⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线ScienceDirectICT Express 5（2019）256www.elsevier.com/locate/icte医疗电子-迈向未来智慧城市阿尔凡·加尼考文垂大学计算机、电子和数学学院，CV15FB，英国接收日期：2017年9月12日;接受日期：2018年在线提供2018年摘要随着信息和通信技术将传统城市转变为智慧城市，物联网（IoT）使智慧城市变得高效和响应迅速。回顾过去，对于医疗技术人员来说，要进入新的医疗保健行业并建立自己的地位，我们必须超越传统形式的技术创新。因此，物联网是一个考虑的途径人们希望基于物联网的医疗设备能够早期发现潜在的病情加重，并告知患者和医疗专业人员，以便他们能够及时得到治疗针对智慧城市中的智慧医疗，本文提出了一项研究，设计了一种光电控制器设计了一种可单独寻址的低功耗微型LED阵列，并报告了结果该芯片采用德国代工厂X-FAB0.35微米互补金属氧化物半导体（CMOS）技术制造，总芯片面积为4平方毫米。可以设想，所提出的设计和技术可以潜在地用于医疗保健和消费电子产品中的许多应用。c2019韩国通信与信息科学研究所（KICS）。Elsevier B. V.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：智慧城市;智慧医疗;视网膜假体;微芯片1. 介绍物联网（IoT）在医疗保健领域有着众多的应用，从远程监控到智能传感器和医疗设备集成。它不仅有可能保持患者的安全和健康，而且还可以改善医生提供护理的方式。医疗物联网还可以通过让患者花更多时间与医生互动来提高患者的参与度和满意度。由于与年龄有关的疾病是发展中国家和发达国家最相关的挑战之一，使用远程医疗保健技术可以减少大部分慢性病的管理，也有助于改善老年人不幸的是，尽管物联网的出现，甚至传感器的价格不断下降，但目前的提案在运行时无法扩展，因为它们需要足够紧凑，便携和低功耗。本文介绍了一种低功耗、紧凑型、便携式的视觉电子邮件地址：ac4418@coventry.ac.uk。同行评审由韩国通信和信息科学研究所（KICS）负责https://doi.org/10.1016/j.icte.2018.01.009报道了一种修复芯片设计，该芯片可以安装在患者的头部，以刺激基因修饰的视网膜神经节细胞，从而使患有年龄相关性黄斑变性和色素性视网膜炎等疾病的患者恢复部分视力。主要用于帮助患有视网膜变性的部分失明患者恢复光感测的三种主要技术包括光遗传学、视网膜假体和光开关，如Marc、Pfeiffer和Jones在[1]中所述。虽然每种技术都有自己的优缺点，但视觉植入特别需要复杂的外科手术，分辨率有限。尽管基于光遗传学的技术具有高得多的分辨率，但在人眼中实施基于光遗传学的植入物仍然具有挑战性。本文提出的研究是朝着提供平台和开发完全植入式基于光遗传学的视觉假体的长期目标迈出的第一步。作者设想了一些可能从这项技术中受益的医疗保健应用，特别是在患有阿尔茨海默病和癫痫发作的患者2405-9595/c2019韩国通信和信息科学研究所（KICS）。Elsevier B. V.提供的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。A. Ghani / ICT Express 5（2019）256257×××××××××LED阵列的广泛应用包括消费电子产品，如LED打印机、手持移动设备中的薄型显示器以及用于科学研究的电子设备，如神经刺激/抑制[2]。微LED阵列的最新用途已在生物医学工程中报道，特别是视网膜假体。微型LED阵列可用于视网膜假体，其中像素阵列用于刺激盲人视网膜内的基因修饰区域以恢复部分视力[3]。在智能医疗和视觉假体的背景下，本文提出了一种研究，其中光电控制器芯片被设计用于控制用于视网膜刺激的LED矩阵。为了寻址芯片上的各个像素，设计了解码器电路来解码输入的二进制地址值。解码器产生的二进制输入地址用于选择单个像素驱动器单元。一16设计了16位LED矩阵控制器芯片，用于256个微型GaN LED的焊盘。倒装芯片键合技术被用来驱动微型LED与CMOS驱动器。像素尺寸设计为150 µm150 µm，像素间距为70 µm。由于像素阵列控制器设计旨在刺激基因修饰的神经元，因此设计的主要重点是开发用于可单独寻址的LED的优化控制器。电路设计和芯片仿真采用X-FAB1.35 μm高压（HV）CMOS工艺。本文的组织如下：第2节简要讨论视网膜假体和第3节阐述CMOS微型LED设计。总结见论文的结果/结论部分2. 视网膜假体2.1. 视网膜假体目前，有超过2000万人由于不同的基因突变而遭受不可逆的视力丧失[4]。更常见的视网膜疾病是视网膜色素变性和年龄相关性黄斑变性[3，4]。在视网膜色素变性病症中，视杆光感受器受到影响并导致隧道视觉和夜盲，这最终可能导致完全失明。目前正在研究许多治疗方法，如光遗传学，光开关和修复术。