第一部分：眼睛與耳朵隨著現(xiàn)代電子技術(shù)在醫(yī)療和生物領(lǐng)域的進(jìn)展,，我們的眼,、耳、肺,、心,、腦功能都有可能得到增強(qiáng)。

科幻劇《無(wú)敵金剛》(The Six MillionDollar Man)搬上電視熒屏距今已差不多有40年時(shí)間,，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)與納米技術(shù),、高級(jí)植入技術(shù)、太陽(yáng)能與光能設(shè)備,，以及醫(yī)學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域傳感器重要發(fā)展的融合,，科學(xué)幻想正在成為現(xiàn)實(shí)?？茖W(xué)創(chuàng)新催生了增強(qiáng)和代替人體器官的基于傳感器的電子設(shè)備,。這些電子設(shè)備包括WBAN(無(wú)線體域網(wǎng))以及增強(qiáng)或代替眼睛和耳朵的設(shè)備,。本文第一部分描述了創(chuàng)新的傳感器技術(shù)，以及從傳感器直到微控制器的微型化,、可植入以及無(wú)線電子接口方式,。第二部分將討論肺、心臟和大腦,。

傳感器與無(wú)線通信設(shè)備的發(fā)展使我們能夠設(shè)計(jì)出微型,、高成本效益以及智能的生理傳感器結(jié)點(diǎn)。一個(gè)創(chuàng)新是可穿戴的健康監(jiān)控系統(tǒng),，如WBAN,。針對(duì)這一技術(shù)的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了一個(gè)與醫(yī)療傳感器體域網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的小功率低數(shù)據(jù)速率無(wú)線方案。2011年,，意法半導(dǎo)體公司推出了自己的未來(lái)“cyborg”技術(shù),，包括傳感器和MEMS，以及iNEMO(慣性模塊評(píng)估板)結(jié)點(diǎn)(圖1),。

圖1，意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)了一些用于個(gè)人與診斷的傳感器應(yīng)用

在這一領(lǐng)域的其它供應(yīng)商中,，Analog Devices也提供了一些先進(jìn)的活動(dòng)監(jiān)控解決方案,，以及傳感器接口元件，而德州儀器公司提供了一個(gè)帶Tmote Sky的開(kāi)發(fā)套件,，這是下一代的“mote”平臺(tái),，即針對(duì)極低功耗、高數(shù)據(jù)速率傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的遠(yuǎn)程平臺(tái),，有容錯(cuò)和易于開(kāi)發(fā)的雙重設(shè)計(jì)目標(biāo),。TI公司的Tmote Sky套件號(hào)稱(chēng)有10KB的片上RAM(所有mote中的最大容量)，IEEE 802.15.4射頻,，以及一個(gè)125m作用范圍的集成板載天線,。

幫助盲人重見(jiàn)光明

視網(wǎng)膜修復(fù)技術(shù)可以幫助患視網(wǎng)膜退化疾病，如可能致盲的黃斑變性的人群恢復(fù)視力(參考文獻(xiàn)1),。研究人員做了臨床植入研究,，證明植入假體最終可彌補(bǔ)眼睛失去的功能，研究采用了一種植入物,，包含一個(gè)15通道的激勵(lì)芯片,、分立的電源元件，以及與眼睛外壁吻合的電源與數(shù)據(jù)接收線圈,。波士頓視網(wǎng)膜植入項(xiàng)目的研究人員在一只豬的視網(wǎng)膜下區(qū)域植入了一個(gè)陣列,，而大部分假體(一個(gè)鈦制的密封電子組件盒)則附著在鞏膜的外表面，或眼白部分,。盒中伸出一個(gè)螺旋狀電極陣列,，延伸至眼的顳上象限(圖2),。系統(tǒng)有一個(gè)外接的視頻捕捉單元，以及一個(gè)能向設(shè)備植入部分發(fā)送影像數(shù)據(jù)的發(fā)射機(jī)(圖3),。一只定制ASIC將圖像轉(zhuǎn)換為兩相的電流脈沖,，其送至電極陣列的強(qiáng)度、周期以及頻率都是可編程的(圖4),。Minco公司也提供了針對(duì)植入體的先進(jìn)柔性電路,，有助于實(shí)現(xiàn)這一面向170萬(wàn)遭受此類(lèi)眼疾痛苦的人們的項(xiàng)目。

圖2，波士頓視網(wǎng)膜植入項(xiàng)目的研究人員在一頭豬的視網(wǎng)膜下區(qū)域植入了一個(gè)陣列,，但把假體的大部分(一個(gè)鈦制的密封電子組件)裝在鞏膜的表面,。電極陣列從盒中蜿蜒而出，延伸到眼睛的顳上象限

圖3,，此系統(tǒng)有外置的視頻捕捉單元,，還有一個(gè)發(fā)射器，它以無(wú)線方式將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給植入的裝置

