0 引言

    隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，包括便攜式醫(yī)療儀器、可穿戴式醫(yī)療儀器、植入式醫(yī)療儀器、仿生器官等。

    對(duì)于便攜式醫(yī)療儀器，要求體積小、方便攜帶，使用不受環(huán)境限制；對(duì)于可穿戴式醫(yī)療儀器，要求便于佩戴；對(duì)于植入式醫(yī)療儀器、仿生器官，要求體積更小，以適合植入人體，不給使用者帶來(lái)不適、增加痛苦，不產(chǎn)生組織損傷。因此，無(wú)論哪種類(lèi)型的應(yīng)用，都需要不同程度的減小體積、降低功耗。減小體積，一方面要減小電路系統(tǒng)的體積，另一方面要減小電池的體積。而除了系統(tǒng)本身要求低功耗，當(dāng)電池體積不能太大，也可以說(shuō)電池的容量受限的情況下，也必須降低功耗，或者尋求新的供電方式。另外，由于生理信號(hào)通常頻率很低，因此設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高性能的低截止頻率濾波器對(duì)于模擬集成電路的設(shè)計(jì)也是極大的挑戰(zhàn)^[1]。此外，無(wú)論是便攜式、穿戴式還是植入式的形式，所面對(duì)具體的應(yīng)用環(huán)境都相對(duì)復(fù)雜，生理信號(hào)頻率、幅度在一定條件下的變化，外界環(huán)境的干擾，人體本身的影響等因素都需要在集成電路設(shè)計(jì)階段進(jìn)行全面的預(yù)先考慮，并且很多情況在仿真階段無(wú)法完全真實(shí)地模擬，因此存在最終測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果差別較大的風(fēng)險(xiǎn)，這給醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路設(shè)計(jì)增加了不確定性。

    基于以上分析，應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的集成電路的設(shè)計(jì)主要是面向頻率很低的生理信號(hào)采集和處理，或?qū)崿F(xiàn)、輔助實(shí)現(xiàn)某些器官的功能，尋求在功耗、體積、頻率、穩(wěn)定性、處理精度等方面的突破，使其適應(yīng)便攜式、穿戴式、植入式等應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，為人類(lèi)健康服務(wù)。與此同時(shí)，將集成電路滲透入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的方方面面，需要面對(duì)不斷出現(xiàn)的新的要求和挑戰(zhàn)，也為其發(fā)展提供新的方向。

    依據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境，本文總結(jié)了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的集成電路的最新進(jìn)展，概括具有代表性的研究成果中所采用新的思路、新的關(guān)鍵技術(shù)、新的方法，在此基礎(chǔ)上分析了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的集成電路的發(fā)展趨勢(shì)。

1 醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路的新進(jìn)展

    集成電路在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，分類(lèi)角度也有很多，例如，在電路功能上，涵蓋了前端放大濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理、算法實(shí)現(xiàn)、無(wú)線通信等等；在具體應(yīng)用環(huán)境上，包括穿戴式、便攜式、植入式；在處理信號(hào)的類(lèi)型上，包括模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)。

    本文將根據(jù)集成電路的實(shí)際工作環(huán)境，對(duì)醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路的最新研究進(jìn)展進(jìn)行分析。需要說(shuō)明的是，雖然目前多數(shù)以集成電路為核心部件實(shí)現(xiàn)的仿生器官也是植入式應(yīng)用，但是它主要的作用是實(shí)現(xiàn)或輔助實(shí)現(xiàn)器官的功能，這與治療有一定的區(qū)別，所以仿生器官與植入式醫(yī)療儀器將分開(kāi)介紹。

1.1 便攜式醫(yī)療儀器

    集成電路在便攜式醫(yī)療儀器中的應(yīng)用，主要是輔助簡(jiǎn)化原本復(fù)雜的檢測(cè)過(guò)程或設(shè)備，或者實(shí)現(xiàn)原本體積大、功耗高、應(yīng)用場(chǎng)合受限的儀器的關(guān)鍵部件，降低儀器的體積、功耗、成本，使其方便在更多的環(huán)境使用，甚至可以在家庭使用。

    呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎(VAP)快速檢測(cè)是典型的利用集成電路將復(fù)雜的檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)單化的例子。呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎(VAP)是指機(jī)械性通氣的病人由于多種細(xì)菌的侵入，所感染的肺炎，它會(huì)導(dǎo)致敗血性休克、心肺衰竭、甚至是死亡^[2]。如圖1(a)所示^[2]，VAP的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)過(guò)程是：胸部X光，抽血，痰培養(yǎng)，然后基于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)，為有可疑微生物的患者注射抗生素。研究顯示，VAP的死亡率在20-50%，在重癥監(jiān)護(hù)室(ICU)中甚至更高。救治的最佳時(shí)間在早期。因此，研發(fā)快速檢測(cè)設(shè)備成為爭(zhēng)取救治時(shí)間、降低死亡率的關(guān)鍵。

    有護(hù)理人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)感染了肺炎后，患者會(huì)呼出有明顯氣味的氣體，因此，研究者基于這個(gè)現(xiàn)象，利用患者的呼出氣體進(jìn)行肺炎的檢測(cè)^[3-4]。雖然基于氣味的肺炎檢測(cè)在理論上更簡(jiǎn)單，但是傳統(tǒng)的氣體分析方法需要在實(shí)驗(yàn)室里用色譜-質(zhì)譜分析儀或傅里葉紅外分光計(jì)對(duì)氣體樣品進(jìn)行檢測(cè)。盡管這兩種方法的結(jié)果都很準(zhǔn)確，但顯然并不適合日常監(jiān)測(cè)。基于呼出氣體分析的VAP快速檢測(cè)儀的示意圖如圖1(b)所示，這將使實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速檢測(cè)VAP成為可能，從而極大降低死亡率，特別是ICU中。

    文獻(xiàn)[2]研發(fā)了一種用于快速檢測(cè)VAP的芯片，采用90 nm CMOS工藝，芯片上集成了8個(gè)傳感器、自適應(yīng)接口、逐次逼近型（SAR）ADC，連續(xù)受限玻爾茲曼機(jī)的學(xué)習(xí)內(nèi)核，以及帶有SRAM的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)核，在0.5 V的電源電壓下，功耗為1.27 mW。利用基于此芯片搭建的VAP檢測(cè)系統(tǒng)，在對(duì)76名感染者和41名未感染者的測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)分辨是否感染的準(zhǔn)確率可以達(dá)到94.06%，在感染者里分辨相關(guān)微生物的準(zhǔn)確率可以達(dá)到100%，為VAP的快速檢測(cè)提供了可靠的解決方案。

    便攜式超聲系統(tǒng)是利用集成電路實(shí)現(xiàn)體積大、功耗高、或者一般只能在醫(yī)院使用的儀器的關(guān)鍵部件的最具代表性的例子。超聲是一種重要的實(shí)時(shí)、非侵入式身體監(jiān)測(cè)和成像手段，根據(jù)超聲回波的傳播時(shí)間，可以很快計(jì)算和呈現(xiàn)人體的血流速度、組織硬化度、組織結(jié)構(gòu)等不同特征。但是，目前的超聲系統(tǒng)昂貴、笨重、復(fù)雜、耗電，限制了它在很多場(chǎng)合的使用^[5-6]。例如，在需要即時(shí)診斷的情況下，手持超聲設(shè)備具有很大優(yōu)勢(shì)。目前它的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了在救護(hù)車(chē)、戰(zhàn)場(chǎng)、急診室等環(huán)境中的疾病、內(nèi)部損傷、血液動(dòng)力學(xué)等的即時(shí)診斷。