光遗传学被认为是最有前途的技术[5]，其中基因修饰的神经节细胞刺激由像素总数的分辨率和微型LED的功率效率决定。由于通道视紫红质（ChR2）在473 nm处具有峰值灵敏度，因此对于可见光谱的该区域，氮化镓（GaN）LED能够提供电流密度和辐照度以刺激光敏神经元。在过去，视网膜假体采用电刺激，类似于人工耳蜗。最近的研究成果由Chow等人报道，2004年，Humayun例如，2012年，Klauke等人，2011年，Palanker等人，2005年，Stingl等人，2013 [6此外，在人脸识别和视觉等应用中，可能需要大量电极（数百个）来执行任务。因此，我们认为，Fig. 1. 具有像素布局的微型LED阵列。与电刺激相比，基于神经节细胞光敏化的刺激更有希望。然而，由于这项技术仍处于新兴阶段，因此需要一种电子技术来充分理解和利用其潜力，然后才能安全地用于人体试验。以下部分报告了设计的原型，该原型有可能用作医疗保健技术开发的平台，特别是视网膜假体。3. CMOS微型LED驱动器设计为了开发刺激神经节细胞的微型LED阵列，设计了1616微型LED阵列。计算机辅助设计（CAD）布局如图1所示，该像素显示在子图中。芯片尺寸为4毫米4mm，其中测量的单个像素大小为150 µm 150 µm，焊盘尺寸为80 µm2，用于焊接球焊到LED。该芯片采用X-FAB 0.35微米工艺制造。微型LED的发射光谱以470 nm为中心，具有22 nm的半高全宽（FWHM），其与ChR2的峰值灵敏度重叠。[11 ]第10段。为了调制LED的亮度，采用脉冲宽度调制（PWM）技术，通过改变脉冲宽度来控制亮度。为了屏蔽电子电路并使发射光的影响最小化，使用金属4。行/列通信电路采用最少数量的晶体管设计，布局面积为916 µm（L）106 µm（W）。为了在串行/并行模式之间切换，设计了16位多路复用器，布局面积为249 µm（L）13.9 µm（W）。行解码器的布局面积为187。39.第39章大结局4 µm（W）。为了保持每个像素的存储器，T触发器的布局面积为68。55µm（L）× 16。15µm（W）。3.1. LED控制电路设计利用CAD工具设计了一个16 × 16的LED微阵列，并设计了多个CMOS驱动电路258A. Ghani / ICT Express 5（2019）256==T=T+0来量化刺激神经反应所需的光学效率。通过控制MOS晶体管的栅极电压来执行LED开关。回顾过去，LED亮度是通过PWM改变晶体管的开关速度来控制的。因此，通过脉冲的占空比来控制输送到负载的总电压。该技术在面积方面提供了独特的优势，因为模拟电压被转换为数字信号而无需附加电路。 波形f（t）的平均值可以表示为最大值A、最小值A0、占空比c和时间周期T。y1（0f（t）dt（1）y1（ΔcTΔdtΔ cTΔ dt）（2）yc. T. A + T。（1−c）。a0级不（三）y= c。A+（1 − c）A0（4）由于LED亮度取决于通过它的电流，信号的平均值将与波形的占空比成通过假设GaN的薄层电阻恒定，通过LED的电流将与其端子上出现的电压成正比。因此，重要的是确定可以跨LED端子施加的最大电压，而不会对控制驱动器电路产生任何击穿效应。由于足够的LED亮度将取决于可以安全应用的最大电压，X-FAB HVCMOSPMOS晶体管被用作芯片制造的驱动晶体管。高压PMOS晶体管具有独特的优势，因为它可以承受高达45 V的电压而不会击穿。3.2. 功率效率分析如先前由[11]证明的，刺激ChR 2所需的光强度通常为1mW/mm2。标准GaN LED的输出光功率效率约为其消耗的总电功率的1%。由于光在LED表面上的分散和由于通过空气传输而引起的功率损耗，由LED产生的光和光的总效率在目标神经元的顶部下降并再次下降到大约1%。为了获得所需的1 mW/mm2的额定功率，需要供应给LED的电功率量大约为10 W/mm2。二极管阻抗随着通过二极管的电流增加而减小，因此二极管两端的电压降由二极管的薄层电阻控制。因此，电路的总阻抗通过将二极管阻抗和晶体管的薄层电阻相加来计算。被测PMOS晶体管的薄层电阻为108▲。图2示出了晶体管的不同薄层电阻的输出功率的变化。图2示出了对于低于15 V的Micro LED阵列的正常工作电压，随着薄层电阻的变化，功率没有发生显著变化。图二、 输出功率（mW）与电压（V）和薄层电阻（▲）。3.3. 控制像素为了分析微型LED的功率性能，测试了许多驱动电路;然而，发现单个HVPMOS（XFAB）在最大击穿电压方面更适合控制LED。所设计的电路允许跨晶体管的最大电压，并且进而跨LED像素。因此，LED矩阵芯片中的LED选择了单晶体管电路来控制。包括LED矩阵结构的LED阵列被制造在GaN衬底中并且被倒装芯片接合到控制芯片。各个像素的控制芯片充当LED的电流源。因此，PMOS晶体管可以作为单个像素的元件集成在控制芯片中。控制芯片的组成部分是一个T触发器和PMOS LED驱动晶体管。T触发器用于保持存储器状态，以根据需要保持LED的开启和关闭。包括一系列齐纳二极管，以消除倒装焊期间积累的静电荷。