人体植入式电子系统项目申请书

1、青岛市基础研究计划项目青岛市基础研究计划项目申申 请请 书书人体植入式电子系统立项背景 在医学领域，电子医疗产品已经逐步得到许多医生与患者的亲睐。作为一种埋置在体内的电子设备，主要用来诊断、治疗某些疾病，长期监测体内生理生化参数的变化，实现在生命体自然状态下的直接测量和控制，也可用来代替某些功能已丧失的器官。植入式电子设备将是21世纪生物医学电子发展的一个重要的方向。立项背景 全世界植入式医疗研究结果证明了植入式医疗时代即将到来。 澳大利亚失明人士戴安-亚施沃斯植入仿生眼恢复部分视力，这标志着科学家已经向成功帮助视障人士重新开始独立生活又迈进了一大步。亚施沃斯因患遗传性视网膜色素变性视力严重受

2、损，5月她在皇家维多利亚眼耳医院植入一个仿生眼原型。植入仿生眼恢复视力立项背景 人体植入式医疗电子设备应用广泛，市场需求量巨大。据统计，到2015年全球对植入式电子设备核心部件的需求将达会到1亿颗，年增长率将达到10%。而人体无线能源传输是人体植入设备发展的重点领域。 目前，各国学者正在研究基于非接触式电能传输技术新的能量供应系统，透过皮肤传输给体内植入设备。研究意义 人体植入设备面临着诸多问题，传统的供电方式存在明显的缺陷与不足，如：植入式电池电能耗尽，需要二次手术更换体内的电子设备，给病人带来肉体与精神上的痛苦，以及不菲的经济负担。同时，导线穿透皮肤供电存在着系统开放的缺点。研究意义 各国

3、学者研究的基于非接触式电能传输技术，利用原、副边没有物理及电气接触的非接触变压器作为功率传输的关键环节，运用电磁感应将体外的电能以磁场为载体进行供能。这种供电技术不会损伤皮肤，避免感染，减少治疗痛苦，可大大提高和改善病人的生活质量。 如今，无线能源传输市场庞大、需求迫切、机遇难得，但值得我们深思的是主要核心关键技术在国外机构中，因此，迫切需要通过国际合作，掌握核心技术。研究内容 研究射频电路的设计技术 由于植入式系统大多分为体内和体外两部分，之间的通信一般采用射频电路来实现。在植入式系统中可以采用一种无频率综合器的无线收发器的电路结构，体内的无线收发部分采用FSK调制与OOK解调的方式，这样就

4、在电路设计的高层次阶段保证整个电路实现低功耗的可能。研究内容 研究能量供给技术 在人体植入式传输系统中，能量的供给单元是系统的核心部分，是确保系统长期稳定工作的必要前提条件，目前在植入式传输系统中大量采用的供能方式主要有：植入式电池；射频供能。外国学者正在研究基于非接触式电能传输技术的新的能量供应系统，无线充电系统正在代替原始的供电方式。研究内容 医疗植入式刺激装置无线充电系统的模型主要由体外和体内两部分组成。体外部分包括电源模块、高频逆变驱动模块和松耦合变压器的初级线圈； 体内部分包括次级线圈、整流滤波模块、稳压电源模块、电源管理模块和可充电电池。无线充电系统模型研究内容 生物信号的处理技术

5、 生物信号都是微弱信号，而且往往存在着相对强大的背景噪音。植入式微传感器探测到的生物信号中必然含有噪声和干扰信号，为了准确、实时、安全、高效地获得有效的微弱生物信号，植入式传感器信号处理电路首先要解决的问题是消除传感器信号中的噪声和干扰。 研究内容 微传感器的设计技术 微传感器是连接生物医学和电子学的桥梁。现在的研究方向为：利用无机物和有机物结合的生物医学传感器，它充分汲取了有机物的优点，比如基于神经细胞的生物传感器、酶传感器、免疫传感器以及微生物传感器；还有一些新的前沿的微电子技术的引入，比如纳米技术与微电子机械技术等应用于生物医学传感器。预期目标 引进消化吸收国外在植入式电子系统方面的专利

6、技术和理论成果、核心器件设计方案、理论模型、装置设计制作工艺等关键技术。成功开发人体植入式电子设备无线传能系统。在引进国外发明的无线传能单元的基础上，根据人体电磁物理场模型，对植入天线、电极形态、集成电路、智能控制系统等进行优化设计，使之更加适合于体内环境，解决实用化遇到的体积、效率、安全三大问题，实现小型化、高效化、安全化的设计目标。预期目标 对微弱信号的处理关键是设计低噪声、低功耗的前置放大电路和带通滤波器。在分析已有斩波型低噪声放大器设计方法基础上,提出了一种新型的高频纹波抑制策略,并设计出相应的放大器；基于对电容耦合技术、正反馈输入阻抗提高技术的研究,提出一种同时采用斩波、自调零技术的

7、低功耗高输入阻抗电容耦合放大器的设计方案并予以实现。 预期目标 目前，国际上尚没有完整的人体电磁物理场模型。希望根据国内外在人体电磁特性等方面开展了20多年的理论研究和实验验证，结合人体传能的应用需求，建立完备、系统的人体电磁物理场模型和数值计算模型，为植入式可充电电子器件设计提供计算模型、电磁仿真理论和计算工具，填补国际空白。研究方案 本次课题理论研究是建立系统理论模型分析，基于几个典型的植入式电子系统，从体内和体外，以及硬件方面进行分析，总结出系统的工作原理。从理论模型到试验研究,对系统的电磁耦合关系(通信距离和耦合系数、位置容差和谐振频率的关系)进行了深入研究。研究方案 接下来是研究能量

8、供给技术，重点研究无线电能单元，研究人体无线电能单元的新结构和模式，应用薄胶片技术构 建无线传能单元并使用网络分析器等精密仪器对无线电能单元进行测试和评估。 最后是微传感器的设计技术，研究目前最值得关注的发展方向，可大致概括如下： 1）以无机物为材料的生物医学传感器的研究 2）利用无机物和有机物相结合的生物医学传感器研究基础v 学校优势v 技术支持学校优势 中国海洋大学信息学院是海洋信息技术教育部工程中心。主持海洋电磁场、声场方面的973、863、国家重点基金、国际合作项目等30余项。开展了基于电磁耦合的无线能量传输技术研究，申请专利1项。 学科交叉优势：由于人体组织70%是水，海大团队在水下电磁场理论、水下通信技术等方面开展了近十年的研究，拥有20多项相关专利（包括6项发明专利）。 技术支持 随着医疗电子设备尺寸的逐步缩小，电子技术也发生了一系列变化。 一是传感器、MEMS、光学等基础元件体积在不断缩小，可靠性也在不断地提高; 二是高性能、低功耗的集成电路发展，未来在医疗电子设备中将应用高速度、大容量的芯片，器件数量将大大降低; 技术支