圖4,，定制ASIC將圖像轉(zhuǎn)換為兩相的電流脈沖,，對(duì)一個(gè)電極陣列其強(qiáng)度、周期與頻率都是可以編程設(shè)定的

自研究人員兩年前開(kāi)始做這個(gè)臨床研究以來(lái),，電子技術(shù)發(fā)生了很多進(jìn)步,，改善了微型化，降低了功耗,，并增加了集成度,，這一努力最終有望形成產(chǎn)品，得到FDA(食品與藥物管理局)批準(zhǔn)應(yīng)用于人體,。這些技術(shù)進(jìn)步的例子包括：德州儀器公司符合無(wú)線充電聯(lián)盟Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線接收器與發(fā)射器技術(shù),，該公司為改進(jìn)的負(fù)載系統(tǒng)提供符合標(biāo)準(zhǔn)的通信，用于無(wú)線電源傳輸,、AC/DC電源轉(zhuǎn)換,、輸出電壓調(diào)整,，以及動(dòng)態(tài)整流器控制等。采用德州儀器的無(wú)線電源產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)套件,，就可以做出全套的無(wú)接線電源傳輸與充電設(shè)計(jì),。飛思卡爾與AnalogDevices公司也提供這一領(lǐng)域的低功耗無(wú)線產(chǎn)品。

另外一項(xiàng)臨床研究是采用有望實(shí)現(xiàn)高分辨率視網(wǎng)膜假體的光電二極管電路,。在這項(xiàng)研究中,，斯坦福大學(xué)的研究人員正在努力研究有源偏置光敏電路與無(wú)源光伏電路(參考文獻(xiàn)2)。該大學(xué)眼科系與漢森實(shí)驗(yàn)物理實(shí)驗(yàn)室副教授Daniel V Palanker稱(chēng),，他用了一臺(tái)筆記本電腦處理來(lái)自攝像頭的數(shù)據(jù)流,， 用一塊微型LCD(類(lèi)似于視頻眼鏡)顯示得到的數(shù)據(jù)。約900nm波長(zhǎng)的近IR(紅外)光以0.5ms間隔照亮LCD,，相當(dāng)于約30?的視場(chǎng),。這個(gè)脈沖將影像通過(guò)眼球投射到視網(wǎng)膜上。然后,，視網(wǎng)膜下一個(gè)植入的3mm直徑芯片中的光伏像素接收IR影像,，相當(dāng)于10?的視場(chǎng)。每個(gè)像素都將脈沖光轉(zhuǎn)換為一個(gè)成比例的雙相脈沖電流,，將視覺(jué)信息攜帶給有病的視網(wǎng)膜組織,。

與光敏系統(tǒng)比較，光伏系統(tǒng)中沒(méi)有額外的電源,，從而大大簡(jiǎn)化了假體的設(shè)計(jì),、制造，以及相關(guān)的手術(shù)過(guò)程,，前者需要有源的偏置電壓,。研究人員計(jì)劃在未來(lái)研究中，確定各個(gè)視網(wǎng)膜神經(jīng)元對(duì)這種激勵(lì)的響應(yīng),。

幫助聾人獲得聽(tīng)力

生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的另一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域是耳蝸植入,。這些植入體的主要目標(biāo)是通過(guò)電刺激，安全地提供或恢復(fù)功能聽(tīng)力(參考文獻(xiàn)3),。植入體包括放在耳后一個(gè)外置單元中的處理器和一個(gè)電池,，外置單元用一只話筒拾取聲音，將聲音轉(zhuǎn)換到數(shù)字域,，將數(shù)字信號(hào)處理并編碼成一個(gè)RF信號(hào),，然后將其發(fā)送給耳機(jī)中的天線(圖5)。醫(yī)生通過(guò)手術(shù),，在耳后皮膚下面放置了內(nèi)置接收器,，一塊磁鐵吸附在它外面，將耳機(jī)固定。密封的激勵(lì)器包含有源的電子電路,，它從RF信號(hào)獲得能量來(lái)解碼信號(hào),，并將其轉(zhuǎn)換為電流，然后將其發(fā)送給連接耳蝸的導(dǎo)線,。導(dǎo)線末端的電極刺激連接到中央神經(jīng)系統(tǒng)的聽(tīng)覺(jué)神經(jīng),，這些神經(jīng)將電脈沖解析為聲音。

圖5，植入耳蝸將聲音轉(zhuǎn)換為電脈沖,，送給聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)。話筒將聲音捕捉給聲音處理器(a),。聲音處理器將聲音轉(zhuǎn)換為詳細(xì)的數(shù)學(xué)信息 (b),。磁耳機(jī)將數(shù)字信號(hào)發(fā)送給植入的耳蝸(c)。植入耳蝸將電信號(hào)發(fā)送給聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)(d),。收聽(tīng)到的神經(jīng)將脈沖發(fā)給大腦,，這將脈沖解析成為聲音