    文獻(xiàn)[5]提出了一個(gè)新的用于即時(shí)檢測(cè)的便攜式超聲系統(tǒng)的片上解決方案。芯片包括所有的信號(hào)處理模塊和基于硬件的成像方法設(shè)計(jì)的高效結(jié)構(gòu)，每秒可進(jìn)行168億次浮點(diǎn)運(yùn)算，具有1.21千萬(wàn)個(gè)邏輯門(mén)，相當(dāng)于一個(gè)奔騰4處理器。芯片采用UMC 0.13 μm工藝，面積為27 mm×27 mm，功耗為1.2 W?；谶@個(gè)芯片，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)手持式超聲成像系統(tǒng)，尺寸僅為200 mm×120 mm×45 mm，如圖2所示，實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)可以為即時(shí)檢測(cè)提供恰當(dāng)質(zhì)量的成像結(jié)果。

    文獻(xiàn)[6]也提出了一種微型超聲成像系統(tǒng)，如圖3所示，用途更加具體，用專(zhuān)用芯片和壓電轉(zhuǎn)換器陣列傳遞和捕捉二維圖像，可通過(guò)檢測(cè)人體的脂肪層和肌肉厚度，監(jiān)測(cè)人體健康及健身狀況。芯片采用0.18 μm CMOS工藝，包括7個(gè)相同的通道，每個(gè)通道都包括高壓電平移位器，高壓DC-DC轉(zhuǎn)換，數(shù)字TX波束形成器和RX前端。芯片采用1.8 V電源電壓供電，用片上電荷泵產(chǎn)生5 V和32 V電壓來(lái)提供32 V脈沖驅(qū)動(dòng)壓給電轉(zhuǎn)換器陣列。經(jīng)過(guò)一系列基于模型及人體的在體測(cè)試以驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)的工作頻率可達(dá)40 MHz，測(cè)量敏感度為225 nV/Pa，數(shù)據(jù)獲取時(shí)間為21.3 ms，可以成像深入至人體組織5 cm，每個(gè)脈沖回聲只消耗16.5 μJ的能量。系統(tǒng)由于采用了集成電路作為關(guān)鍵部件，使其成本、體積、效率和功耗有了極大的改進(jìn)，不僅方便了更多場(chǎng)合的使用，更使得超聲設(shè)備有可能在家庭中使用。

1.2 可穿戴式醫(yī)療儀器

    集成電路在可穿戴式醫(yī)療儀器中的應(yīng)用，貫穿于生理信號(hào)的采集與前端處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)處理等各個(gè)過(guò)程，具體包括與傳感器接口電路、放大器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、系統(tǒng)芯片等的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。它關(guān)注的焦點(diǎn)主要是生物電信號(hào)、脈搏波、呼吸等適合可穿戴式測(cè)量的信號(hào)。再基于對(duì)這些信號(hào)的采集和處理，監(jiān)測(cè)與其相關(guān)的重要參數(shù)或指標(biāo)，達(dá)到隨時(shí)了解健康狀況、預(yù)防重大疾病或突發(fā)病癥的目的。

    以目前被關(guān)注和研究較多的心電信號(hào)為例，心電是人類(lèi)重要的生命體征信號(hào)，基于心電進(jìn)行信號(hào)分析、處理及特征提取，可以得到很多與心血管健康狀況相關(guān)的重要生理信息。而心血管疾病在許多國(guó)家被公認(rèn)是首要的健康問(wèn)題。研究表明，心血管疾病發(fā)病致死多數(shù)是由于發(fā)生在醫(yī)院外，得不到及時(shí)的救治。因此，通過(guò)采集和處理心電信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與心血管疾病相關(guān)的重要參數(shù)，及時(shí)對(duì)突發(fā)狀況進(jìn)行處理，顯得尤為重要。

