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,；對于可穿戴式醫(yī)療儀器，要求便于佩戴,；對于植入式醫(yī)療儀器,、仿生器官,，要求體積更小，以適合植入人體,，不給使用者帶來不適,、增加痛苦，不產(chǎn)生組織損傷,。因此,，無論哪種類型的應(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，由于生理信號通常頻率很低,，因此設(shè)計和實現(xiàn)高性能的低截止頻率濾波器對于模擬集成電路的設(shè)計也是極大的挑戰(zhàn)^[1],。此外，無論是便攜式,、穿戴式還是植入式的形式,，所面對具體的應(yīng)用環(huán)境都相對復(fù)雜，生理信號頻率,、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)計階段進行全面的預(yù)先考慮,，并且很多情況在仿真階段無法完全真實地模擬,，因此存在最終測試結(jié)果與仿真結(jié)果差別較大的風(fēng)險，這給醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路設(shè)計增加了不確定性,。

    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)計主要是面向頻率很低的生理信號采集和處理，或?qū)崿F(xiàn),、輔助實現(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，實現(xiàn)預(yù)期的功能,，為人類健康服務(wù),。與此同時，將集成電路滲透入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的方方面面,，需要面對不斷出現(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。

1 醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路的新進展

    集成電路在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛,，分類角度也有很多,，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)字信號處理,、算法實現(xiàn),、無線通信等等；在具體應(yīng)用環(huán)境上,，包括穿戴式,、便攜式、植入式,；在處理信號的類型上,，包括模擬信號、數(shù)字信號,。

    本文將根據(jù)集成電路的實際工作環(huán)境,，對醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路的最新研究進展進行分析。需要說明的是,，雖然目前多數(shù)以集成電路為核心部件實現(xiàn)的仿生器官也是植入式應(yīng)用,，但是它主要的作用是實現(xiàn)或輔助實現(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,，主要是輔助簡化原本復(fù)雜的檢測過程或設(shè)備，或者實現(xiàn)原本體積大,、功耗高,、應(yīng)用場合受限的儀器的關(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,。

    呼吸機相關(guān)性肺炎(VAP)快速檢測是典型的利用集成電路將復(fù)雜的檢測過程簡單化的例子。呼吸機相關(guān)性肺炎(VAP)是指機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)檢測過程是：胸部X光,，抽血,，痰培養(yǎng),，然后基于醫(yī)生的經(jīng)驗,，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)護室(ICU)中甚至更高。救治的最佳時間在早期,。因此,，研發(fā)快速檢測設(shè)備成為爭取救治時間、降低死亡率的關(guān)鍵,。

    有護理人員發(fā)現(xiàn),，當(dāng)感染了肺炎后，患者會呼出有明顯氣味的氣體,，因此,，研究者基于這個現(xiàn)象，利用患者的呼出氣體進行肺炎的檢測^[3-4],。雖然基于氣味的肺炎檢測在理論上更簡單,，但是傳統(tǒng)的氣體分析方法需要在實驗室里用色譜-質(zhì)譜分析儀或傅里葉紅外分光計對氣體樣品進行檢測。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,?；诤舫鰵怏w分析的VAP快速檢測儀的示意圖如圖1(b)所示，這將使實時監(jiān)測和快速檢測VAP成為可能,，從而極大降低死亡率,，特別是ICU中。

    文獻[2]研發(fā)了一種用于快速檢測VAP的芯片,，采用90 nm CMOS工藝,，芯片上集成了8個傳感器、自適應(yīng)接口,、逐次逼近型（SAR）ADC,，連續(xù)受限玻爾茲曼機的學(xué)習(xí)內(nèi)核，以及帶有SRAM的精簡指令集計算機核,，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檢測系統(tǒng),，在對76名感染者和41名未感染者的測試結(jié)果表明,，系統(tǒng)分辨是否感染的準(zhǔn)確率可以達到94.06%，在感染者里分辨相關(guān)微生物的準(zhǔn)確率可以達到100%,，為VAP的快速檢測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時、非侵入式身體監(jiān)測和成像手段,，根據(jù)超聲回波的傳播時間,，可以很快計算和呈現(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,，限制了它在很多場合的使用^[5-6],。例如，在需要即時診斷的情況下,，手持超聲設(shè)備具有很大優(yōu)勢,。目前它的應(yīng)用已經(jīng)擴展到了在救護車、戰(zhàn)場、急診室等環(huán)境中的疾病,、內(nèi)部損傷,、血液動力學(xué)等的即時診斷。