外置的語(yǔ)言處理器中包含一個(gè)DSP、一個(gè)功率放大器和一個(gè)RF發(fā)射器,。DSP提取出聲音的特征,，將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)據(jù)流，RF發(fā)射器將其發(fā)射出去,。DSP還在一個(gè)存儲(chǔ)映像中包含了病人的信息,。外置PC的適配程序可以設(shè)置或修改存儲(chǔ)映像，以及其它語(yǔ)音處理參數(shù),。

內(nèi)部單元有一個(gè)RF接收器,，以及一個(gè)密封的刺激器。這個(gè)內(nèi)部植入單元沒(méi)有電池供電,，因此接收器必須從RF信號(hào)獲得能量,。然后，充電的刺激器解碼RF碼流,，將其轉(zhuǎn)換為電流,，送給聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)處的電極。一個(gè)反饋系統(tǒng)監(jiān)控著植入體內(nèi)的關(guān)鍵電氣與神經(jīng)活動(dòng)，并將這些活動(dòng)傳送回外置單元(圖6),。

圖6,，一個(gè)反饋系統(tǒng)監(jiān)護(hù)著植入體的關(guān)鍵電活動(dòng)與神經(jīng)活動(dòng),，并將這些活動(dòng)傳回到外置單元

Advanced Bionics公司開(kāi)發(fā)出了一個(gè)可植入電子平臺(tái)，它提供了更多通道,，以及通過(guò)電流導(dǎo)引而生成虛擬通道的能力,。該公司R&D副總裁Lee Hartley稱(chēng)，在開(kāi)發(fā)復(fù)雜的聲音處理傳感器時(shí),，最大的挑戰(zhàn)之一就是提高在噪聲聽(tīng)音環(huán)境中的聆聽(tīng)能力,。他說(shuō)：“耳蝸植入接收器對(duì)于辨別響度水平以及不同頻率通道的能力不足。這更增加了改善語(yǔ)言理解與音樂(lè)欣賞的挑戰(zhàn),；我們需要智能地將信息從噪聲中分離出來(lái),。”

Hartley表示，接下來(lái)能大大改進(jìn)耳蝸植入系統(tǒng)及性能的重要領(lǐng)域包括：與商務(wù)設(shè)備的隨處無(wú)線連接能力,；低功耗下更加智能的場(chǎng)景分析算法,，以及使病人能夠接收臨床醫(yī)師耳蝸植入服務(wù)的技術(shù)，而與病人或醫(yī)師的位置無(wú)關(guān),。他解釋說(shuō)：“業(yè)界的技術(shù)趨勢(shì)是系統(tǒng)架構(gòu)與服務(wù)模型,，它將盡可能減小整個(gè)耳蝸植入系統(tǒng)的可見(jiàn)性。Hartley預(yù)計(jì),，IC技術(shù)的發(fā)展將提供無(wú)線功能,，降低系統(tǒng)功耗。他說(shuō)：“我認(rèn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)繼續(xù)模塊化,，接受者將根據(jù)自己不斷變化的需求,，定制自己的體驗(yàn)。”

信號(hào)處理大大改善了耳蝸植入的性能,。聲音可以建立模型,，使語(yǔ)音成為周期聲源，而非語(yǔ)音則成為噪聲源,。聲道的諧振特性可過(guò)濾聲音的頻率頻譜,。還有一個(gè)辦法是，聲源可以建模成為一個(gè)載波,，而聲道則作為一個(gè)調(diào)制器,，表示出嘴或鼻的開(kāi)閉。聲源通常會(huì)快速變化,，而濾波器的反應(yīng)更慢得多(參考文獻(xiàn)3),。

所有現(xiàn)代耳蝸植入體的內(nèi)部單元都要通過(guò)一個(gè)經(jīng)皮RF鏈接連到外部單元上，這是為用戶(hù)的安全和方便性著想。RF鏈接采用了一對(duì)電感耦合線圈,，不僅傳輸數(shù)據(jù),，同時(shí)傳送電源。RF傳送單元有一些挑戰(zhàn)性工作,，如高效地放大信號(hào)與功率,，并保持對(duì)EMI的抵抗力。它的第二個(gè)功能是提供可靠的通信協(xié)議,，包括一個(gè)信號(hào)調(diào)制模式,、位編碼、幀編碼,、同步,，以及后臺(tái)遙測(cè)的檢測(cè)。