    文獻(xiàn)[7]研發(fā)了用于QRS波探測(cè)的超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），適用于可穿戴式心電信號(hào)檢測(cè)。芯片的核心部分-事件驅(qū)動(dòng)（Event-driven）的ADC的性能主要決定于其反饋環(huán)路延遲、比較器和DAC的分辨率。比較器采用三級(jí)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)是軌對(duì)軌的差分放大器，第二級(jí)是增益級(jí)，第三級(jí)是緩沖輸出級(jí)，后仿真結(jié)果顯示，在所有工藝角仿真中，-10～80 ℃的情況下，延遲小于3.6 μs，有效位數(shù)（ENOB）大于8.1。5位的DAC采用梯形電阻網(wǎng)絡(luò)，仿真顯示，其分辨率足夠用于QRS波的探測(cè)。芯片的顯微照片如圖4所示，芯片采用0.13 μm CMOS工藝，在0.3 V電源電壓下，包括ADC在內(nèi)的QRS波檢測(cè)電路的功耗只有220 nW，使其成為近期發(fā)表的功耗最低的具有QRS探測(cè)功能的轉(zhuǎn)換器。

    可穿戴式醫(yī)療儀器需要通過(guò)生理信號(hào)的采集與處理實(shí)現(xiàn)功能，模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的橋梁，占據(jù)非常重要的位置。傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是根據(jù)奈奎斯特抽樣理論的，采樣頻率必須在奈奎斯特或其以上頻率，這會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、傳輸?shù)仍黾恿素?fù)擔(dān)^[8-9]。文獻(xiàn)[10]提出另外一種信號(hào)轉(zhuǎn)換的方法，即基于壓縮傳感理論(CS)實(shí)現(xiàn)的模擬到信息的轉(zhuǎn)換器(AIC)芯片。CS理論把傳統(tǒng)信號(hào)處理過(guò)程中的采樣和壓縮合并，先對(duì)信號(hào)非自適應(yīng)線性抽樣，再進(jìn)行還原^[9]，它用信號(hào)攜帶的實(shí)際信息估計(jì)所需測(cè)量的次數(shù)，而與信號(hào)帶寬無(wú)關(guān)。與基于香農(nóng)采樣定理的經(jīng)典ADC相比，將極大降低必要的測(cè)量次數(shù)。

    如圖5所示，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字壓縮方法中，輸入信號(hào)首先以奈奎斯特速率被采樣和轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后用壓縮算法通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行處理，原始信號(hào)可以通過(guò)解壓縮算法恢復(fù)。在CS方法中，模擬信號(hào)首先被CS編碼器處理，然后被一個(gè)工作頻率比奈奎斯特頻率小的ADC采樣和轉(zhuǎn)換得到少量測(cè)量值，最后用CS解碼器進(jìn)行重建^[10]。

    目前，在生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的處理中，基于CS的解決方案，利用集成電路實(shí)現(xiàn)的很少。文獻(xiàn)[10]報(bào)道的基于CS理論的AIC芯片，采用0.18 μm CMOS工藝，1.8 V電源電壓，尺寸為2.3 mm×3.7 mm，包括一個(gè)16RMPI通道，11位的SAR ADC，邏輯控制部分沒(méi)有放在芯片中，而是用FPGA實(shí)現(xiàn)，以保證最大的自由度。在對(duì)真實(shí)心電和肌電信號(hào)的測(cè)試結(jié)果中顯示，芯片可以較為理想的重建信號(hào)并且沒(méi)有明顯的損失。

1.3 植入式醫(yī)療儀器

    在植入式醫(yī)療中，常常需要對(duì)植入的芯片供電。感應(yīng)式能量傳輸已經(jīng)應(yīng)用于很多植入式醫(yī)療儀器中，與電池和經(jīng)皮連接相比，它對(duì)病人來(lái)說(shuō)更加安全、方便，體積也更小。感應(yīng)式能量傳輸系統(tǒng)通常包括發(fā)射端、接收端和電源管理部分，在發(fā)射端包含一個(gè)功放，接著是匹配網(wǎng)絡(luò)和主線圈；在三線圈系統(tǒng)中，接收端包含兩個(gè)線圈，分別用于能量接收和與負(fù)載阻抗匹配[11]。植入式醫(yī)療儀器中的感應(yīng)式能量傳輸需要高傳輸效率，以減少線圈的散熱、降低外部電源的尺寸。