    文獻[5]提出了一個新的用于即時檢測的便攜式超聲系統(tǒng)的片上解決方案,。芯片包括所有的信號處理模塊和基于硬件的成像方法設(shè)計的高效結(jié)構(gòu),，每秒可進行168億次浮點運算，具有1.21千萬個邏輯門,，相當(dāng)于一個奔騰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,。基于這個芯片,，實現(xiàn)了一個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,，實驗表明,，系統(tǒng)可以為即時檢測提供恰當(dāng)質(zhì)量的成像結(jié)果。

    文獻[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，用專用芯片和壓電轉(zhuǎn)換器陣列傳遞和捕捉二維圖像,，可通過檢測人體的脂肪層和肌肉厚度,，監(jiān)測人體健康及健身狀況。芯片采用0.18 μm CMOS工藝,，包括7個相同的通道,，每個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電壓來提供32 V脈沖驅(qū)動壓給電轉(zhuǎn)換器陣列,。經(jīng)過一系列基于模型及人體的在體測試以驗證系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)的工作頻率可達40 MHz,，測量敏感度為225 nV/Pa,，數(shù)據(jù)獲取時間為21.3 ms，可以成像深入至人體組織5 cm,，每個脈沖回聲只消耗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,，不僅方便了更多場合的使用，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,，貫穿于生理信號的采集與前端處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換,，數(shù)字信號處理等各個過程,，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)計與實現(xiàn),。它關(guān)注的焦點主要是生物電信號,、脈搏波、呼吸等適合可穿戴式測量的信號,。再基于對這些信號的采集和處理,，監(jiān)測與其相關(guān)的重要參數(shù)或指標(biāo)，達到隨時了解健康狀況,、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為例，心電是人類重要的生命體征信號,，基于心電進行信號分析,、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家被公認(rèn)是首要的健康問題,。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,，得不到及時的救治,。因此，通過采集和處理心電信號,，實時監(jiān)測與心血管疾病相關(guān)的重要參數(shù),，及時對突發(fā)狀況進行處理，顯得尤為重要,。

    文獻[7]研發(fā)了用于QRS波探測的超低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,，適用于可穿戴式心電信號檢測。芯片的核心部分-事件驅(qū)動（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,。比較器采用三級結(jié)構(gòu),，第一級是軌對軌的差分放大器，第二級是增益級,，第三級是緩沖輸出級,，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,。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探測功能的轉(zhuǎn)換器。

    可穿戴式醫(yī)療儀器需要通過生理信號的采集與處理實現(xiàn)功能,，模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為模擬信號與數(shù)字信號的橋梁,，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,，這會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，給數(shù)據(jù)的進一步處理,、傳輸?shù)仍黾恿素?fù)擔(dān)^[8-9],。文獻[10]提出另外一種信號轉(zhuǎn)換的方法，即基于壓縮傳感理論(CS)實現(xiàn)的模擬到信息的轉(zhuǎn)換器(AIC)芯片,。CS理論把傳統(tǒng)信號處理過程中的采樣和壓縮合并,，先對信號非自適應(yīng)線性抽樣，再進行還原^[9],，它用信號攜帶的實際信息估計所需測量的次數(shù),，而與信號帶寬無關(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,，輸入信號首先以奈奎斯特速率被采樣和轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后用壓縮算法通過數(shù)字信號處理器進行處理,，原始信號可以通過解壓縮算法恢復(fù),。在CS方法中,，模擬信號首先被CS編碼器處理，然后被一個工作頻率比奈奎斯特頻率小的ADC采樣和轉(zhuǎn)換得到少量測量值,，最后用CS解碼器進行重建^[10],。

    目前，在生物醫(yī)學(xué)信號的處理中,，基于CS的解決方案,，利用集成電路實現(xiàn)的很少。文獻[10]報道的基于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16RMPI通道,，11位的SAR ADC，邏輯控制部分沒有放在芯片中,，而是用FPGA實現(xiàn),，以保證最大的自由度。在對真實心電和肌電信號的測試結(jié)果中顯示,，芯片可以較為理想的重建信號并且沒有明顯的損失,。

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，它對病人來說更加安全,、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[11]提出一個用于生物醫(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)共振補償發(fā)射端,，自動共振調(diào)節(jié)接收端,。系統(tǒng)不僅可以抵制耦合和負(fù)載的變化,，而且可以補償由于周圍環(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,，測量結(jié)果顯示,，與同樣功能的開環(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%,。這是第一個包括三個環(huán)路的感應(yīng)式能量傳輸系統(tǒng),，可以補償由于環(huán)境和電路引起的變化，并且改進從Tx驅(qū)動到Rx負(fù)載整體傳輸效率,。