耳蝸植入體的RF設(shè)計(jì)可能有很多相互沖突的挑戰(zhàn),，需要謹(jǐn)慎地權(quán)衡,。例如，要延長(zhǎng)電池壽命,，功率發(fā)射器必須是大功率高效設(shè)計(jì),。于是，很多現(xiàn)代植入體都采用高效率的E類(lèi)放大器,。但E類(lèi)放大器是非性線的,，它們有波形失真，限制了數(shù)據(jù)發(fā)射速率,。另外一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)高功率效率發(fā)射與接收線圈的要求。RF系統(tǒng)為了獲得最大功率,，要工作在其諧振頻率上,，或一個(gè)窄帶寬上，但是RF系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)卻不能限制帶寬,。另外,，雖然這些設(shè)備要求有高的發(fā)射頻率，但這樣就需要大的線圈,。而在一個(gè)實(shí)際可用設(shè)計(jì)中,，發(fā)射與接收線圈的尺寸都必須小到從美容角度可接受的程度。

內(nèi)部單元中的接收器與激勵(lì)器是耳蝸植入體的引擎(圖7),。ASIC(虛線中)完成關(guān)鍵的功能,，確保安全而可靠的電激勵(lì)。它有一個(gè)直通數(shù)據(jù)解碼器的路徑,，能從RF信號(hào)中恢復(fù)數(shù)字信息,，并通過(guò)對(duì)錯(cuò)誤和安全性的檢查，確保正確的解碼。數(shù)據(jù)分配器通過(guò)轉(zhuǎn)換多工器的開(kāi),、關(guān)狀態(tài),，將解碼后的電激勵(lì)參數(shù)送至可編程電流源。返回路徑包括一個(gè)后臺(tái)遙測(cè)電壓采樣器,，用于讀取某個(gè)時(shí)刻記錄電極上的電壓,。然后，PGA(可編程增益放大器)放大電壓,，ADC將其轉(zhuǎn)換到數(shù)字域,，并保存在存儲(chǔ)器中，再用后臺(tái)遙測(cè)技術(shù)將其發(fā)送給外置單元,。ASIC也有很多控制單元,，如從時(shí)鐘生成的RF信號(hào)，直到指令解碼器,。ASIC對(duì)某些功能的集成不太方便,，如穩(wěn)壓器、發(fā)電器,、線圈和RF調(diào)諧回路,，以及后臺(tái)遙測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)制器等，但這些領(lǐng)域也正在不斷發(fā)展中,。

圖7，內(nèi)部單元中的接收器和刺激器是植入耳蝸的引擎

DAC和電流鏡組成電流源,，根據(jù)來(lái)自數(shù)據(jù)解碼器的幅度信息,，產(chǎn)生激勵(lì)電流。這個(gè)電流源必須很精確,，也充滿(mǎn)著挑戰(zhàn),。例如，由于工藝差異,，MOSFET的源極與漏極關(guān)系不是恒定的,，同時(shí)，柵極與源極之間的電壓差控制著漏極的電流量,。因此,，電路需要一個(gè)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，對(duì)基準(zhǔn)電流作精細(xì)調(diào)節(jié),。新設(shè)計(jì)有多只DAC,，以獲得所需要的精確電流，因此無(wú)需使用電位器,。理想的電流源有無(wú)限大的阻抗,，因此很多設(shè)計(jì)者采用級(jí)聯(lián)電流鏡,，付出的代價(jià)是降低了電壓的裕度，增加了功耗,。

這些權(quán)衡必須謹(jǐn)慎地考慮和實(shí)現(xiàn),。有些耳蝸植入產(chǎn)品有多個(gè)電流源，較老的裝置需要一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò),，將一個(gè)電流源連接至多個(gè)電極,。新設(shè)計(jì)則使用了多個(gè)順序或同時(shí)的電流源。在這些設(shè)計(jì)中,，P溝道和N溝道電流源都可生成激勵(lì)的正,、負(fù)相位。挑戰(zhàn)是要匹配P溝道和N溝道電流源,，確保正負(fù)電荷的平衡,。自適應(yīng)恒流電壓可以減少功耗，保持高阻抗,。

工程師們都更喜歡采用ASK(幅移鍵控)調(diào)制,，而不是FSK(頻移鍵控)調(diào)制，因?yàn)锳SK有簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法,，以及高頻RF信號(hào)下的低功耗,。多虧了各團(tuán)隊(duì)工程師、科學(xué)家,、物理學(xué)家和企業(yè)家的不懈努力與合作,，安全且費(fèi)用合理的激勵(lì)方法已恢復(fù)了全球超過(guò)12萬(wàn)人的聽(tīng)力。這些假體已成為指導(dǎo)其它神經(jīng)假體開(kāi)發(fā)的模型,，可望提高幾百萬(wàn)人的生活質(zhì)量,。

第二部分：大腦、心臟與肺患有腦病和心肺病的人們受益于21世紀(jì)電子,、生物以及醫(yī)療技術(shù)的協(xié)同,。

生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)研究的動(dòng)力來(lái)自于“嬰兒潮”人口的老化及他們的醫(yī)療需求。這一局面刺激了新型生物技術(shù)的快速發(fā)展,，以及在預(yù)防醫(yī)學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)新的醫(yī)療診斷與治療方式的采用。后來(lái),，植入技術(shù)與先進(jìn)無(wú)線電子媒介將有助于減緩今天社會(huì)高漲的醫(yī)療費(fèi)用,，使我們今后更健康長(zhǎng)壽。