    文獻(xiàn)[11]提出一個(gè)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的三環(huán)路感應(yīng)式能量傳輸系統(tǒng)，包括閉環(huán)能量控制部分，自適應(yīng)共振補(bǔ)償發(fā)射端，自動(dòng)共振調(diào)節(jié)接收端。系統(tǒng)不僅可以抵制耦合和負(fù)載的變化，而且可以補(bǔ)償由于周?chē)h(huán)境引起的變化，以此提高能量傳輸效率。芯片采用0.35 μm CMOS工藝，面積為2.54 mm²，如圖6所示，測(cè)量結(jié)果顯示，與同樣功能的開(kāi)環(huán)或單閉環(huán)系統(tǒng)相比，能量傳輸效率分別可以提高10.5%和4.7%。這是第一個(gè)包括三個(gè)環(huán)路的感應(yīng)式能量傳輸系統(tǒng)，可以補(bǔ)償由于環(huán)境和電路引起的變化，并且改進(jìn)從Tx驅(qū)動(dòng)到Rx負(fù)載整體傳輸效率。

    具體來(lái)說(shuō)，集成電路在植入式醫(yī)療中的一個(gè)重要應(yīng)用是神經(jīng)電記錄。目前，在一塊神經(jīng)電信號(hào)記錄芯片內(nèi)已經(jīng)可以集成幾百個(gè)通道來(lái)同時(shí)監(jiān)測(cè)大腦中神經(jīng)元的活動(dòng)。腦機(jī)接口就是其中一個(gè)重要應(yīng)用，可以用于治療帕金森綜合癥、幫助恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能以及進(jìn)行神經(jīng)科學(xué)研究等。通常情況下，傳感器部分植入體內(nèi)，用于測(cè)量動(dòng)作電位（即spike信號(hào)），然后傳輸原始信號(hào)至外部進(jìn)行處理，以減少感染的機(jī)會(huì)，外部的處理單元會(huì)從動(dòng)作電位中提取信息，產(chǎn)生相應(yīng)的控制參數(shù)為仿生器官、義肢、刺激器等形成一個(gè)閉環(huán)反饋。在這類(lèi)應(yīng)用中，對(duì)植入芯片的功耗具有嚴(yán)格要求，以防止由于其散熱過(guò)多損壞周?chē)娜梭w組織。

    文獻(xiàn)[12]提出了一種用于神經(jīng)電信號(hào)記錄系統(tǒng)中的低功耗、小體積的電流模動(dòng)作電位檢測(cè)芯片。這種設(shè)計(jì)方法能夠使數(shù)據(jù)大幅度壓縮，有利于無(wú)線傳輸。電路用模擬模塊實(shí)現(xiàn)近似非線性能量算子（NEO）的方法，得到高信噪比的輸出信號(hào)，并在其后用低通濾波器估計(jì)和消除低頻干擾、估計(jì)動(dòng)作電位的閾值。芯片采用65 nm CMOS工藝，芯片面積為200 μm×150 μm，在0.7 V電源電壓下，靜態(tài)功耗僅為30 nW，輸入為100 Hz的動(dòng)作電位信號(hào)時(shí)，動(dòng)態(tài)功耗為7 nW。此芯片為至今為止功耗最低的動(dòng)作電位檢測(cè)芯片。

1.4 仿生器官

    在仿生器官的應(yīng)用中，多數(shù)情況都需要將芯片放入人體內(nèi)來(lái)模擬某些器官的功能，比如電子耳蝸、心臟起搏器^[13]，因此，仿生器官也可以說(shuō)是集成電路的植入式應(yīng)用。但是與植入式醫(yī)療儀器的區(qū)別在于，仿生器官的目的是幫助或代替某人體器官實(shí)現(xiàn)其功能，而通常不是監(jiān)測(cè)、診斷、預(yù)防或治療。下面以耳蝸為例，了解集成電路在仿生器官中的應(yīng)用。

    耳蝸具有顯著的濾波作用，它把聲壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為多通道的帶通輸出，通頻帶外的分量被陡峭的阻帶抑制。耳蝸的濾波特點(diǎn)使它能夠適應(yīng)寬動(dòng)態(tài)范圍的聲音輸入，并且完成高分辨率的頻率分解。近年來(lái)，很多仿生系統(tǒng)采用濾波器模擬耳蝸的功能。

