世界上最薄、最轻的用于生物仪器的差分放大器

导读

据日本大阪大学官网近日报道，该校研究人员成功开发出世界上最薄、最轻的用于生物仪器的差分放大器。这种超薄的柔性有机差分放大器，能以低噪声水平，精准地监测微弱的生物信号，并且不会让用户感受到由贴在身体上的设备引发的任何不适。

背景

从传统意义上说，医疗保健所用的生物仪器电路是由坚硬的电子器件，例如硅晶体管组成。

（图片来源：MIT）

可是当与坚硬的电子器件接触时，柔软的生物组织例如皮肤很容易红肿发炎。因此，长时间监测日常生活中的生物信号被证明是困难的。因此，研究人员们往往会通过开发舒适的柔性电子器件来解决这一难题。之前，笔者也介绍过这方面的许多案例。

通过吸收汗液监测身体健康的柔性电子设备（图片来源：John A. Rogers / 西北大学）

在日本，由于低出生率与人口老龄化，柔性电子器件例如有机晶体管在医疗保健领域的应用一直都在积极提升。与生物组织例如皮肤和器官相容性高的传感器与电子电路会采用柔软的有机材料来实现。

有机薄膜晶体管（图片来源：Rob Felt，佐治亚理工学院）

在这些传感器和电子电路中，其中集成了有机晶体管的柔性放大器消除了用户由于贴到身体上的设备所引发的不适感。这种作为传感器持续监测非常微弱的生物信号的放大器的研发目前正在进行中。

然而，传统的有机放大器大多具有一个单端结构，这种结构无法将生物信号与干扰噪声区分开来，从而难以低噪声水平监测生物信号（图1）。差分放大器是一种可测量消除噪声成分的信号的电路。然而，与硅晶体管相比，制造出的有机晶体管的品质差异很大；因此，目前为止，关于实现精确降噪的柔性差分放大器的报告还没有出现。

创新

近日，日本大阪大学科学与工业研究所的教授 Tsuyoshi Sekitani 与副教授 Takafumi Uemura 领导的科研小组成功开发出世界上最薄、最轻的用于生物仪器的差分放大器。

这种超薄、柔性的有机差分放大器，能以低噪声水平，精准地监测微弱的生物信号，并且不会让用户感受到由贴在身体上的设备引发的任何不适。

研究人员们采用这种先进的差分放大器，有望开发出新的有价值的应用，例如先进的家用生物仪器。

技术

研究小组通过在厚度为1微米（一微米等于一百万分之一米）的超薄柔性塑料膜上集成称为“有机晶体管（*1）”的柔性电子器件，开发出一个柔性生物仪器电路，消除了用户身体上所贴的设备所引发的不适感。这种先进的电路是一种称为“差分放大器（*2）”的信号处理电路。

与传统的单端放大器（*3）相比，这项研究中开发的这种柔性差分放大器不仅可以放大非常微弱的生物电信号，而且可以减少干扰噪声（*4）。该研究小组演示了这种差分放大器可以应用于人体仪器，并实现以低噪声水平对非常重要的生物信号即心电图信号进行实时监测。

除了心电图信号，这项成果还有望带来日常生活中各种微弱生物信号（例如脑电波与胎儿的心音）的监测，并且不会让用户感受到贴在身体上的设备所引发的不适感。

研究小组通过开发一项可以降低放大器内有机晶体管中流动的耗散电流至2%甚至更少的补偿技术，成功地开发出这种具有降噪功能的柔性有机差分放大器。这种放大器在一个厚度为1微米的派瑞林薄膜上制造而成。它在薄膜受到弯曲时不会损坏，并且贴到人体皮肤上不会引起任何不适（图2）。采用这种柔性差分放大器监测信号，心电图信号被放大25倍，噪声被降低至七分之一甚至更少。研究小组的研究表明，在检测心电图信号期间，外部电源引发的噪声，以及行走引发的身体运动大噪声都被消除了（图1）。

图1：用柔性有机差分放大器获取的心电图信号。（A）传统单端放大器（B）这项研究中开发的差分放大器。（C）从行走的受试者获取的心电图信号。在采用单端放大器获取的心电图信号中，行走引发的大噪声包含在波形中。相比而言，在采用先进的柔性有机差分放大器获取的波形中，这种噪声被去除了。（图片来源：大阪大学）

图2：柔性有机差分放大器贴在人体胸部。这种有机差分放大器超轻、超薄，贴在柔软的皮肤上，不会让用户感到任何不适。日常生活中的生物仪器有望变得更轻且使用起来更舒适。（图片来源：大阪大学）

价值

监测日常生活中的生物电信号例如心电图信号的智能手表以及其他可穿戴设备已经上市。然而，这种高精度的柔性生物仪器电路，不会让用户感受到因为贴在他们身体上的设备所引发的任何不适。采用这种电路，生物仪器有望变得更简单，并在各种情况下都更舒适。例如，由于可穿戴性以及设备与皮肤之间附着力的改善，那些为剧烈运动例如体育运动的人设计的生物仪器将有可能出现。

这种实时长期的生物仪器数据的获取，将促进疾病的早期检测，并改善医疗效率、老年人与病人的监测以及运动负荷监测。这些成果将通过减少医疗费用和改善生活质量，进一步解决日本老龄化社会中的各种问题。

术语

*1 有机晶体管

有机晶体管是一种导电半导体部分由有机材料组成的晶体管。不同于无机半导体，大部分的有机半导体是在200摄氏度甚至更低的温度下制造而成。因此，塑料薄膜可以作为基底使用，从而制造出轻量、柔性的晶体管。通过将这种类型的几个晶体管组合与集成到一起，研究小组实现了能放大信号并降低噪声的电子电路。

*2 差分放大器

差分放大器具有两个输入端，可以放大来自两个端的信号之间的差异。拿生物仪器来说，目标生物信号之外的大多数信号都是干扰噪声信号，这些噪声信号以同样的波形进入两个输入端；因此，基于这个差异可以仅仅消除干扰噪声。

*3 单端放大器

不同于以上解释的差分放大器，单端放大器只有一个端。因为输入信号被放大时没有消除噪声，所以目标生物信号以及不必要的干扰噪声信号都是输出。因为大部分的生物信号都非常微弱，所以单端放大器不适合监测这些信号。

*4 干扰噪声

被监测的生物信号会受到干扰噪声的污染，这些噪声由商业交流噪声（交流声）和身体运动噪声组成。商业交流噪声由周围的电源产生；在日本西部与东部，其固定频率分别为 60 Hz 和 50 Hz。身体噪声是由与人体运动相关的电极与线路之间的不一致而造成的。因此，开发能与皮肤紧密接触的柔性电极和测量电路，对于实现高度精确的生物仪器来说很重要。