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如何实现耳朵供电驱动医疗电子芯片?

出处:EDN China电子技术设计 发布于:2015-12-15 14:03:18 | 22766 次阅读

     哺乳动物的内耳深处都是一个天然电池:一个充满了离子的小室,能产生电压驱动神经信号。据物理学家组织网近日报道,来自麻省理工学院、马萨诸塞眼耳医院等单位的研究人员,首次证明了这种“电池”能给植入的电子设备供电,而且不会损害听力。植入内耳的设备可用来监控生物活动,比如听到声音、平衡失调或对治疗的反应。最终,植入设备本身可发展成一种治疗手段。相关论文发表在近期出版的《自然·生物技术》杂志上。

      “60年前我们就知道有一种‘电池’对听力非常重要,但没人会用它给电器供电。”马萨诸塞眼耳医院耳外科医生康斯坦尼亚·斯坦科维奇说。

    

    图1

    

      耳朵能把机械压力——耳膜的振动——转换为大脑可处理的电信号,而生物电池是信号电流的电源。电池室位于内耳一个叫做耳蜗的地方,由一层膜隔开,这里一些细胞已经特化成专用的离子泵。膜的另一边是不平衡的钾、钠离子,结合这些细胞泵的特殊排列形式,就产生了电压。虽然此处电压是体内最高的(至少对单个细胞而言),但仍然非常低,而且为了不扰乱听力,可用电流只能占其很小一部分。

      麻省理工学院微系统技术实验室研究员安纳萨·钱德拉卡珊小组开发的低功率芯片正好解决了这一问题。他们还在芯片上装了一种超低功率无线发射器,以获得所检测的数据。由于生物电池的电压不稳定,芯片上还装了电源转换线路,就像一般电子设备电源线两端的盒式转换器,能逐渐充电。充电时间一般为40秒到4分钟,就能给发射器供电。信号频率本身就指示了内耳的电化性质。

    

    图2

    

    

      在实验中,研究人员在豚鼠内耳生物电池膜的两边植入了电极,并将低功率芯片与电极相连。芯片留在豚鼠体外,但它非常小,足以放入中耳腔内。植入电极设备后,豚鼠在听力测试中反应正常,该设备也能以无线方式传输数据,报告耳朵和外部接收器的化学情况。

      凯斯西储大学耳鼻喉系董事长克利夫·梅杰利恩说,这项研究有三种可能的应用:耳蜗植入、诊断疾病及作为植入式助听器。用耳蜗本身的低压产生电流,这就让它变成了一种电源,给植入耳蜗的电子设备供电。此外,如果能检测出各种疾病状态下的电压,基于这种电流输出偏差,可能开发出一种诊断计算方法。

    

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