    文獻(xiàn)[14]提出了一種用于電子耳蝸的9階濾波器。濾波器由三個(gè)子濾波器共同得到頻率特性，如圖7所示，包括一個(gè)2階帶通濾波器，用于確定整個(gè)濾波器的中心頻率；一個(gè)2階低通濾波器，提供可調(diào)的增益、品質(zhì)因數(shù)和中心頻率；一個(gè)5階低通濾波器，呈現(xiàn)陡峭的衰減，達(dá)到300 dB/dec。

    通過(guò)改變偏置電流，中心頻率可以在31 Hz～8 kHz之間變化，功耗為59.5 μW～90 μW，芯片面積為0.9 mm²。

    作為區(qū)別于傳統(tǒng)CMOS耳蝸的另外一種選擇，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）耳蝸傳感器越來(lái)越受到關(guān)注，它提供了一種新的低功耗、小尺寸的硅耳蝸系統(tǒng)。但是，現(xiàn)有的MEMS系統(tǒng)很少可以達(dá)到像CMOS系統(tǒng)那樣程度的模擬耳蝸的頻率特性，它僅僅提供了一種基本的無(wú)源濾波器組，后續(xù)仍然需要其他處理電路來(lái)共同實(shí)現(xiàn)耳蝸的功能。文獻(xiàn)[14]提出的三級(jí)濾波器，包括一個(gè)帶通濾波器和兩個(gè)低通濾波器，可以模擬出耳蝸的很多重要特性，而MEMS耳蝸可以作為三級(jí)濾波結(jié)構(gòu)中的帶通濾波器，借助其機(jī)械濾波的特性，來(lái)降低電路的功耗，而隨后的兩級(jí)濾波器起到進(jìn)一步處理信號(hào)的作用。但是，在這種方法中，MEMS傳感器需要讀出電路，并且讀出電路的功耗必須足夠低，不超過(guò)MEMS傳感器所節(jié)省的功耗，所以讀出電路的低功耗設(shè)計(jì)尤為重要；讀出電路面對(duì)的另外一個(gè)挑戰(zhàn)是MEMS-CMOS界面的寄生電容引起的關(guān)鍵信號(hào)的破壞^[14]。

    文獻(xiàn)[15]提出了一種帶有寄生電容抵消結(jié)構(gòu)的讀出電路，由于電路的等效輸出電容是負(fù)值，從而可以達(dá)到與MEMS-CMOS接口寄生電容抵消的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，采用此電路抵消寄生電容，可以使傳感器的敏感度提高35 dB，而不消耗多余的能量。另外，電路還采用斬波-穩(wěn)定(Chopper-Stabilization)技術(shù)來(lái)降低低頻噪聲和直流失調(diào)。芯片采用0.35 μm CMOS工藝，面積為0.35 mm²，功耗為165.2 μW，芯片的顯微照片如圖8所示。

2 醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路發(fā)展趨勢(shì)

    正如前文所述，從便攜式、可穿戴式、植入式醫(yī)療儀器到仿生器官，集成電路已經(jīng)滲透到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的方方面面，從這些已有的研究成果中，可以發(fā)現(xiàn)一些共性和特點(diǎn)，也可以以此為依據(jù)分析醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

    首先，降低功耗、減小體積仍然是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。尤其是植入式應(yīng)用中，為了防止由于集成電路系統(tǒng)耗散熱量過(guò)大而破壞周?chē)募?xì)胞、組織，避免由于電路系統(tǒng)體積過(guò)大而使使用者產(chǎn)生不適，對(duì)體積、功耗的要求更嚴(yán)格。

    其次，許多研究者已經(jīng)開(kāi)始引入MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感部件，使傳感器、前端處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理等越來(lái)越多的模塊可以集成于一塊硅片上，真正的實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)(SOC)，這也使得醫(yī)療儀器全部功能可以用單一芯片實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步降低其功耗、體積，擴(kuò)展使用環(huán)境。

