導(dǎo)讀

據(jù)日本大阪大學(xué)官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校研究人員成功開發(fā)出世界上最薄、最輕的用于生物儀器的差分放大器。這種超薄的柔性有機(jī)差分放大器，能以低噪聲水平，精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)微弱的生物信號(hào)，并且不會(huì)讓用戶感受到由貼在身體上的設(shè)備引發(fā)的任何不適。

背景

從傳統(tǒng)意義上說，醫(yī)療保健所用的生物儀器電路是由堅(jiān)硬的電子器件，例如硅晶體管組成。

(圖片來(lái)源：MIT)

可是當(dāng)與堅(jiān)硬的電子器件接觸時(shí)，柔軟的生物組織例如皮膚很容易紅腫發(fā)炎。因此，長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)日常生活中的生物信號(hào)被證明是困難的。因此，研究人員們往往會(huì)通過開發(fā)舒適的柔性電子器件來(lái)解決這一難題。之前，筆者也介紹過這方面的許多案例。

通過吸收汗液監(jiān)測(cè)身體健康的柔性電子設(shè)備(圖片來(lái)源：John A. Rogers / 西北大學(xué))

在日本，由于低出生率與人口老齡化，柔性電子器件例如有機(jī)晶體管在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用一直都在積極提升。與生物組織例如皮膚和器官相容性高的傳感器與電子電路會(huì)采用柔軟的有機(jī)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。

有機(jī)薄膜晶體管(圖片來(lái)源：Rob Felt，佐治亞理工學(xué)院)

在這些傳感器和電子電路中，其中集成了有機(jī)晶體管的柔性放大器消除了用戶由于貼到身體上的設(shè)備所引發(fā)的不適感。這種作為傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)非常微弱的生物信號(hào)的放大器的研發(fā)目前正在進(jìn)行中。

然而，傳統(tǒng)的有機(jī)放大器大多具有一個(gè)單端結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)無(wú)法將生物信號(hào)與干擾噪聲區(qū)分開來(lái)，從而難以低噪聲水平監(jiān)測(cè)生物信號(hào)(圖1)。差分放大器是一種可測(cè)量消除噪聲成分的信號(hào)的電路。然而，與硅晶體管相比，制造出的有機(jī)晶體管的品質(zhì)差異很大;因此，目前為止，關(guān)于實(shí)現(xiàn)精確降噪的柔性差分放大器的報(bào)告還沒有出現(xiàn)。

創(chuàng)新

近日，日本大阪大學(xué)科學(xué)與工業(yè)研究所的教授 Tsuyoshi Sekitani 與副教授 Takafumi Uemura 領(lǐng)導(dǎo)的科研小組成功開發(fā)出世界上最薄、最輕的用于生物儀器的差分放大器。

這種超薄、柔性的有機(jī)差分放大器，能以低噪聲水平，精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)微弱的生物信號(hào)，并且不會(huì)讓用戶感受到由貼在身體上的設(shè)備引發(fā)的任何不適。

研究人員們采用這種先進(jìn)的差分放大器，有望開發(fā)出新的有價(jià)值的應(yīng)用，例如先進(jìn)的家用生物儀器。

技術(shù)

研究小組通過在厚度為1微米(一微米等于一百萬(wàn)分之一米)的超薄柔性塑料膜上集成稱為“有機(jī)晶體管(*1)”的柔性電子器件，開發(fā)出一個(gè)柔性生物儀器電路，消除了用戶身體上所貼的設(shè)備所引發(fā)的不適感。這種先進(jìn)的電路是一種稱為“差分放大器(*2)”的信號(hào)處理電路。

與傳統(tǒng)的單端放大器(*3)相比，這項(xiàng)研究中開發(fā)的這種柔性差分放大器不僅可以放大非常微弱的生物電信號(hào)，而且可以減少干擾噪聲(*4)。該研究小組演示了這種差分放大器可以應(yīng)用于人體儀器，并實(shí)現(xiàn)以低噪聲水平對(duì)非常重要的生物信號(hào)即心電圖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

除了心電圖信號(hào)，這項(xiàng)成果還有望帶來(lái)日常生活中各種微弱生物信號(hào)(例如腦電波與胎兒的心音)的監(jiān)測(cè)，并且不會(huì)讓用戶感受到貼在身體上的設(shè)備所引發(fā)的不適感。

