可植入设备需克服市场“排异”

　　当人们还在讨论谷歌眼镜等可穿戴设备时，可植入设备已渐行渐近。皮下植入设备正收集被植入者的体温等基本生物计量数据，并通过蓝牙实时进行数据传输;能恢复失明病患视力的视网膜植入等设备也纷纷揭开神秘面纱……

　　事实上，可植入设备愈来愈受到诸多研发人员的青睐。不过，可植入设备的价值还远不止于此，不仅在医疗领域，它在提升人类对外部世界感知能力层面也发挥着举重若轻的作用。那么，究竟什么是可植入设备?核心技术是什么?应用前景怎样?让我们跟着专家寻找答案——

　　微芯片是核心难更换是关键

　　“可植入设备是指需要通过手术植入人体或动物体内的电子设备，例如心脏起搏器，人工耳蜗，脑刺激器，动物标签等。”清华大学微电子学研究所集成电路与系统设计室主任张春告诉记者，与可植入设备有所不同，可穿戴设备是指便携式的、用来采集人体的心跳、血压、心肺音等生理参数，或进行交互的电子设备。例如手腕式的血压计、计步器、谷歌眼镜等。

　　用中国科学院声学研究所副研究员郭志川通俗的话来说，可植入设备相对于可穿戴设备的区别是，可植入设备一般会植入到生物体组织内部;而可穿戴设备则便于携带，即“可穿戴设备可直接穿在身上，或是整合到衣服或配件上”。

　　可植入设备根据相应功能，主要由传感器、芯片和精密机械部件组合而成。而微芯片几乎是所有可植入设备必备的元件之一。

　　与消费电子类产品不同，由于对安全性、可靠性以及集成度等方面的特殊要求，可植入设备的微控制芯片一般不会采用市场上通用的商用微处理器，而是会专门为此研发定制芯片。“以胃电刺激器为例，微控制芯片能在特定的时间，输出一定频率和幅度的电脉冲，刺激胃部肌肉收缩，抑制胃的蠕动，使患者有饱感，从而减少食物摄入量，达到减肥的效果。”张春表示，微控制芯片还可以接收来自体外的无线电遥控命令，改变刺激脉冲的参数和发放时间，以适应不同的患者和不同治疗阶段的需求。

　　可植入设备一旦出现故障和危险，只能通过手术取出更换，会给患者造成较大的创伤。更何况，一些可植入设备，例如人工耳蜗，植入后会和人体组织结合在一起，所以是不易更换的。因此，可植入设备在整个生命周期内都不能出现故障，所以对可靠性、安全性有极高的要求。

　　“核心的微控制芯片除了具备所要求的基本功能外，还需要采用各种安全加固技术，保证硬件的安全性和可靠性以及软件的稳定性。这样的芯片，对设计人员的要求则非常高。”张春坦言，目前能从事这种高标准、高要求的芯片设计的公司很少。以人工耳蜗为例，目前，全世界仅有三家公司达到了商业化的水平。

　　目前来说，那些在人体皮肤下植入一个微小的芯片，微芯片中记录着其本人的各项基本资料的“人体芯片”也发展很快。郭志川表示，现阶段“人体芯片”可作为无线射频识别电子标签技术在人体中广泛应用。“实际上，它是一种利用无线射频识别技术开发出来并可以顺利植入肉体的芯片，里面装有芯片、天线以及信息发射等装置，以便对应人类身体之外不同的接收装置。”郭志川补充道。

　　医学领域最高端 健康功能最受益

　　“应用于医学领域的可植入设备是生物医学工程领域的前沿高端产品。”中国生物医学工程学会理事长、北京航空航天大学生物与医学工程学院院长樊瑜波举例说，例如大家熟悉的心脏起搏器、脑神经刺激器(也称为脑起搏器，用于治疗帕金森综合症或其他运动障碍，治疗脑部病变等)、人工耳蜗、迷走神经刺激器等，均已经在现实生活中普遍应用。

　　“心脏起搏器是可植入设备中较为重要和成功的应用之一，目前在国内外已经非常广泛。”樊瑜波告诉记者，目前，世界范围内，美国美敦力起搏器所占的市场份额最大，而国内在这方面做得比较好的企业是北京乐普医疗。