    再次，一些研究者已經(jīng)不滿足傳統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的功能，開(kāi)始用算法理論指導(dǎo)硬件電路的設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)新的信號(hào)處理思路，例如，用基于壓縮傳感(CS)理論的模擬到信息的轉(zhuǎn)換器(AIC)代替?zhèn)鹘y(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。

    第四，已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究用集成電路實(shí)現(xiàn)低功耗的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)^[16]，完成生理信號(hào)的處理、無(wú)線傳輸、電源管理等功能。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然起源于軍事應(yīng)用，但是醫(yī)療作為其一項(xiàng)重要的新應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)病人各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、跟蹤和對(duì)病人行動(dòng)的監(jiān)控，自動(dòng)化巡房等，非常具有研究和實(shí)用價(jià)值。因此，集成電路將成為軀感網(wǎng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中醫(yī)療模塊的關(guān)鍵技術(shù)。

    微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，醫(yī)學(xué)理論的日新月異，人們對(duì)生存狀況、生活質(zhì)量的要求日益提高，使得應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的集成電路將不斷引入新技術(shù)、結(jié)合新理論、拓展新應(yīng)用環(huán)境，具有更加廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1] 李嚴(yán)，張?jiān)?一種用于可穿戴式生理參數(shù)檢測(cè)的集成電路[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（11）：18-21.

[2] CHIU S W，WANG J H，CHANG K H，et al.A fully integrated nose-on-a-chip for rapid diagnosis of ventilator-associated pneumonia[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2014，8(6)：765-778.

[3] NAYERI F，MILLINGER E，NILSSON I，et al.Exhaled breath condensate and serum levels of hepatocyte growth factor in pneumonia[J].Resp.Med.，2002，96(2)：115-119.

[4] CORRADI M，PESCI A，CASANA R，et al.Nitrate in exhaled breath condensate of patients with different airway diseases[J].Nitric Oxide，2003，8(1)：26-30.

[5] KANG J，YOON C H，LEE J J，et al.A system-on-chip solution for point-of-care ultrasound imaging systems：architecture and ASIC implementation[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2016，10(2)：412-423.

[6] TANG H Y，SEO D J，SINGHAL U，et al.Miniaturizing ultrasonic system for portable health care and fitness[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2015，9(6)：767-776.

[7] ZHANG X Y，LIAN Y.A 300-mV 220-nW event-driven ADC with real-time QRS detection for wearable ECG sensors[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2014，8(6)：834-843.

[8] 董子剛，李嚴(yán)，張?jiān)?一種新的模擬到信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[J].電子學(xué)報(bào)，2013，41(9)：1842-1846.

[9] 石光明，劉丹華，高大化，等.壓縮感知理論及其研究進(jìn)展[J].電子學(xué)報(bào)，2009，37(5)：1070-1081.

[10] PARESCHI F，ALBERTINI P，F(xiàn)RATTINI G，et al.Hard-ware-algorithms co-design and implementation of an analog-to-information converter for biosignals based on compressed sensing[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2016，10(1)：149-162.

[11] LEE B H，KIANI M，GHOVANLOO M.A triple-loop inductive power transmission system for biomedical applications[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and  Systems，2016，10(1)：138-148.

[12] YAO E Y，CHEN Y，BASU A.A 0.7 V，40 nW compact, current-mode neural spike detector in 65 nm CMOS[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2016，10(2)：309-318.

[13] YAN L，HARPE P，PAMULA V R，et al.A 680 nA ECG acquisition IC for leadless pacemaker applications[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2014，8(6)：779-786.

[14] WANG S W，KOICKAL T J，HAMILTON A，et al.A biorealistic analog CMOS cochlea filter with high tunability and ultra-steep roll-off[J].IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2015，9(3)：297-311.

文獻(xiàn)15-16略

作者信息：

李  嚴(yán)

（北京信息科技大學(xué)，北京100192）