人體植入式電子系統(tǒng)項(xiàng)目申請(qǐng)書

1、青島市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目青島市基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目申申 請(qǐng)請(qǐng) 書書人體植入式電子系統(tǒng)立項(xiàng)背景 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，電子醫(yī)療產(chǎn)品已經(jīng)逐步得到許多醫(yī)生與患者的親睞。作為一種埋置在體內(nèi)的電子設(shè)備，主要用來診斷、治療某些疾病，長期監(jiān)測體內(nèi)生理生化參數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)在生命體自然狀態(tài)下的直接測量和控制，也可用來代替某些功能已喪失的器官。植入式電子設(shè)備將是21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)電子發(fā)展的一個(gè)重要的方向。立項(xiàng)背景 全世界植入式醫(yī)療研究結(jié)果證明了植入式醫(yī)療時(shí)代即將到來。 澳大利亞失明人士戴安-亞施沃斯植入仿生眼恢復(fù)部分視力，這標(biāo)志著科學(xué)家已經(jīng)向成功幫助視障人士重新開始獨(dú)立生活又邁進(jìn)了一大步。亞施沃斯因患遺傳性視網(wǎng)膜色素變性視力嚴(yán)重受

2、損，5月她在皇家維多利亞眼耳醫(yī)院植入一個(gè)仿生眼原型。植入仿生眼恢復(fù)視力立項(xiàng)背景 人體植入式醫(yī)療電子設(shè)備應(yīng)用廣泛，市場需求量巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2015年全球?qū)χ踩胧诫娮釉O(shè)備核心部件的需求將達(dá)會(huì)到1億顆，年增長率將達(dá)到10%。而人體無線能源傳輸是人體植入設(shè)備發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。 目前，各國學(xué)者正在研究基于非接觸式電能傳輸技術(shù)新的能量供應(yīng)系統(tǒng)，透過皮膚傳輸給體內(nèi)植入設(shè)備。研究意義 人體植入設(shè)備面臨著諸多問題，傳統(tǒng)的供電方式存在明顯的缺陷與不足，如：植入式電池電能耗盡，需要二次手術(shù)更換體內(nèi)的電子設(shè)備，給病人帶來肉體與精神上的痛苦，以及不菲的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。同時(shí)，導(dǎo)線穿透皮膚供電存在著系統(tǒng)開放的缺點(diǎn)。研究意義 各國

3、學(xué)者研究的基于非接觸式電能傳輸技術(shù)，利用原、副邊沒有物理及電氣接觸的非接觸變壓器作為功率傳輸?shù)年P(guān)鍵環(huán)節(jié)，運(yùn)用電磁感應(yīng)將體外的電能以磁場為載體進(jìn)行供能。這種供電技術(shù)不會(huì)損傷皮膚，避免感染，減少治療痛苦，可大大提高和改善病人的生活質(zhì)量。 如今，無線能源傳輸市場龐大、需求迫切、機(jī)遇難得，但值得我們深思的是主要核心關(guān)鍵技術(shù)在國外機(jī)構(gòu)中，因此，迫切需要通過國際合作，掌握核心技術(shù)。研究內(nèi)容 研究射頻電路的設(shè)計(jì)技術(shù) 由于植入式系統(tǒng)大多分為體內(nèi)和體外兩部分，之間的通信一般采用射頻電路來實(shí)現(xiàn)。在植入式系統(tǒng)中可以采用一種無頻率綜合器的無線收發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)，體內(nèi)的無線收發(fā)部分采用FSK調(diào)制與OOK解調(diào)的方式，這樣就

4、在電路設(shè)計(jì)的高層次階段保證整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)低功耗的可能。研究內(nèi)容 研究能量供給技術(shù) 在人體植入式傳輸系統(tǒng)中，能量的供給單元是系統(tǒng)的核心部分，是確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的必要前提條件，目前在植入式傳輸系統(tǒng)中大量采用的供能方式主要有：植入式電池；射頻供能。外國學(xué)者正在研究基于非接觸式電能傳輸技術(shù)的新的能量供應(yīng)系統(tǒng)，無線充電系統(tǒng)正在代替原始的供電方式。研究內(nèi)容 醫(yī)療植入式刺激裝置無線充電系統(tǒng)的模型主要由體外和體內(nèi)兩部分組成。體外部分包括電源模塊、高頻逆變驅(qū)動(dòng)模塊和松耦合變壓器的初級(jí)線圈； 體內(nèi)部分包括次級(jí)線圈、整流濾波模塊、穩(wěn)壓電源模塊、電源管理模塊和可充電電池。無線充電系統(tǒng)模型研究內(nèi)容 生物信號(hào)的處理技術(shù)

