圖片說明：NFC（近距離無線通訊技術(shù)）是世界上第一個可植入式的NFC標(biāo)準(zhǔn)的射頻識別（RFID）芯片。
（資料圖片）
美國正在研發(fā)大腦植入，以恢復(fù)受損者記憶。 （資料圖片）
當(dāng)人們還在討論谷歌眼鏡等可穿戴設(shè)備時，可植入設(shè)備已漸行漸近。皮下植入設(shè)備正收集被植入者的體溫等基本生物計量數(shù)據(jù),并通過藍(lán)牙實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；能恢復(fù)失明病患視力的視網(wǎng)膜植入等設(shè)備也紛紛揭開神秘面紗……
事實(shí)上，可植入設(shè)備愈來愈受到諸多研發(fā)人員的青睞。不過，可植入設(shè)備的價值還遠(yuǎn)不止于此，不僅在醫(yī)療領(lǐng)域，它在提升人類對外部世界感知能力層面也發(fā)揮著舉重若輕的作用。那么，究竟什么是可植入設(shè)備？核心技術(shù)是什么？應(yīng)用前景怎樣？讓我們跟著專家尋找答案——
微芯片是核心難更換是關(guān)鍵
“可植入設(shè)備是指需要通過手術(shù)植入人體或動物體內(nèi)的電子設(shè)備，例如心臟起搏器，人工耳蝸，腦刺激器，動物標(biāo)簽等?！鼻迦A大學(xué)微電子學(xué)研究所集成電路與系統(tǒng)設(shè)計室主任張春告訴記者，與可植入設(shè)備有所不同，可穿戴設(shè)備是指便攜式的、用來采集人體的心跳、血壓、心肺音等生理參數(shù)，或進(jìn)行交互的電子設(shè)備。例如手腕式的血壓計、計步器、谷歌眼鏡等。
用中國科學(xué)院聲學(xué)研究所副研究員郭志川通俗的話來說，可植入設(shè)備相對于可穿戴設(shè)備的區(qū)別是，可植入設(shè)備一般會植入到生物體組織內(nèi)部；而可穿戴設(shè)備則便于攜帶，即“可穿戴設(shè)備可直接穿在身上，或是整合到衣服或配件上”。
可植入設(shè)備根據(jù)相應(yīng)功能，主要由傳感器、芯片和精密機(jī)械部件組合而成。而微芯片幾乎是所有可植入設(shè)備必備的元件之一。
與消費(fèi)電子類產(chǎn)品不同，由于對安全性、可靠性以及集成度等方面的特殊要求，可植入設(shè)備的微控制芯片一般不會采用市場上通用的商用微處理器，而是會專門為此研發(fā)定制芯片?！耙晕鸽姶碳て鳛槔⒖刂菩酒茉谔囟ǖ臅r間，輸出一定頻率和幅度的電脈沖，刺激胃部肌肉收縮，抑制胃的蠕動，使患者有飽感，從而減少食物攝入量，達(dá)到減肥的效果?！睆埓罕硎?，微控制芯片還可以接收來自體外的無線電遙控命令，改變刺激脈沖的參數(shù)和發(fā)放時間，以適應(yīng)不同的患者和不同治療階段的需求。
可植入設(shè)備一旦出現(xiàn)故障和危險，只能通過手術(shù)取出更換，會給患者造成較大的創(chuàng)傷。更何況，一些可植入設(shè)備，例如人工耳蝸，植入后會和人體組織結(jié)合在一起，所以是不易更換的。因此，可植入設(shè)備在整個生命周期內(nèi)都不能出現(xiàn)故障，所以對可靠性、安全性有極高的要求。
“核心的微控制芯片除了具備所要求的基本功能外，還需要采用各種安全加固技術(shù)，保證硬件的安全性和可靠性以及軟件的穩(wěn)定性。這樣的芯片，對設(shè)計人員的要求則非常高。”張春坦言，目前能從事這種高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的芯片設(shè)計的公司很少。以人工耳蝸為例，目前，全世界僅有三家公司達(dá)到了商業(yè)化的水平。
目前來說，那些在人體皮膚下植入一個微小的芯片，微芯片中記錄著其本人的各項基本資料的“人體芯片”也發(fā)展很快。郭志川表示，現(xiàn)階段“人體芯片”可作為無線射頻識別電子標(biāo)簽技術(shù)在人體中廣泛應(yīng)用。“實(shí)際上，它是一種利用無線射頻識別技術(shù)開發(fā)出來并可以順利植入肉體的芯片，里面裝有芯片、天線以及信息發(fā)射等裝置，以便對應(yīng)人類身體之外不同的接收裝置?！惫敬ㄑa(bǔ)充道。
醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最高端 健康功能最受益
“應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的可植入設(shè)備是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的前沿高端產(chǎn)品?！敝袊镝t(yī)學(xué)工程學(xué)會理事長、北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院院長樊瑜波舉例說，例如大家熟悉的心臟起搏器、腦神經(jīng)刺激器（也稱為腦起搏器，用于治療帕金森綜合癥或其他運(yùn)動障礙，治療腦部病變等）、人工耳蝸、迷走神經(jīng)刺激器等，均已經(jīng)在現(xiàn)實(shí)生活中普遍應(yīng)用。
“心臟起搏器是可植入設(shè)備中較為重要和成功的應(yīng)用之一，目前在國內(nèi)外已經(jīng)非常廣泛。”樊瑜波告訴記者，目前，世界范圍內(nèi)，美國美敦力起搏器所占的市場份額最大，而國內(nèi)在這方面做得比較好的企業(yè)是北京樂普醫(yī)療。
