解决健康问题的天然生物动力系统
文章作者:马克·斯坦斯贝里
自然生物动力系统将成为干细胞研究新进展的催化剂，并导致低成本替代个性化干细胞和广泛的医疗健身治疗。
传感器设备正在推动个性化医疗和干细胞技术的进步。个人健康监测仪等设备显示了近红外光学传感器的可行性以及光在医疗诊断中的作用。目前的研究还表明，不仅光，而且声音、电磁波[23]、磁场和电场[18,21]、温度[3]和pH梯度都将在超便携治疗医疗系统的发展中发挥核心作用。在细胞分化中使用电磁和光(光遗传学)场[32,33,34]表明，这些系统，自然生物动力系统，或某些术语称为整体医疗系统，将成为干细胞研究新进展的催化剂，并导致低成本的替代个性化干细胞和广泛的医疗健身疗法。
自然生物动力系统
一个自然的生物动力系统是一个系统，它测量和刺激一个生物系统，以获得一个期望的生物反应。它经常以重复的方式实时运行，分析音频、生物分子、化学、吸热、放热、电、电磁、机电、机械和光学数据，并应用衍生刺激将生物系统置于所需状态，如细胞修复和再生。
自然生物动力系统为健康和环境问题提供解决方案。这是因为它们可以实时识别大量的病原体、细胞类型(如使用弥漫性光学光谱成像的癌细胞)[13]、元素、离子、生物大分子、基因表达、生物过程和其他生物标志物。它们还可以间接和直接纠正生物缺陷或中和对生物系统的环境和健康威胁。个人健身监测器在一定程度上符合这一定义。他们监测生物标志物，如氧气和葡萄糖水平以及心率，但不提供纠正性刺激。这些设备依赖于系统的佩戴者采取纠正措施。
自然生物动力系统的组成部分
典型的自然生物动力系统，如个人健身监测器，是可穿戴的或手机的一部分[2,5,14]。基本的电子元件包括生物受体、生物传递器、阻抗缓冲器、跨阻放大器[9]、微控制器或数字信号处理器、数模转换器[10]、模数转换器和开关。
这些系统的一般操作是基于激励频谱的传输和响应频谱的分析。例如，应用了近红外光谱，并分析了反射光谱。相关的生物标记，如氧气含量和心率，直接从反射光计算。
生物动力系统的另一个目标是为一组特定的刺激谱找到一个独特的反应谱，以识别细胞类型、病原体、宏观生物分子或元素。刺激谱和反应谱可以是电的、磁的、光的、声音的、热的或任何其他类型的刺激。独特的反应谱，一旦发现，建立一个独特的签名的特定生物标志物，允许预先编程的反应的生物标志物。
图1一种生物动力医学治疗系统由生物受体、生物递质、信号放大器、差分阻抗缓冲器、分子机器和模拟神经处理器组成。
Bioreceptors和biotransmitters
最流行的自然生物动力系统是基于近红外生物受体和生物递质，通常被称为近红外光谱仪或近红外传感器。红外传感器除了可以检测生物系统中的脉搏率、氧、葡萄糖[12]水平外，还可以检测生物和环境生态系统中的砷等重金属[8]等元素。红外线已经被用于许多不同行业的杂质检测，如对咖啡豆[16]。它们还被用于消费者智能手机应用程序，用于分析杂货店商品，称重水果[2]，优化医用大麻植物[4]的大麻二酚(CPD)产量。
虽然近红外是目前主流的生物传感器技术，用于低成本和便携式分析生物生命形式和物理物质[8]，但它在检测低水平污染物(如农药)方面尚未显示出成本效益。为此，电场生物收发器提供了一个潜在的解决方案[1]。
如果为了纯度的测定而牺牲了精确识别污染物或病原体的能力，成本较低的系统可能会生产得更经济。可以对纯水或安全水进行光谱分析。来自水样的响应光谱可以与纯标准光谱进行比较，以确定水是否安全，相对于它被什么污染。
放大网络
生物动力系统运行的核心是生物受体界面，即放大网络。生物受体直接与驱动放大网络的换能器相连。放大网络由阻抗缓冲器和前置放大器(通常是跨阻抗放大器)组成。由于传感器通常表现出高阻抗，在低频率下工作，输出低电压和低电流，放大网络必须为低噪声和高输入阻抗进行优化。由于这些因素，高输入阻抗、低输入电容、低噪声的jfet常被用来构造阻抗缓冲器。这里使用jfet的另一个原因是它们有低闪烁噪声(低频产生的噪声)。
在阻抗缓冲块中使用的典型电路拓扑包括JFET差分前端，JFET源跟随器，JFET级联和折叠级联设计。万博投注网址jfet与双极晶体管和低成本运放的结合经常被用来“提供更好的输入偏置电流噪声和等效输入噪声电压方面的噪声性能”，以避免包含昂贵的低噪声运放[46,47]。
用作前端缓冲器的公共JFET电路是基于超低噪声LSK489 JFET的JFET差分电路。LSK489具有非常低的输入电容，低噪声系数，以及接地到换能器所需的非常高的输入阻抗。
图2JFET互补级编码差分缓冲器拓扑，基于LSK489互补JFET，是许多基于JFET的设计之一，用作阻抗缓冲器[47]。万博投注网址
[继续阅读EDN US的完整参考书目和更多关于系统操作)
马克Stansberry以作家、出版商、工程师、教育家、技术研究和市场分析师的身份参与科技和教育行业。
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