因?yàn)轶w內(nèi)液體循環(huán)不足以帶走植入系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，尤其是對那些運(yùn)行時間大于體眠時間的系統(tǒng)。這種類型系統(tǒng)的一個例子是永久性的微電子視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)。視網(wǎng)膜植入是醫(yī)學(xué)博士 Mark S Humayun 的研究成果，他的研究小組位于美國南加州大學(xué)（洛杉磯）的仿生微電子系統(tǒng)工程研究中心。

視網(wǎng)膜植入系統(tǒng)試圖為由于老年性黃斑退化或視網(wǎng)膜色素變性而失明的病人恢復(fù)部分視覺功能。這一研究的對象是曾經(jīng)有視力的病人，而不是天生全盲者。Model 1系統(tǒng)組合了一個小型攝像機(jī)和一個DSP，將圖像傳送到植入的4mm×5mm視網(wǎng)膜芯片上，該芯片有排成4×4結(jié)構(gòu)的 16個電極。系統(tǒng)的 Model 2 型大小只有原來尺寸的20%，有60個電極。Model 3 型正在開發(fā)中，它將有1000個電極和一個特殊的芯片涂層，可以使芯片符合眼球的形狀與運(yùn)動。

閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是很多系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)采樣和控制的基本能力。嚴(yán)格的生命維護(hù)系統(tǒng)可以自主地對環(huán)境作檢測，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)完成自己的功能，例如植入的心臟除顫器和起搏器。今天的很多系統(tǒng)都不是自主閉環(huán)的，而是由病人完成閉環(huán)。在象胰島素泵這類裝置中，病人必須清楚泵的工作原理，并控制泵的運(yùn)行。泵的影響因素很多，如病人攝入的碳水化合物、壓力大小、身體機(jī)能發(fā)揮的程度（如運(yùn)動的投入程度）、休息的時間等都會影響泵的時序和送出胰島素的劑量。MedtrONic MiniMed 這些公司正在研究如何將胰島素泵組合到一個自主的閉環(huán)系統(tǒng)中，它可以連續(xù)監(jiān)控血糖水平，從而制造出一個人工胰腺。

假肢市場雖然相對較小，但隨著研究人員取得的進(jìn)展該市場象谷倉一樣獲得了更多的關(guān)注。最新消息是有關(guān) Jesse Sullivan，這個“全球第一個仿生人”是該技術(shù)的一個實(shí)例。在 2001 年 5 月，當(dāng)時是高壓線工的 54 歲 Sullivan 遇到了改變自己人生的一件事：他遭到強(qiáng)大的電擊，醫(yī)生切掉了他的雙上肢（參考文獻(xiàn) 2）。芝加哥整形學(xué)院的醫(yī)學(xué)博士 Todd Kuiken 和其它研究人員開發(fā)了一種假肢和假手，裝在 Sullivan 身上。（可以在 www.ric.org/bionic 上看到 Sullivan 演示自己假臂的視頻。）該技術(shù)是很多人研究的成果，而與 Sullivan 神經(jīng)系統(tǒng)的接口則是另一個小組的成果，它們顯示出假肢的發(fā)展方向。但是，即使假肢受到 Sullivan 的控制，他現(xiàn)在也必須用自己的眼睛，仔細(xì)明確地關(guān)閉系統(tǒng)的控制回路，因?yàn)?a target="_blank">控制器還沒有其它的反饋機(jī)制。

這個假肢是來自 Liberating 技術(shù)公司的 BoNSton 數(shù)字臂（圖 2）。它是一個為病人提供肘臂的平臺，但它也可以控制其它假肢裝置，如腕、手和肩鎖機(jī)構(gòu)。其軟件能使它與各種輸入裝置一起工作，包括觸摸板、伺服控制、開關(guān)和肌電極等。肌電極從肌肉的收縮中提取信號，這樣殘肢的運(yùn)動就能起動觸摸板、伺服換能器和開關(guān)。軟件可以將這些裝置的輸入傳送給外部設(shè)備，或者可以通過連接的 PWM 接口，根據(jù)這些輸入直接控制外部設(shè)備。作為向一個閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)展的一部分，研究者正在開發(fā)脊髓環(huán)路的仿真品。