5、 生物信號(hào)都是微弱信號(hào)，而且往往存在著相對(duì)強(qiáng)大的背景噪音。植入式微傳感器探測到的生物信號(hào)中必然含有噪聲和干擾信號(hào)，為了準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、安全、高效地獲得有效的微弱生物信號(hào)，植入式傳感器信號(hào)處理電路首先要解決的問題是消除傳感器信號(hào)中的噪聲和干擾。 研究內(nèi)容 微傳感器的設(shè)計(jì)技術(shù) 微傳感器是連接生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)的橋梁?，F(xiàn)在的研究方向?yàn)椋豪脽o機(jī)物和有機(jī)物結(jié)合的生物醫(yī)學(xué)傳感器，它充分汲取了有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)，比如基于神經(jīng)細(xì)胞的生物傳感器、酶傳感器、免疫傳感器以及微生物傳感器；還有一些新的前沿的微電子技術(shù)的引入，比如納米技術(shù)與微電子機(jī)械技術(shù)等應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)傳感器。預(yù)期目標(biāo) 引進(jìn)消化吸收國外在植入式電子系統(tǒng)方面的專利

6、技術(shù)和理論成果、核心器件設(shè)計(jì)方案、理論模型、裝置設(shè)計(jì)制作工藝等關(guān)鍵技術(shù)。成功開發(fā)人體植入式電子設(shè)備無線傳能系統(tǒng)。在引進(jìn)國外發(fā)明的無線傳能單元的基礎(chǔ)上，根據(jù)人體電磁物理場模型，對(duì)植入天線、電極形態(tài)、集成電路、智能控制系統(tǒng)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使之更加適合于體內(nèi)環(huán)境，解決實(shí)用化遇到的體積、效率、安全三大問題，實(shí)現(xiàn)小型化、高效化、安全化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。預(yù)期目標(biāo) 對(duì)微弱信號(hào)的處理關(guān)鍵是設(shè)計(jì)低噪聲、低功耗的前置放大電路和帶通濾波器。在分析已有斬波型低噪聲放大器設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上,提出了一種新型的高頻紋波抑制策略,并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的放大器；基于對(duì)電容耦合技術(shù)、正反饋輸入阻抗提高技術(shù)的研究,提出一種同時(shí)采用斬波、自調(diào)零技術(shù)的

7、低功耗高輸入阻抗電容耦合放大器的設(shè)計(jì)方案并予以實(shí)現(xiàn)。 預(yù)期目標(biāo) 目前，國際上尚沒有完整的人體電磁物理場模型。希望根據(jù)國內(nèi)外在人體電磁特性等方面開展了20多年的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)合人體傳能的應(yīng)用需求，建立完備、系統(tǒng)的人體電磁物理場模型和數(shù)值計(jì)算模型，為植入式可充電電子器件設(shè)計(jì)提供計(jì)算模型、電磁仿真理論和計(jì)算工具，填補(bǔ)國際空白。研究方案 本次課題理論研究是建立系統(tǒng)理論模型分析，基于幾個(gè)典型的植入式電子系統(tǒng)，從體內(nèi)和體外，以及硬件方面進(jìn)行分析，總結(jié)出系統(tǒng)的工作原理。從理論模型到試驗(yàn)研究,對(duì)系統(tǒng)的電磁耦合關(guān)系(通信距離和耦合系數(shù)、位置容差和諧振頻率的關(guān)系)進(jìn)行了深入研究。研究方案 接下來是研究能量

8、供給技術(shù)，重點(diǎn)研究無線電能單元，研究人體無線電能單元的新結(jié)構(gòu)和模式，應(yīng)用薄膠片技術(shù)構(gòu) 建無線傳能單元并使用網(wǎng)絡(luò)分析器等精密儀器對(duì)無線電能單元進(jìn)行測試和評(píng)估。 最后是微傳感器的設(shè)計(jì)技術(shù)，研究目前最值得關(guān)注的發(fā)展方向，可大致概括如下： 1）以無機(jī)物為材料的生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究 2）利用無機(jī)物和有機(jī)物相結(jié)合的生物醫(yī)學(xué)傳感器研究基礎(chǔ)v 學(xué)校優(yōu)勢v 技術(shù)支持學(xué)校優(yōu)勢 中國海洋大學(xué)信息學(xué)院是海洋信息技術(shù)教育部工程中心。主持海洋電磁場、聲場方面的973、863、國家重點(diǎn)基金、國際合作項(xiàng)目等30余項(xiàng)。開展了基于電磁耦合的無線能量傳輸技術(shù)研究，申請(qǐng)專利1項(xiàng)。 學(xué)科交叉優(yōu)勢：由于人體組織70%是水，海大團(tuán)隊(duì)在水下電磁場理論、水下通信技術(shù)等方面開展了近十年的研究，擁有20多項(xiàng)相關(guān)專利（包括6項(xiàng)發(fā)明專利）。 技術(shù)支持 隨著醫(yī)療電子設(shè)備尺寸的逐步縮小，電子技術(shù)也發(fā)生了一系列變化。 一是傳感器、MEMS、光學(xué)等基礎(chǔ)元件體積在不斷縮小，可靠性也在不斷地提高; 二是高性能、低功耗的集成電路發(fā)展，未來在醫(yī)療電子設(shè)備中將應(yīng)用高速度、大容量的芯片，器件數(shù)量將大大降低; 技術(shù)支