本文第一部分討論了眼睛和耳朵,，本部分將討論大腦,、心臟和肺，技術(shù)的發(fā)展將改善工程,、生物以及醫(yī)學(xué)之間的橋梁,，增強(qiáng)這些器官的功能,。

本文將揭示出新裝置的微型化、便攜能力,、連接性,、人性化、安全以及可靠性是如何推動(dòng)這方面的嘗試,，從而改善人體中那些老化或帶病/損傷器官所要求的脆弱性質(zhì)與微妙平衡,。

大腦

對(duì)于癲癇、帕金森癥(PD)甚至強(qiáng)迫癥(OCD)患者,，閉合深腦刺激(CDBS)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)電子解決方案的優(yōu)秀例子,，它改善了那些遭受這些痛苦折磨的人們的生活質(zhì)量。

DBS系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)病人的腦電波(EEG),，自動(dòng)產(chǎn)生DBS電脈沖,，防止癲癇的發(fā)作，甚至幫助減輕PD的震顫,。DBS向大腦的不同區(qū)域發(fā)送特定的刺激,。DBS用于那些拒絕藥物治療的病人，以及有癥狀波動(dòng)和震顫的病人,。

迄今為止,，只有Medtronic公司有通過(guò)FDA批準(zhǔn)的DBS產(chǎn)品。他們的雙側(cè)大腦DBS裝置于2002年通過(guò)了FDA的批準(zhǔn),，帶有兩個(gè)神經(jīng)刺激器,，每個(gè)用于一個(gè)大腦半球。與心臟起搏器類(lèi)似,，DBS用一個(gè)神經(jīng)刺激器產(chǎn)生并提供高頻的電脈沖,，通過(guò)延長(zhǎng)線與電極，送至大腦中的丘腦下核(STN)區(qū)或蒼白球內(nèi)側(cè)(GPi)部分,。Medtronics的Soletra神經(jīng)刺激器是最先進(jìn)的電池供電裝置之一,。

神經(jīng)刺激器通常要由受過(guò)訓(xùn)練的技術(shù)人員在手術(shù)后編程，以尋找減輕帕金森癥狀的最有效信號(hào)參數(shù),。圖1是Medtronic公司標(biāo)準(zhǔn)DBS產(chǎn)品的一個(gè)簡(jiǎn)單框圖,。

圖1，Medtronic深腦刺激系統(tǒng)的框圖,，它采用了一個(gè)神經(jīng)刺激器,，為部分大腦產(chǎn)生和提供高頻電脈沖

建議CDBS基本設(shè)計(jì)如下：

CDBS裝置可以直接與記錄、刺激電極連接,。8個(gè)記錄電極被植入到運(yùn)動(dòng)皮層中,，64個(gè)刺激電極被植入到大腦的STN部分,。這種64通道可單點(diǎn)控制的刺激能夠獲得各種刺激模式，最有效地治療帕金森癥狀,。

從植入微電極獲得的神經(jīng)信號(hào)要用8個(gè)前端低噪聲神經(jīng)放大器(LAN)做調(diào)整,。由于神經(jīng)脈沖的幅度小，有時(shí)要用集成前置放大器去放大這些小信號(hào),，然后再做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,。前端設(shè)計(jì)需要低噪聲，以保證信號(hào)的完整性,。

前端的帶通LNA通常增益為100量級(jí),，而LNA的輸入設(shè)計(jì)需要盡可能減小1/f噪聲?？梢詫⒁环N開(kāi)關(guān)電容技術(shù)用于電阻模擬和1/f降噪,。開(kāi)關(guān)電容電路對(duì)信號(hào)做調(diào)制，這樣1/f噪聲就可以降低為熱噪聲,。開(kāi)關(guān)電容的放大濾波器能夠同時(shí)很好地記錄神經(jīng)脈沖和場(chǎng)電勢(shì),。

多個(gè)LNA被復(fù)用到一個(gè)大動(dòng)態(tài)范圍的對(duì)數(shù)放大器前端，進(jìn)入一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),，從而不必做模擬自動(dòng)增益控制,。

為了覆蓋大腦刺激所產(chǎn)生的小信號(hào)神經(jīng)脈沖以及大信號(hào)局部場(chǎng)電勢(shì)(LFP)響應(yīng)的整個(gè)范圍，大動(dòng)態(tài)范圍ADC需要對(duì)所有需要的神經(jīng)信息做數(shù)字化,。ADC前端所使用的對(duì)數(shù)放大器能夠達(dá)到所需的動(dòng)態(tài)范圍,。對(duì)數(shù)編碼非常適用于神經(jīng)信號(hào)，并且有效率,，因?yàn)榇髣?dòng)態(tài)范圍可以用一個(gè)短字長(zhǎng)來(lái)表示,。為了節(jié)約面積和功耗，采用了相對(duì)較大動(dòng)態(tài)范圍的ADC,，因此就不必采用模擬自動(dòng)增益控制,。