仿生人裝置的神奇之處是位于皮膚與肌肉收縮之間的電極接口。Sullivan 所用的神經(jīng)信號基本上與事故發(fā)生前用來控制手臂的神經(jīng)信號相同。一般來說，控制手臂的肌肉收縮通常也是當(dāng)他試圖運(yùn)動手臂或手上一組肌肉時出現(xiàn)的情況。Sullivan 遭遇事故以后，他失去可以收縮的肌肉，因此研究者將神經(jīng)移至胸部的肌肉上（圖 3）。通過肌肉的收縮表示他的意圖，假肢、假腕和假手系統(tǒng)就可以作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

通信

我們的世界正日益連接成為一體，而個人醫(yī)療裝置也離不開這一趨勢。人體可能是對網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的下一個最大挑戰(zhàn)。隨著更多的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)入家庭，降低醫(yī)療成本的要求也越來越強(qiáng)烈，如無需醫(yī)生上門就將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生診所。用于網(wǎng)絡(luò)連接的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)與家庭中使用的商用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不同。為了支持家庭監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的連接，設(shè)計(jì)小組正在探討各類商用接口，包括USB連接。支持USB端口的醫(yī)療設(shè)備也有助于促進(jìn)并提高無線USB標(biāo)準(zhǔn)的牢靠性。

與植入系統(tǒng)間的無線通信是一個發(fā)展中的功能，尤其是它可以無需在病人皮膚上植入一個實(shí)際的接口。用于植入醫(yī)療裝置的MICS（醫(yī)療植入通信服務(wù)）醫(yī)療通信頻帶是從402MHz ~ 405MHz，這種家庭 RF 通信正在代替感應(yīng)式通信，因?yàn)樗軒椭∪藷o需定期去診所就能夠與植入的裝置通信。藍(lán)牙技術(shù)也正在成為一種與植入裝置進(jìn)行無線連接的未來方法，尤其是它可以與手機(jī)建立一個連接，從而與醫(yī)生診所聯(lián)絡(luò)或與病人通信。

植入裝置的數(shù)據(jù)通信需求通常可以支持到約 100 kHz 的數(shù)據(jù)速率。低數(shù)據(jù)速率有助于這些系統(tǒng)減小病人身體對數(shù)據(jù)信號以及數(shù)據(jù)通信事件的吸收，從而節(jié)省功耗。一般來說，低數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的系統(tǒng)會采用較高的數(shù)據(jù)速率作突發(fā)式通信。通信內(nèi)容有很多種，如將收集的數(shù)據(jù)傳出供醫(yī)生分析，以及向植入裝置控制器傳送修補(bǔ)或參數(shù)更新等。

電子醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)師考慮的其它因素還有如何處理由于技術(shù)過時而廢棄的問題，以及如何升級或更換系統(tǒng)。很多這類系統(tǒng)的改進(jìn)速度都非常快，每隔幾年裝置就會變得更加小巧，效率更高。處理升級問題的一種方法是用軟件可編程控制系統(tǒng)。另一種方法是將控制器置于病人體外，與病人體內(nèi)的傳感器、泵和電機(jī)進(jìn)行無線通信。

手機(jī)技術(shù)與未來醫(yī)療裝置的融合是一個非常令人感興趣的話題。例如，手機(jī)可以作為醫(yī)療裝置和醫(yī)生診所之間的一個網(wǎng)關(guān)。它也可以作為一個用戶終端，直接收集病人的數(shù)據(jù)，或?yàn)椴∪颂峁┓答?a target="_blank">信息。但是，手機(jī)系統(tǒng)最重要的融合機(jī)會是它最接近于成為一個通用的個人控制器，因?yàn)閹缀跛腥硕紨y帶或使用手機(jī)。這種特性使得手機(jī)成為一個可能的候選者，因?yàn)樗耐庑纬叽邕m合用作半自動植入系統(tǒng)的外部控制器。隨著植入系統(tǒng)日益普及以及價格的下降，不難想像病人要擁有多個此類系統(tǒng)。所以，對這些病人來說，手機(jī)可以作為一個主控制器，以避免多個植入裝置之間的干擾或相互異常影響。

責(zé)任編輯：gt