由于要求每个像素是单独可控的，因此当选择特定像素时，电子电路应该向PMOS晶体管提供电压，PMOS晶体管导通LED。当选择像素的控制信号被移除时，LED应保持在ON状态，并且当再次选择像素时应关闭。因此，电路需要存储器元件，用于保持其当前状态。引入T触发器以在每次对其进行计时时切换其状态，使得其可用于接通/关断PMOS晶体管。控制像素的顶层电路图如图所示。3.第三章。3.4. 寻址模式为了完全控制可单独寻址的微型LED阵列，实现了四种不同的寻址模式，即完全串行、完全并行、行不同的主要目的0CTA. Ghani / ICT Express 5（2019）256259×图三. 像素顶层电路图寻址模式是以不同的速度控制LED像素，以满足神经刺激的要求。在控制芯片的顶部和左侧实现了两个通信解码器由于16 × 16 LED矩阵有16行16列，因此设计了4位二进制地址译码器。解码器的输入是4位二进制地址，16条输出线对应于输入二进制地址。3.5. 光电控制芯片模拟光电控制芯片的主要组件是单个像素和地址解码器。像素跨地址解码器的行和列输出连接。为了选择任何单个像素，将像素的行和列二进制地址提供给地址解码器的输入。对象的相应行和列一旦施加输入，给定的输入将变高。这将选择连接到行和列的像素，这是单个像素内的T触发器。T触发器通过打开或关闭控制晶体管来从其先前的值切换输出，从而根据先前的状态来打开或关闭LED。芯片级仿真结果如图所示。 四、3.6. 加热曲线和限制为了提高LED微阵列的性能参数，研制超高亮度LED是非常必要的。因此，设计有效的散热策略变得至关重要。高亮度需要高电流密度，这反过来又会产生更多的热量。在微型LED阵列中，重要的是增加来自单个发射器的光输出功率。这可以通过增加发射面积和注入电流来实现。然而，由于器件的自加热，这些变化不会显著增加光输出功率据观察，保持阵列开启较长时间会产生局部自加热，这从性能和医疗保健应用的角度来看都是不可取的器件的非常高的局部温度可能会损害细胞和组织，主要是因为在LED表面的p接触处产生的自加热。这种过热又降低了光输出功率和壁插效率。因此，器械发热会导致性能降低和光谱偏移[12]。为了解决这个问题，将珀耳帖冷却器附接到芯片表面，而相对于珀耳帖电压的温度曲线如图5所示。后者显示出显著的改善，其中通过增加珀耳帖电压降低了芯片的表面温度。见图4。通过直接模式（顶部四条迹线）生成4位地址，以选择16× 16阵列中的单个LED（如底部迹线所示）。260A. Ghani / ICT Express 5（2019）256图五. 芯片表面温度与珀耳帖电压。4. 结果/结论本文采用德国X-FAB公司的0.35 μm CMOS工艺设计并制作了一个控制芯片，用于开发平台并刺激视网膜神经节细胞。这涉及到低级驱动电路和高级通信电路。采用低存取RC时间常数实现了有源双稳态电路。该电路的关键是微型LED所需的驱动电流。由于输出晶体管具有高源极-漏极阻抗，因此需要驱动高达9V的电压。高压晶体管具有大阻抗，这反过来降低了组合驱动器/LED的效率。驱动线被设计为提供足够的功率，同时消除电迁移问题。由于芯片的长期使用要求微型LED保持更长时间的开启，散热成为一个主导因素。为了解决这个问题，定制设计了珀耳帖冷却器，并将其附接到芯片的表面，保持冷静。我们观察到的表面温度和珀尔帖电压方面的显着改善。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] R. 马 克 河 法 伊 弗 湾 Jones ， Retinal prosthetics ， optogenetics ，andchemical photoswitches，ACS Chem.Neurosci. 5（10）（2014）895-901。[2] M.R. Krames等人，固态照明用大功率发光二极管的现状和未来，J.Display Technol.3（2）（2007）160-175。[3] N. McAlinden等人，用于体内光遗传神经刺激的微型LED探针的热和光学表征，Opt. Lett. 38（6）（2013）992-994。[4] S.J. Garg，J. Federman，视网膜营养不良的光遗传学、视觉假体和电刺激，Curr. Opin.眼用醇24（5）（2013）407-414。[5] K. Deisseroth，Optogenetics，Nature Methods 8（2011）26-29.[6] A. Chow等人， 人工硅视网膜微芯片治疗视网膜色素变性视力丧失，眼科学。122（4）（2004）460-469。[7] M.S. Humayun等人，第二视力视觉假体国际试验的中期结果，眼科学119（4）（2012）779-788。[8] S. Klauke等人， 无线眼内视网膜前植入物刺激盲人的视觉感知，投资。眼用醇目视Sci. 52（1）（2011）449-455。[9] D. 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