導(dǎo)讀

據(jù)日本大阪大學(xué)官網(wǎng)近日報道，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差分放大器，能以低噪聲水平，精準(zhǔn)地監(jiān)測微弱的生物信號，并且不會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硬的電子器件，例如硅晶體管組成。

(圖片來源：MIT)

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

通過吸收汗液監(jiān)測身體健康的柔性電子設(shè)備(圖片來源：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采用柔軟的有機材料來實現(xiàn)。

有機薄膜晶體管(圖片來源：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)測非常微弱的生物信號的放大器的研發(fā)目前正在進(jìn)行中。

然而，傳統(tǒng)的有機放大器大多具有一個單端結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)無法將生物信號與干擾噪聲區(qū)分開來，從而難以低噪聲水平監(jiān)測生物信號(圖1)。差分放大器是一種可測量消除噪聲成分的信號的電路。然而，與硅晶體管相比，制造出的有機晶體管的品質(zhì)差異很大;因此，目前為止，關(guān)于實現(xiàn)精確降噪的柔性差分放大器的報告還沒有出現(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、柔性的有機差分放大器，能以低噪聲水平，精準(zhǔn)地監(jiān)測微弱的生物信號，并且不會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(一微米等于一百萬分之一米)的超薄柔性塑料膜上集成稱為“有機晶體管(*1)”的柔性電子器件，開發(fā)出一個柔性生物儀器電路，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)”的信號處理電路。

與傳統(tǒng)的單端放大器(*3)相比，這項研究中開發(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，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，并實現(xiàn)以低噪聲水平對非常重要的生物信號即心電圖信號進(jìn)行實時監(jiān)測。

除了心電圖信號，這項成果還有望帶來日常生活中各種微弱生物信號(例如腦電波與胎兒的心音)的監(jiān)測，并且不會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)一項可以降低放大器內(nèi)有機晶體管中流動的耗散電流至2%甚至更少的補償技術(shù)，成功地開發(fā)出這種具有降噪功能的柔性有機差分放大器。這種放大器在一個厚度為1微米的派瑞林薄膜上制造而成。它在薄膜受到彎曲時不會損壞，并且貼到人體皮膚上不會引起任何不適(圖2)。采用這種柔性差分放大器監(jiān)測信號，心電圖信號被放大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，在檢測心電圖信號期間，外部電源引發(fā)的噪聲，以及行走引發(fā)的身體運動大噪聲都被消除了(圖1)。

圖1：用柔性有機差分放大器獲取的心電圖信號。(A)傳統(tǒng)單端放大器(B)這項研究中開發(fā)的差分放大器。(C)從行走的受試者獲取的心電圖信號。在采用單端放大器獲取的心電圖信號中，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)的柔性有機差分放大器獲取的波形中，這種噪聲被去除了。(圖片來源：大阪大學(xué))

圖2：柔性有機差分放大器貼在人體胸部。這種有機差分放大器超輕、超薄，貼在柔軟的皮膚上，不會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更舒適。(圖片來源：大阪大學(xué))

價值

監(jiān)測日常生活中的生物電信號例如心電圖信號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，不會讓用戶感受到因為貼在他們身體上的設(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，那些為劇烈運動例如體育運動的人設(shè)計的生物儀器將有可能出現(xiàn)。

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

術(shù)語

*1 有機晶體管 有機晶體管是一種導(dǎo)電半導(dǎo)體部分由有機材料組成的晶體管。不同于無機半導(dǎo)體，大部分的有機半導(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晶體管組合與集成到一起，研究小組實現(xiàn)了能放大信號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輸入端，可以放大來自兩個端的信號之間的差異。拿生物儀器來說，目標(biāo)生物信號之外的大多數(shù)信號都是干擾噪聲信號，這些噪聲信號以同樣的波形進(jìn)入兩個輸入端;因此，基于這個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端。因為輸入信號被放大時沒有消除噪聲，所以目標(biāo)生物信號以及不必要的干擾噪聲信號都是輸出。因為大部分的生物信號都非常微弱，所以單端放大器不適合監(jiān)測這些信號。 *4 干擾噪聲

被監(jiān)測的生物信號會受到干擾噪聲的污染，這些噪聲由商業(yè)交流噪聲(交流聲)和身體運動噪聲組成。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動相關(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量電路，對于實現(xiàn)高度精確的生物儀器來說很重要。