    具體來說,，集成電路在植入式醫(yī)療中的一個重要應(yīng)用是神經(jīng)電記錄。目前,，在一塊神經(jīng)電信號記錄芯片內(nèi)已經(jīng)可以集成幾百個通道來同時監(jiān)測大腦中神經(jīng)元的活動,。腦機接口就是其中一個重要應(yīng)用，可以用于治療帕金森綜合癥,、幫助恢復(fù)運動功能以及進行神經(jīng)科學(xué)研究等,。通常情況下，傳感器部分植入體內(nèi),，用于測量動作電位（即spike信號）,，然后傳輸原始信號至外部進行處理，以減少感染的機會,，外部的處理單元會從動作電位中提取信息,，產(chǎn)生相應(yīng)的控制參數(shù)為仿生器官、義肢,、刺激器等形成一個閉環(huán)反饋,。在這類應(yīng)用中，對植入芯片的功耗具有嚴(yán)格要求,，以防止由于其散熱過多損壞周圍的人體組織,。

    文獻[12]提出了一種用于神經(jīng)電信號記錄系統(tǒng)中的低功耗、小體積的電流模動作電位檢測芯片,。這種設(shè)計方法能夠使數(shù)據(jù)大幅度壓縮,，有利于無線傳輸。電路用模擬模塊實現(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,，并在其后用低通濾波器估計和消除低頻干擾、估計動作電位的閾值,。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的動作電位信號時，動態(tài)功耗為7 nW,。此芯片為至今為止功耗最低的動作電位檢測芯片,。

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現(xiàn)其功能,，而通常不是監(jiān)測,、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。耳蝸的濾波特點使它能夠適應(yīng)寬動態(tài)范圍的聲音輸入,，并且完成高分辨率的頻率分解,。近年來，很多仿生系統(tǒng)采用濾波器模擬耳蝸的功能,。

    文獻[14]提出了一種用于電子耳蝸的9階濾波器,。濾波器由三個子濾波器共同得到頻率特性，如圖7所示,，包括一個2階帶通濾波器,，用于確定整個濾波器的中心頻率；一個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5階低通濾波器,，呈現(xiàn)陡峭的衰減,，達到300 dB/dec。

    通過改變偏置電流,，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,，微機電系統(tǒng)（MEMS）耳蝸傳感器越來越受到關(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源濾波器組,，后續(xù)仍然需要其他處理電路來共同實現(xiàn)耳蝸的功能,。文獻[14]提出的三級濾波器，包括一個帶通濾波器和兩個低通濾波器,，可以模擬出耳蝸的很多重要特性,，而MEMS耳蝸可以作為三級濾波結(jié)構(gòu)中的帶通濾波器，借助其機械濾波的特性,，來降低電路的功耗,，而隨后的兩級濾波器起到進一步處理信號的作用。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MEMS傳感器所節(jié)省的功耗,，所以讀出電路的低功耗設(shè)計尤為重要；讀出電路面對的另外一個挑戰(zhàn)是MEMS-CMOS界面的寄生電容引起的關(guān)鍵信號的破壞^[14],。

    文獻[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，從而可以達到與MEMS-CMOS接口寄生電容抵消的目的,。實驗結(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

    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,，也可以以此為依據(jù)分析醫(yī)學(xué)應(yīng)用集成電路未來的發(fā)展趨勢。

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

    其次,，許多研究者已經(jīng)開始引入MEMS技術(shù)實現(xiàn)傳感部件，使傳感器,、前端處理電路,、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理等越來越多的模塊可以集成于一塊硅片上,，真正的實現(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現(xiàn)，進一步降低其功耗,、體積,，擴展使用環(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)所實現(xiàn)的功能,，開始用算法理論指導(dǎo)硬件電路的設(shè)計，開發(fā)新的信號處理思路,，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)有團隊開始研究用集成電路實現(xiàn)低功耗的無線傳感節(jié)點^[16],，完成生理信號的處理、無線傳輸,、電源管理等功能,。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)雖然起源于軍事應(yīng)用，但是醫(yī)療作為其一項重要的新應(yīng)用，可以實現(xiàn)對病人各項生理數(shù)據(jù)的監(jiān)測,、跟蹤和對病人行動的監(jiān)控,，自動化巡房等，非常具有研究和實用價值,。因此,，集成電路將成為軀感網(wǎng)，無線傳感器網(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。

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文獻15-16略

作者信息：

李  嚴(yán)

（北京信息科技大學(xué),，北京100192）