下一代医疗可穿戴与植入技术

ISSCC 2016 / 论坛 / F6：电路、系统与数据处理 A 下一代可穿戴和植入式医疗设备

更长寿更健康：用于预防、治疗和护理的说服性可穿戴技术

克里斯·范胡夫，imec（比利时微电子研究中心）和鲁汶大学，比利时鲁汶

我们的预期寿命在不断提高，但如今，这实际上也带来了一个不利的后果：在我们生命中越来越长的时间内，我们将遭受一种或多种慢性疾病。可穿戴技术有望成为医疗护理和治疗周期中的核心技术，并真正实现预防功能，前提是这些设备能够产生医学级数据。不同的可穿戴技术适用于人生的不同阶段。对于慢性病患者而言，需要新的工具来改善风险分层、随访与管理，以监测疾病进展并预防复发。受益于可穿戴解决方案的重要应用场景包括充血性心力衰竭疾病追踪、睡眠呼吸暂停检测、高血压管理，以及已广泛使用的心脏节律分析可穿戴设备。新兴技术如智能隐形眼镜，不仅有望为所有老花眼患者提供解决方案，还可作为泪液分析平台（例如用于糖尿病管理）。创造和使用有助于人们采用健康生活方式的可穿戴设备，蕴含着巨大的机遇。健身追踪器是最著名的例子，但监测习惯的可穿戴设备也可以辅助戒烟、压力管理，从而真正发挥预防效果，并作为虚拟教练和终身伴侣，帮助人们实现更健康的生活。除了开发可被所有人接受的无缝可穿戴技术外，真正个性化的算法也是将数据转化为知识的关键推动力。

闭环与情境感知治疗性植入物

米歇尔·德克雷，美敦力埃因霍温设计中心，荷兰埃因霍温

治疗性植入物的下一次革新——实现闭环并具备情境感知能力——正在迈向首批应用。心脏植入物早已具备多种传感模式，并利用算法根据患者所处情境调整起搏。神经调节植入物也正在兴起：除了显而易见的感官恢复疗法类别外，大多数功能性神经调节疗法都需要感官输入，而情境感知能力可提高疗效和患者体验。现有的缓解疾病症状的疗法（例如帕金森病）将获得更高的柔韧性和适应性。除回顾前沿技术外，我们还将涵盖以下主题：

a) 确定有意义的生物标志物所需的使能技术、数据科学和临床输入之间的关键动态关系，以及成功应用于神经假体和神经疾病治疗植入物的算法。
b) 基于情境的测量所呈现的治疗机遇，探索多感官模式的价值。
c) 医疗应用的特定技术要求。
d) 面向未来几代的系统架构和技术要求。

理解信号：用于医疗传感器信号数据驱动分析的算法与平台

纳文·维尔马，普林斯顿大学，新泽西州普林斯顿

数据驱动医学正在改变医疗保健的提供、管理和进步方式。为了让患者随身平台也能融入并受益于这一变革，数据驱动医学的方法必须扩展到这些平台上。这一点尤为关键，因为此类平台未来可能成为最具信息价值的数据来源。用于信号分析的数据驱动方法具有显著优势，尤其是在进行可靠推断方面，以及在考虑如何利用从医院和其他临床环境中获取的数据所衍生出的 vast 知识库时。本次演讲将探讨数据驱动方法，这些方法利用了机器学习领域的强大算法工具，特别是从这些方法在资源受限的患者随身平台中的实现角度出发。这使得构建关键功能能力成为可能，以及用于信号分析的患者定制和患者自适应模型的应用；但同样令人关注的是提高平台本身鲁棒性和能效的机遇。这些机遇包括在模拟前端的放宽、增强对数字计算中错误的恢复能力，以及通过数据编码减少内存访问。

家用传感器作为大幅降低临床研究成本的手段

何塞·博尔霍克斯，Skulpt，加利福尼亚州旧金山

仅美国每年在医学研究上的投入就超过950亿美元。平均而言，将一种新药推向市场耗资超过25亿美元。造成这些高昂成本的一个主要原因是候选疗法进入临床试验阶段后的高失败率。通过改进临床试验设计，更早地根据疗效对药物进行筛选，将大大缩短时间并降低成本，从而降低新发现的门槛。近年来，低成本、侵入性更小且可在家庭环境中使用的传感器趋势，将在提高临床研究效率方面发挥重要作用。本次演讲将阐述这些传感器可能产生的影响，以及实现其在临床研究中广泛应用所需满足的条件。