　　乐普医疗总经理蒲忠杰曾在公司业绩说明会上表示，公司的肾动脉射频消融导管仍处于临床研究，而双腔起搏器自2013年8月开展临床试验后已接近完成。据了解，肾动脉射频消融导管是一项能够有效治疗顽固性高血压的新技术，目前由美国美敦力公司领先研发。在去年三季报中，乐普医疗披露了肾动脉射频消融导管已开展超过30例的临床试验。

　　而对于双腔起搏器，蒲忠杰介绍说，该产品是乐普医疗子公司秦明医学的研发重点。“目前国内涉及心脏起搏器的手术一年有5万至6万例，其中使用一半以上的产品是双腔起搏器，平均价格在5万元左右。”他说，随着国产品牌的推出，产品价格将向下调整。

　　能恢复失明病患视力的人工视觉系统也广受关注。“该设备由一个小小的视频摄像机、影像处理单元(VPU)、发射眼镜以及植入型视网膜假体所组成，它可以取代视网膜退化细胞的功能，改善和提高病患者对图像和运动的感知能力。”樊瑜波补充说，影像处理单元(VPU)会将微型视频摄像机的图像转换成电数据从而无线传输到人工视网膜上。

　　目前国外一些研究人员已经发明了一种轻薄而柔韧电子设备，并可以像“假纹身”一样贴在皮肤上或植入人们的皮下组织。据了解，摩托罗拉公司研发的“电子文身”由超薄电极、传感器、无线电源、电子元件和通信系统组成。“这些设备目前可测量佩戴者的心率、血压、皮肤的温度等关键数据。而这些指标有助于专业研究人员跟踪佩戴者的健康情况。”樊瑜波说。

　　此外，“让你不迷路”的“左撇子”指南针也是重要的应用之一。电子工程师、分子生物学黑客布莱恩·麦考伊则设计出了首款植入式指南针。这款名为“左撇子”的指南针的工作原理是：将一个超微型指南针封入一块硅套内，套上一个圆形的钛外壳，随后将其植入人体皮肤下。与此同时，一个超薄的细须露在套外，当使用者面朝北方时，这一细须便会被激活，轻微刺激皮肤以便感知方向。

　　谨慎面对难题 乐观看待前景

　　尽管可植入设备作为当下最热门的生物医学工程技术之一，但仍有不少专家在接受记者采访时表现出谨慎并乐观的态度。

　　“制约可植入设备发展的首先是技术问题。”张春表示，就拿核心元件微芯片来说，一些芯片的设计，比如应用数据公司的VeriChip，是一种“无源芯片”，即一般情况下不需要能量，它只是一个信号的载体，只有当附近的仪器对其进行扫描的时才能发出相关信息。“要广泛地使用这项技术，还必须研制出能够将人体能量转变为电能的电源及高科技芯片，使之能够和远距离设备交互数据。此外，未来是否真的可以研制出更多的‘有源芯片’，可随时向外界发出信息，也是研究者们需要攻克的主要技术难题之一。”张春说。

　　樊瑜波则认为，目前可植入设备最为担心的一个重要问题是植入电极长期刺激周围细胞组织导致细胞组织改变，从而导致电极与周围组织的信号传递问题等。“具体来说，在电极使用若干年后，在长期电刺激和外来异物的刺激下，它周围的细胞组织会发生一些复杂的生物学响应和演变，细胞的种类、组织的特性会发生复杂的变化，将导致电传导信号衰竭等一系列问题。”

　　不过，尽管面临重重困难，可植入设备的发展前景依旧光明。“从提高生活质量以及人机交互的效率和便利性出发，可植入设备在未来的应用前景也十分广阔。”张春表示，电子科技发展的最终目是为了改善生活质量。在常规的药物治疗无法治愈疾病时，采用可植入设备就是必需的手段了。

　　“可植入设备的未来潜在应用主要还是在医学领域。”郭志川表示，但这项技术未来的发展和应用前景，不仅仅取决于技术突破，还取决于公众对这一新兴事物的接受程度，及对其潜在风险的认识。

　　或许有一天，人们即便老了也会“耳聪”“目明”，能够拥有“千里眼”“顺风耳”，不必触摸也能感知外界的温度;或许你在家中小区，挥挥手就能锁上自己房门，摇摇头就能将爱车从地下车库驶出，眨眨眼就能在家中传送办公文件……