ADC需要一個(gè)數(shù)字濾波器，用于將低頻神經(jīng)場(chǎng)電勢(shì)信號(hào)從神經(jīng)脈沖能量中分離出來(lái),。這個(gè)工作可以采用一個(gè)22個(gè)接頭的有限脈沖響應(yīng)(FIR)Butterworth型數(shù)字濾波器,。

使用數(shù)字濾波器而不是模擬或混合信號(hào)濾波器有很多優(yōu)點(diǎn)。首先,，數(shù)字濾波器是可編程的,，因此可以調(diào)整其運(yùn)行， 而不用修改硬件,， 而模擬濾波器只有修改設(shè)計(jì)才能做更改,。數(shù)字濾波器用作雙工器,，將脈沖與LFP的兩個(gè)頻段分離開(kāi)來(lái),。模擬濾波器電路容易漂移,，并依賴(lài)于溫度，而數(shù)字濾波器則沒(méi)有這些問(wèn)題,，無(wú)論是時(shí)間還是溫度都不會(huì)有影響,。

電刺激器生成64個(gè)通道的兩相電荷平衡刺激電流。一只專(zhuān)用控制器通過(guò)一個(gè)I/O通道,，產(chǎn)生這些刺激模式,，控制64只電流導(dǎo)引DAC。64個(gè)DAC可以構(gòu)成一個(gè)級(jí)聯(lián)的共享2位粗粒度電流DAC和64個(gè)獨(dú)立的雙向4位細(xì)粒度DAC,，或類(lèi)似的配置,。

DAC有48種可能的電流值?？梢允褂靡粋€(gè)細(xì)粒度ADC和一個(gè)極性轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān),，選擇DAC的正負(fù)輸出，達(dá)到電荷平衡的雙相刺激,，這有助于減少長(zhǎng)期的組織損傷風(fēng)險(xiǎn),。

圖2是一個(gè)用于CDBS系統(tǒng)的單芯片，它與一只微處理器連接,，就可獲得一個(gè)完整的CDBS系統(tǒng),。該項(xiàng)目主管Michael Flynn說(shuō)：“微處理器告訴芯片有關(guān)位置和方式的信息，芯片做其它工作,。”

圖2，典型的閉環(huán)深腦刺激(CDBS)芯片系統(tǒng)框圖

在醫(yī)療電子領(lǐng)域,，飛思卡爾一直與做定制模擬設(shè)計(jì)的Cactus半導(dǎo)體公司合作,。Cactus半導(dǎo)體公司的醫(yī)療業(yè)務(wù)集中在同時(shí)涉及可植入和便攜應(yīng)用的集成電路設(shè)計(jì)，如神經(jīng)刺激,、起搏,、除顫、超聲,，以及醫(yī)療監(jiān)護(hù)(如血糖儀),。(見(jiàn)附文)

飛思卡爾也有采用低功耗微控制器、集成模擬前端(AFE)以及低功耗算法的醫(yī)療解決方案,。其無(wú)線通信解決方案能確保低功耗的運(yùn)行模式,，以及能夠快速喚醒的睡眠模式。

為了推出下一代DBS ,， 以及供研究人員探索神秘大腦的工具,，Medtronic公司正在開(kāi)發(fā)雙向腦機(jī)接口(BMI)。一旦完成了所有實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),，并在不久的將來(lái)被批準(zhǔn)用于人腦研究,，這種技術(shù)有望成為大腦研究前沿的重要工具?，F(xiàn)在它正處于臨床前期研究階段，尚沒(méi)有被批準(zhǔn)的產(chǎn)品,。

正如圖3中的功能框圖所示,，神經(jīng)接口(NI)技術(shù)核心是當(dāng)前已發(fā)布神經(jīng)刺激器中的刺激器和遙測(cè)系統(tǒng)(Medtronic的ActivaPC)。

圖3，這個(gè)功能框圖表示了一個(gè)雙向神經(jīng)接口系統(tǒng),，神經(jīng)接口(NI)技術(shù)核心是已發(fā)布神經(jīng)刺激器中存在的刺激器與遙測(cè)系統(tǒng)

參見(jiàn)圖4,，傳感器硬件、算法處理器以及固件部分插入到現(xiàn)有架構(gòu)中,，在物理域和算法域之間有定義良好的信號(hào)路徑,。

圖4，雙向腦機(jī)接口原型中的傳感器硬件,、算法處理器與固件區(qū)都插到現(xiàn)有架構(gòu)中,，并有物理域和算法域中定義良好的信號(hào)路徑