研究小組通過開發(fā)一項(xiàng)可以降低放大器內(nèi)有機(jī)晶體管中流動(dòng)的耗散電流至2%甚至更少的補(bǔ)償技術(shù)，成功地開發(fā)出這種具有降噪功能的柔性有機(jī)差分放大器。這種放大器在一個(gè)厚度為1微米的派瑞林薄膜上制造而成。它在薄膜受到彎曲時(shí)不會(huì)損壞，并且貼到人體皮膚上不會(huì)引起任何不適(圖2)。采用這種柔性差分放大器監(jiān)測(cè)信號(hào)，心電圖信號(hào)被放大25倍，噪聲被降低至七分之一甚至更少。研究小組的研究表明，在檢測(cè)心電圖信號(hào)期間，外部電源引發(fā)的噪聲，以及行走引發(fā)的身體運(yùn)動(dòng)大噪聲都被消除了(圖1)。

圖1：用柔性有機(jī)差分放大器獲取的心電圖信號(hào)。(A)傳統(tǒng)單端放大器(B)這項(xiàng)研究中開發(fā)的差分放大器。(C)從行走的受試者獲取的心電圖信號(hào)。在采用單端放大器獲取的心電圖信號(hào)中，行走引發(fā)的大噪聲包含在波形中。相比而言，在采用先進(jìn)的柔性有機(jī)差分放大器獲取的波形中，這種噪聲被去除了。(圖片來(lái)源：大阪大學(xué))

圖2：柔性有機(jī)差分放大器貼在人體胸部。這種有機(jī)差分放大器超輕、超薄，貼在柔軟的皮膚上，不會(huì)讓用戶感到任何不適。日常生活中的生物儀器有望變得更輕且使用起來(lái)更舒適。(圖片來(lái)源：大阪大學(xué))

價(jià)值

監(jiān)測(cè)日常生活中的生物電信號(hào)例如心電圖信號(hào)的智能手表以及其他可穿戴設(shè)備已經(jīng)上市。然而，這種高精度的柔性生物儀器電路，不會(huì)讓用戶感受到因?yàn)橘N在他們身體上的設(shè)備所引發(fā)的任何不適。采用這種電路，生物儀器有望變得更簡(jiǎn)單，并在各種情況下都更舒適。例如，由于可穿戴性以及設(shè)備與皮膚之間附著力的改善，那些為劇烈運(yùn)動(dòng)例如體育運(yùn)動(dòng)的人設(shè)計(jì)的生物儀器將有可能出現(xiàn)。

這種實(shí)時(shí)長(zhǎng)期的生物儀器數(shù)據(jù)的獲取，將促進(jìn)疾病的早期檢測(cè)，并改善醫(yī)療效率、老年人與病人的監(jiān)測(cè)以及運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)測(cè)。這些成果將通過減少醫(yī)療費(fèi)用和改善生活質(zhì)量，進(jìn)一步解決日本老齡化社會(huì)中的各種問題。

術(shù)語(yǔ)

*1 有機(jī)晶體管 有機(jī)晶體管是一種導(dǎo)電半導(dǎo)體部分由有機(jī)材料組成的晶體管。不同于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，大部分的有機(jī)半導(dǎo)體是在200攝氏度甚至更低的溫度下制造而成。因此，塑料薄膜可以作為基底使用，從而制造出輕量、柔性的晶體管。通過將這種類型的幾個(gè)晶體管組合與集成到一起，研究小組實(shí)現(xiàn)了能放大信號(hào)并降低噪聲的電子電路。 *2 差分放大器

差分放大器具有兩個(gè)輸入端，可以放大來(lái)自兩個(gè)端的信號(hào)之間的差異。拿生物儀器來(lái)說，目標(biāo)生物信號(hào)之外的大多數(shù)信號(hào)都是干擾噪聲信號(hào)，這些噪聲信號(hào)以同樣的波形進(jìn)入兩個(gè)輸入端;因此，基于這個(gè)差異可以僅僅消除干擾噪聲。 *3 單端放大器

不同于以上解釋的差分放大器，單端放大器只有一個(gè)端。因?yàn)檩斎胄盘?hào)被放大時(shí)沒有消除噪聲，所以目標(biāo)生物信號(hào)以及不必要的干擾噪聲信號(hào)都是輸出。因?yàn)榇蟛糠值纳镄盘?hào)都非常微弱，所以單端放大器不適合監(jiān)測(cè)這些信號(hào)。 *4 干擾噪聲

被監(jiān)測(cè)的生物信號(hào)會(huì)受到干擾噪聲的污染，這些噪聲由商業(yè)交流噪聲(交流聲)和身體運(yùn)動(dòng)噪聲組成。商業(yè)交流噪聲由周圍的電源產(chǎn)生;在日本西部與東部，其固定頻率分別為 60 Hz 和 50 Hz。身體噪聲是由與人體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的電極與線路之間的不一致而造成的。因此，開發(fā)能與皮膚緊密接觸的柔性電極和測(cè)量電路，對(duì)于實(shí)現(xiàn)高度精確的生物儀器來(lái)說很重要。