樂普醫(yī)療總經(jīng)理蒲忠杰曾在公司業(yè)績說明會上表示，公司的腎動脈射頻消融導(dǎo)管仍處于臨床研究，而雙腔起搏器自2013年8月開展臨床試驗后已接近完成。據(jù)了解，腎動脈射頻消融導(dǎo)管是一項能夠有效治療頑固性高血壓的新技術(shù)，目前由美國美敦力公司領(lǐng)先研發(fā)。在去年三季報中，樂普醫(yī)療披露了腎動脈射頻消融導(dǎo)管已開展超過30例的臨床試驗。
而對于雙腔起搏器，蒲忠杰介紹說，該產(chǎn)品是樂普醫(yī)療子公司秦明醫(yī)學(xué)的研發(fā)重點(diǎn)?！澳壳皣鴥?nèi)涉及心臟起搏器的手術(shù)一年有5萬至6萬例，其中使用一半以上的產(chǎn)品是雙腔起搏器，平均價格在5萬元左右。”他說，隨著國產(chǎn)品牌的推出，產(chǎn)品價格將向下調(diào)整。
能恢復(fù)失明病患視力的人工視覺系統(tǒng)也廣受關(guān)注?！霸撛O(shè)備由一個小小的視頻攝像機(jī)、影像處理單元（VPU）、發(fā)射眼鏡以及植入型視網(wǎng)膜假體所組成，它可以取代視網(wǎng)膜退化細(xì)胞的功能，改善和提高病患者對圖像和運(yùn)動的感知能力。”樊瑜波補(bǔ)充說，影像處理單元（VPU）會將微型視頻攝像機(jī)的圖像轉(zhuǎn)換成電數(shù)據(jù)從而無線傳輸?shù)饺斯ひ暰W(wǎng)膜上。
目前國外一些研究人員已經(jīng)發(fā)明了一種輕薄而柔韌電子設(shè)備，并可以像“假紋身”一樣貼在皮膚上或植入人們的皮下組織。據(jù)了解，摩托羅拉公司研發(fā)的“電子文身”由超薄電極、傳感器、無線電源、電子元件和通信系統(tǒng)組成。“這些設(shè)備目前可測量佩戴者的心率、血壓、皮膚的溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。而這些指標(biāo)有助于專業(yè)研究人員跟蹤佩戴者的健康情況。”樊瑜波說。
此外，“讓你不迷路”的“左撇子”指南針也是重要的應(yīng)用之一。電子工程師、分子生物學(xué)黑客布萊恩·麥考伊則設(shè)計出了首款植入式指南針。這款名為“左撇子”的指南針的工作原理是：將一個超微型指南針封入一塊硅套內(nèi)，套上一個圓形的鈦外殼，隨后將其植入人體皮膚下。與此同時，一個超薄的細(xì)須露在套外，當(dāng)使用者面朝北方時，這一細(xì)須便會被激活，輕微刺激皮膚以便感知方向。
謹(jǐn)慎面對難題 樂觀看待前景
盡管可植入設(shè)備作為當(dāng)下最熱門的生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)之一，但仍有不少專家在接受記者采訪時表現(xiàn)出謹(jǐn)慎并樂觀的態(tài)度。
“制約可植入設(shè)備發(fā)展的首先是技術(shù)問題?！睆埓罕硎荆湍煤诵脑⑿酒瑏碚f，一些芯片的設(shè)計，比如應(yīng)用數(shù)據(jù)公司的VeriChip，是一種“無源芯片”，即一般情況下不需要能量，它只是一個信號的載體，只有當(dāng)附近的儀器對其進(jìn)行掃描的時才能發(fā)出相關(guān)信息?！耙獜V泛地使用這項技術(shù)，還必須研制出能夠?qū)⑷梭w能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娫醇案呖萍夹酒?，使之能夠和遠(yuǎn)距離設(shè)備交互數(shù)據(jù)。此外，未來是否真的可以研制出更多的‘有源芯片’，可隨時向外界發(fā)出信息，也是研究者們需要攻克的主要技術(shù)難題之一?！睆埓赫f。
樊瑜波則認(rèn)為，目前可植入設(shè)備最為擔(dān)心的一個重要問題是植入電極長期刺激周圍細(xì)胞組織導(dǎo)致細(xì)胞組織改變，從而導(dǎo)致電極與周圍組織的信號傳遞問題等?！熬唧w來說，在電極使用若干年后，在長期電刺激和外來異物的刺激下，它周圍的細(xì)胞組織會發(fā)生一些復(fù)雜的生物學(xué)響應(yīng)和演變，細(xì)胞的種類、組織的特性會發(fā)生復(fù)雜的變化，將導(dǎo)致電傳導(dǎo)信號衰竭等一系列問題?！?/p>
不過，盡管面臨重重困難，可植入設(shè)備的發(fā)展前景依舊光明?！皬奶岣呱钯|(zhì)量以及人機(jī)交互的效率和便利性出發(fā)，可植入設(shè)備在未來的應(yīng)用前景也十分廣闊。”張春表示，電子科技發(fā)展的最終目是為了改善生活質(zhì)量。在常規(guī)的藥物治療無法治愈疾病時，采用可植入設(shè)備就是必需的手段了。
“可植入設(shè)備的未來潛在應(yīng)用主要還是在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?！惫敬ū硎?，但這項技術(shù)未來的發(fā)展和應(yīng)用前景，不僅僅取決于技術(shù)突破，還取決于公眾對這一新興事物的接受程度，及對其潛在風(fēng)險的認(rèn)識。
或許有一天，人們即便老了也會“耳聰”“目明”，能夠擁有“千里眼”“順風(fēng)耳”，不必觸摸也能感知外界的溫度；或許你在家中小區(qū)，揮揮手就能鎖上自己房門，搖搖頭就能將愛車從地下車庫駛出，眨眨眼就能在家中傳送辦公文件……