心臟

“體積小”、“無(wú)線”,、“無(wú)接觸”,，這些詞匯都不可能與過(guò)去的ECG裝置搭上關(guān)系。現(xiàn)在電子技術(shù)的新進(jìn)展促成了更緊湊更便攜的設(shè)計(jì),，有些帶有無(wú)線功能,，傳感器甚至不需要與人體有物理或電阻觸點(diǎn)。

集成電路的發(fā)展造就了ECG設(shè)計(jì)的小型化,，如德州儀器公司高集成度的ADS1298R AFE,，它還包含了全集成的呼吸阻抗測(cè)量功能。圖5給出了一個(gè)集成AFE設(shè)備,，它就像是ADS12998加上ECG架構(gòu)的其它重要部分,。

圖5,，帶有集成模擬前端(AFE)設(shè)備心電解決方案

ECG系統(tǒng)功能與進(jìn)展

ECG機(jī)的基本功能包括ECG波形顯示(可以采用LCE屏幕或打印紙介質(zhì)),、心律指示及采用按鍵的簡(jiǎn)單用戶(hù)界面。越來(lái)越多的ECG產(chǎn)品中需要更多的功能,，例如用方便介質(zhì)做病人記錄的存儲(chǔ),，無(wú)線/有線傳輸，以及在有觸摸功能大型LCD屏的2D/3D顯示等。

多級(jí)診斷能力也在為醫(yī)生和沒(méi)有特殊ECG訓(xùn)練的人們提供幫助,，讓他們理解ECG圖形,，以及對(duì)某些心臟狀況的提示(下面會(huì)討論Monebo算法)。當(dāng)ECG信號(hào)被捕捉和數(shù)字化時(shí),，將被送去做顯示和分析，分析工作涉及更進(jìn)一步的信號(hào)處理,。

信號(hào)采集的挑戰(zhàn)

ECG信號(hào)的測(cè)量可能極具挑戰(zhàn)性,，因?yàn)榇嬖谥蟮腄C偏壓，以及各種干擾信號(hào),。一個(gè)典型電極上的這種電勢(shì)可以高達(dá)300mV,。干擾信號(hào)包括來(lái)自電源的50Hz/60Hz干擾、由于病人活動(dòng)而造成的運(yùn)動(dòng)干擾,、電外科設(shè)備的射頻干擾,、除顫脈沖、起搏器脈沖,，以及其它監(jiān)護(hù)設(shè)備的干擾,。

對(duì)于不同的最終設(shè)備， 一臺(tái)ECG將需要不同的精度和帶寬：- 頻率在0.05Hz~30Hz之間的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)護(hù)需求,；- 頻率從0.05Hz~1000Hz的診斷型監(jiān)護(hù)需求,。

采用高輸入阻抗儀表放大器(INA)可以抑制掉一些50Hz/60Hz的共模干擾，它消除了兩個(gè)輸入端上共同的交流線噪聲,。要進(jìn)一步抑制線路上的電源噪聲,，可將信號(hào)反向，再由一個(gè)放大器通過(guò)右腿回送給病人,。只要幾微安甚至更小的電流,，就可以顯著提高CMR，并保持在UL544的限制范圍內(nèi),。另外,，50Hz/60Hz的數(shù)字陷波濾波器也可以進(jìn)一步降低這種干擾。

模擬前端的選項(xiàng)

對(duì)于便攜ECG而言,，優(yōu)化模擬前端的功耗以及PCB區(qū)非常關(guān)鍵,。由于技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在有幾種前端的選擇：

- 采用低分辨率ADC(需要所有的濾波器),；

- 采用高分辨率ADC(需要少量濾波器),；

- 采用Σ-Δ ADC(不需要濾波器，除INA外不需要放大器,，無(wú)DC偏移),；

- 采用順序或同步采樣方案。

當(dāng)使用低分辨率( 16位)ADC時(shí)，信號(hào)需要顯著地提高增益(通常是100x~200x),，才能達(dá)到所需分辨率,。當(dāng)使用高分辨率(24位)ADC時(shí)，信號(hào)需要4x~5x的適度增益,。這樣就可以省掉第二個(gè)增益級(jí),，以及用于消除DC偏移的電路。這樣就從整體上減少了面積和成本,。另外,，Δ-Σ方案還保留了信號(hào)的全部頻率分量，從而為數(shù)字后處理帶來(lái)了極大的靈活性,。

當(dāng)采用順序采樣方案時(shí),， 每個(gè)通道都將ECG的導(dǎo)線復(fù)用到一個(gè)ADC上。此時(shí),，相鄰?fù)ǖ乐g有一個(gè)確定的扭曲,。當(dāng)采用同步采樣方案時(shí)， 每個(gè)通道都有一個(gè)專(zhuān)用ADC,，因此通道之間沒(méi)有扭曲,。

