人體信息監(jiān)控是一個新興的領(lǐng)域，人們設(shè)想開發(fā)無線腦電圖(EEG)監(jiān)控設(shè)備來診斷癲癇病人,，可穿戴的無線EEG能夠極大地改善病人的活動空間,，并最終通過因特網(wǎng)實現(xiàn)家庭監(jiān)護。這樣的無線EEG系統(tǒng)已經(jīng)有了,，但如何將他們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個不小的挑戰(zhàn),。本文介紹采用IMEC的SiC技術(shù),，它的開發(fā)重點是進(jìn)一步縮小集成后的EEG系統(tǒng)體積以及將低功耗處理技術(shù)、無線通信技術(shù)和能量提取技術(shù)整合起來,，在已有系統(tǒng)上增加一個帶太陽能電池和能量存儲電路的額外堆疊層,，這樣就能構(gòu)成一套完全獨立的生物電信號采集方案。
無線生物電子通信系統(tǒng)今后將大大提高人們的生活品質(zhì),。要想實現(xiàn)這一理想,，就要開發(fā)出由小型智能傳感器節(jié)點組成的體域網(wǎng)(body-area networks, BAN)。傳感器節(jié)點用于收集人體的重要信息,，然后將信息送給一個中心智能節(jié)點,，再由這個智能節(jié)點通過無線通信方式將信息發(fā)送給基站。借助基于3-D堆疊的(System-in-a-cube,SiC)集成技術(shù)可設(shè)計實現(xiàn)這些傳感器節(jié)點,。
用于構(gòu)成體域網(wǎng)的小型低功耗傳感器/激勵器節(jié)點必須具備足夠的計算能力和無線通信能力,，并應(yīng)將天線集成在內(nèi)。每一個節(jié)點的智能程度都必須能夠使其完成分配給它的任務(wù),，例如數(shù)據(jù)存儲和促進(jìn)算法實現(xiàn),，甚至完成復(fù)雜的非線性數(shù)據(jù)分析。此外,，它們還應(yīng)能與穿戴在身上的其他傳感器節(jié)點或中心節(jié)點通信,。而中心節(jié)點則通過諸如無線局域網(wǎng)或蜂窩電話網(wǎng)之類的標(biāo)準(zhǔn)電訊設(shè)施與外界通信。這樣一個BAN就能為個人提供服務(wù),，包括慢性病的監(jiān)督處理,、醫(yī)學(xué)診斷、家庭監(jiān)護,、生物測定,，以及運動和健康跟蹤。
IMEC公司最近獲得了技術(shù)上的突破,，開發(fā)出一個體積只有1cm3的小型三維堆疊式SiC系統(tǒng),。首個3-D堆疊原型中包括一個商用每秒8百萬指令的低功耗微控制器、一個2.4GHz的無線收發(fā)器,、幾個晶振和其他一些必要的無源器件,，還有一個由用戶設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)的單極天線。其中,，微控制器和無線收發(fā)器都采用了最先進(jìn)的節(jié)能技術(shù),。而系統(tǒng)的高集成度是通過一種叫做“3-D堆疊”的技術(shù)，將功能不同的多層沿Z軸堆疊起來實現(xiàn)的,。每一層通過雙列微距焊球與鄰層連接,。
采用這種通用的堆疊技術(shù)就能實現(xiàn)任何一種模塊組合。這種低功耗3-D SiC系統(tǒng)可以用于多種無線產(chǎn)品中,，從人體信息(腦活動,、肌肉活動和心跳)監(jiān)控到環(huán)境數(shù)據(jù)(溫度,、壓力和濕度)監(jiān)控，最終用來構(gòu)成BAN,。由于其獨特的堆疊特性,，這種技術(shù)甚至能夠?qū)⒁粋€特定的傳感器集成到單獨的一層中，構(gòu)成一個專用的立方傳感器模塊,。
開發(fā)SiC是IMEC公司Human++計劃的一部分,，預(yù)想的是將多個類似的SiC傳感器節(jié)點聯(lián)合起來構(gòu)成一個BAN。Human++計劃結(jié)合了無線通信技術(shù),、封裝技術(shù),、能源提取技術(shù)和低功耗設(shè)計技術(shù)，目的是開發(fā)出能夠提升人們生活品質(zhì)的器件,。
能否成功實現(xiàn)這種BAN,，有賴于我們對現(xiàn)有器件的能力的擴展程度。因此,，首先必需掃除醫(yī)學(xué)和技術(shù)上的幾個障礙,。其一，如今使用的依賴電池供電的設(shè)備壽命有限,，必需設(shè)法延長其使用壽命,。第二，還應(yīng)放大傳感器和激勵器之間的相互作用,，以便適應(yīng)多生理參數(shù)測定之類的新應(yīng)用的需要,。第三，器件應(yīng)具備一定的智能,，能夠存儲,、處理和傳輸數(shù)據(jù)。此外,，還必需擴展器件的功能,，使其能夠進(jìn)行化學(xué)和生物學(xué)測量。最后,，對醫(yī)學(xué)現(xiàn)象也應(yīng)有一個徹底的認(rèn)識,。
