電子與人體的接口技術(shù)

鑒于電子嵌入系統(tǒng)正在尋求進入并取代更多機械控制系統(tǒng)的方法,有理由預(yù)期它們也將會找到進入生物系統(tǒng)如人體的途徑。實際上,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、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,這些功能正在實驗室中實現(xiàn),但還需要更細致的改進才能用于現(xiàn)實世界。

　　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)完成自己的整個運行壽命。心臟起搏器是植入設(shè)備的一個常見實例。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（參考文獻 1）。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)要面臨更嚴格的控制,而對診斷和監(jiān)護系統(tǒng)的上市要求就比較寬松。身兼多家公司主席（包括 incube 實驗室）的 mir imran 認為：“公眾并不知道很多電子醫(yī)療系統(tǒng)正在開發(fā)中,因為它們需要完成制訂規(guī)章的過程?！?br>
　　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,目前這一重擔(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)）的團隊經(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,因為系統(tǒng)可能并不總是處于全部運行狀態(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,因為電源已經(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)計團隊為滿足和堅持規(guī)章認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。如果團隊需要對系統(tǒng)作重新認證,則重新認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)計團隊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類多媒體應(yīng)用。如消費市場是以數(shù)百萬為計量單位,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?！彪m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)體公司都這么認為。一度的溫差可以為系統(tǒng)提供 2mw 功率?？缭竭@種電源門檻,電子嵌入系統(tǒng)就有了幾乎無限的電池能源,因為它總能從周圍環(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。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