由柔性压电能量收集驱动的自供电可植入生物医学电子器件

李建宰，韩国科学技术院，大田，韩国

可植入生物医学电子设备因其在改善患者健康和生活质量方面的潜力而受到广泛关注。然而，由于植入式电池的寿命有限，每隔几年就需要进行更换手术。这些手术可能带来感染和出血等健康风险。一种颇具吸引力的方法是在人体内采用自供电系统，以实现可植入电子器件的可持续运行。在过去七年中，我们一直在开发自供电生物植入物，将心脏/肺部运动以及肌肉收缩/放松等生物力学运动转化为电能。柔性压电能量收集器是极具前景的候选方案，因其纤薄、轻量和柔韧特性，能够通过与人体器官的贴合性安置，从器官微小的运动和形变中产生电能。我们最近利用高性能无机压电材料的研究，有望显著拓展柔性收集装置的应用，实现自供电心脏起搏器和深部脑刺激，通过直接刺激肌肉/神经来引发人工智能心跳和行为改变。

医疗植入设备和产品的微型化

埃里克·周，赛博罗尼克斯，休斯顿，德克萨斯州

近年来，医疗设备领域的技术进步极大地缩小了心脏节律管理和神经调节等应用的设备尺寸。在功率优化、电池开发和无线技术方面的进步，推动了这些有源植入式医疗设备的小型化。无线技术还实现了电池的微型化，甚至在某些情况下消除了对电池的需求。已探索的远程供电方案包括远场射频、中场、近场感应、共振和声学技术。尺寸的减小也催生了新一代无导线植入产品的开发，这些产品具有显著优势，包括磁共振成像兼容性和最小化的手术侵入性。

用于生物和生理监测的超低功耗无线系统

艾莉森·伯德特，Toumaz集团，牛津，英国

可穿戴和植入式医疗设备的一个关键要求是以稳健、可靠且安全的方式从设备中提取数据（例如，生物和生理数据）。本次演讲将聚焦于数据传输的无线通信方法，这些方法能够在超低功耗约束下实现稳健且安全的数据传输。将概述关键无线系统参数（例如数据速率、延迟、范围），并讨论这些参数在不同应用场景中的相对重要性，包括以睡眠功耗为主的低数据速率通信，以及用于实时原始数据监测的高数据速率/低延迟上行链路。将介绍应对这些权衡的新兴无线协议、架构和电路实现。

用于电疗药物的可植入神经技术：集成微/纳米、超大规模集成电路、数据/电源和系统

尼提什·塔科尔，SINAPSE研究所，新加坡；约翰斯·霍普金斯大学，马里兰州巴尔的摩

植入式技术将在构建神经接口以及针对皮层和周围神经系统疾病及损伤的诊断和治疗方案中发挥重要作用。“电疗”疗法旨在与周围、感觉、运动以及内脏神经进行交互，以恢复肢体功能或治疗诸如血压、免疫紊乱、膀胱和心脏功能、癫痫和抑郁症等疾病。建立一个全面的技术体系，并实现集成的系统级解决方案至关重要。这些技术包括纳米/微米电极、超大规模集成电路（VLSI）电路、天线以及用于数据和电力传输的手段，最终实现在密封系统中的全系统集成。极小的尺寸、对柔韧性、生物相容性和绝缘性的要求带来了进一步的挑战。本次演讲将介绍前沿技术进展，包括我们的研究工作在外周和内脏神经接口方面。我们的设计包括采用新型材料、超低噪声集成电路以及新型数据/电力传输方法的多种纳米/微米柔性电极。随后将在合适的啮齿类动物和非人灵长类模型中进行研究，并探讨这些技术向人类应用转化的潜力与挑战。成功的关键要素将是跨学科合作与系统集成，需要开展大规模的跨学科协作研究。