豐富的經(jīng)驗和專有技術(shù)使得IMEC在多個技術(shù)領(lǐng)域取得了新的突破，這就為應(yīng)對這樣的挑戰(zhàn)創(chuàng)造了機會,。半導(dǎo)體定標(biāo)技術(shù)催生了尺寸更小功耗更低的電子設(shè)備,，從而使開發(fā)功能更強大的治療和診斷器件成為可能。
隨著微系統(tǒng)技術(shù),，尤其是微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)的發(fā)展，兼具電子和機械特性的器件產(chǎn)生了,。MEMS技術(shù)的第一個應(yīng)用就是用來開發(fā)為自主醫(yī)學(xué)系統(tǒng)供電的取能器,，例如基于熱能到電能轉(zhuǎn)換的取能器,，能夠利用體熱產(chǎn)生微能量。這種能量的來源是源源不絕的,，因此系統(tǒng)可以一直保持工作狀態(tài),，而且壽命幾乎無限長。但問題在于如何證明這種器件能夠從人體中提取足夠的能量(即至少100毫瓦)來支撐未來系統(tǒng)的運轉(zhuǎn),。MEMS技術(shù)另一個可能的應(yīng)用場合就是用于傳感器和激勵器系統(tǒng),，這些系統(tǒng)用來提供與外界以及與其周圍的混合信號電路的接口。最后,，利用MEMS技術(shù)還能夠開發(fā)出可用于超低功耗(ULP)射頻收發(fā)機的新元件(例如諧振器),。ULP射頻設(shè)備可用于在傳感器節(jié)點和穿戴式中心節(jié)點間進(jìn)行通信，平均功耗50μW,。
由于使用了新的封裝技術(shù),，大量不同種類的復(fù)雜系統(tǒng)(例如流體生物傳感器、射頻收發(fā)機,、微處理器和電池)得以集成到一個很小的器件中,，從而使移動式無線醫(yī)療器件的穿戴更加簡便。
納米技術(shù)則使得利用小型互連器件,，實現(xiàn)如細(xì)胞,、抗體或DNA等身體的生物系統(tǒng)之間的直接相互作用成為可能。新的生物傳感器和移植都可能用到這種技術(shù),。
如果能夠開發(fā)出低功耗的處理器結(jié)構(gòu),，又會進(jìn)一步增大傳感器節(jié)點的智能程度，使傳感器自己就能進(jìn)行更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理,。這就要求我們設(shè)計出能夠運行生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的ULP處理器結(jié)構(gòu)(專用指令集處理器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲器結(jié)構(gòu)),，如今的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用一般要求在非優(yōu)化的處理器上每秒能夠運行2千萬到10億次操作。
最后,，采用新的設(shè)計技術(shù)就能有效地對以上應(yīng)用進(jìn)行建模,、仿真和設(shè)計。
盡管人類穿戴BAN這一夢想最早在2010年才能變成現(xiàn)實,，但現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一些與之相關(guān)的技術(shù),，其中最有名的就是它在生物電子學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用。生物電子學(xué)是一個包含無限機遇的領(lǐng)域,。生物(或生化)反應(yīng)與電子信號檢測與放大相結(jié)合,，就產(chǎn)生了新的激動人心的生物電子診斷學(xué)。與此類似,，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和計算機芯片在微電平上的連接,，也能開發(fā)出藥理傳感器，甚至設(shè)計出用于醫(yī)學(xué)和技術(shù)應(yīng)用的神經(jīng)電處理器,。
人體信息監(jiān)控是另一個新興的領(lǐng)域,，如開發(fā)無線腦電圖(EEG)監(jiān)控設(shè)備來診斷癲癇病人,。采用可穿戴的無線EEG能夠極大地改善病人的活動自由，并最終通過因特網(wǎng)實現(xiàn)家庭監(jiān)護,。這樣的無線EEG系統(tǒng)已經(jīng)有了,，但如何將他們的體積縮小到病人可接受的程度還是一個不小的挑戰(zhàn)。
采用IMEC的SiC技術(shù)就能將無線EEG系統(tǒng)集成到一個體積僅1 cm3的器件中,。這樣,，病人就能穿著十分舒適的無線EEG設(shè)備做腦電圖了。IMEC今后的開發(fā)重點是進(jìn)一步縮小集成后的EEG系統(tǒng)體積,，以及將其低功耗處理技術(shù),、無線通信技術(shù)和能量提取技術(shù)整合起來。在已有系統(tǒng)上增加一個帶太陽能電池和能量存儲電路的額外堆疊層,，也許這樣就能構(gòu)成一套完全獨立的解決方案,。