飛思卡爾有大量低成本的開(kāi)發(fā)板，叫做MED-EKG模塊,，這是一種極其萬(wàn)能的系統(tǒng),，設(shè)計(jì)者可以快速地建立一個(gè)心電系統(tǒng)的原型。當(dāng)用作飛思卡爾Tower系統(tǒng)的一部分時(shí),，設(shè)計(jì)者可獲得一個(gè)全功能的系統(tǒng),，通過(guò)一個(gè)定制設(shè)計(jì)的電路板，只要更換套件中的任何單個(gè)模塊,，就可以方便地修改,、更換或升級(jí)成一個(gè)定制的設(shè)計(jì)。

另外,， 采用Monebo Kinetic ECG算法也使設(shè)計(jì)者能夠?yàn)橛脩?hù)提供對(duì)ECG波形的信號(hào)處理與解析,，從而幫助保健專(zhuān)家獲取心臟的參數(shù)。它提供高度精確的QRS(在一個(gè)典型心電圖上能看到的一組三個(gè)相連波—通常為心電圖軌跡中最重要,、目視最明顯的部分)檢測(cè),，并能對(duì)多達(dá)16線的ECG捕捉數(shù)據(jù)做特征提取、心拍分類(lèi),、間隔測(cè)量及節(jié)律分析等,。

無(wú)觸點(diǎn)ECG不再是科學(xué)幻想。Plessey半導(dǎo)體公司與英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)開(kāi)發(fā)了電勢(shì)集成電路(EPIC)傳感器,，這是一種電勢(shì)檢測(cè)(EPS)技術(shù),，這種傳感器的陣列只要裝在病人的胸口,，就可以獲得相當(dāng)于12線ECG的讀數(shù)，而沒(méi)有一堆導(dǎo)線,、導(dǎo)電膠和容易脫落的電極,。

肺

醫(yī)用呼吸機(jī)(也叫輔助呼吸機(jī)，或機(jī)械式呼吸機(jī)(MV))能將空氣推入病人的肺內(nèi),。呼吸機(jī)可以在重癥監(jiān)護(hù)治療中用作人工呼吸,，或家庭中治療呼吸暫停疾病。現(xiàn)代設(shè)備采用了智能電路,，能夠混合氣體,，或根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)確定一個(gè)固定或受控的風(fēng)扇速度。意法半導(dǎo)體公司的解決方案包括所需要的全部半導(dǎo)體器件,，以及通過(guò)批準(zhǔn)的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)安靜且可靠的運(yùn)行,。

自從機(jī)械式呼吸機(jī)發(fā)明并在醫(yī)院和保健機(jī)構(gòu)中使用以來(lái),，它已經(jīng)拯救了很多人的生命。但重癥監(jiān)護(hù)病房(ICU)中用MV存活時(shí)間超過(guò)一周的病人會(huì)增加患醫(yī)療并發(fā)癥如呼吸機(jī)相關(guān)肺炎(VAP)及院內(nèi)感染的風(fēng)險(xiǎn),，在ICU中的死亡率高6倍,。見(jiàn)圖6。

圖6,，典型的輔助呼吸機(jī)框圖

使用MV病人的橫隔膜肌會(huì)快速萎縮，隨著時(shí)間推移而越來(lái)越難以脫離呼吸機(jī),。

Avery Biomedical開(kāi)發(fā)了一種呼吸起搏系統(tǒng),，它采用射頻(RF)耦合的接收器，能同時(shí)發(fā)送電源和信號(hào),。其重要性源于以下兩點(diǎn)：

1. 不存在植入的電池,，因此沒(méi)有內(nèi)部損耗問(wèn)題。除非機(jī)械損壞,，否則對(duì)任何病人,，植入體都可望終生使用，而與年齡無(wú)關(guān),。

2. 植入部件和外置部件之間沒(méi)有經(jīng)皮的連接,。由于病人的皮膚沒(méi)有損傷，因此沒(méi)有對(duì)皮膚損傷的長(zhǎng)期保護(hù)問(wèn)題,，也沒(méi)有慢性感染風(fēng)險(xiǎn),。

另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，系統(tǒng)采用的是負(fù)壓呼吸原理,。即通過(guò)橫隔膜的收縮,，使肺內(nèi)壓力低于大氣壓，讓空氣流入。這在生理上是正確的,，也是我們現(xiàn)在呼吸的原理,。正壓換氣(無(wú)論是面罩還是機(jī)械換氣機(jī))都是壓氣，既不自然,，也有患VAP或換氣相關(guān)肺炎的高風(fēng)險(xiǎn),。VAP是呼吸機(jī)依賴(lài)病人再次入院的最常見(jiàn)原因。降低再入院率(減少M(fèi)edicare/Medicaid為他們支付的費(fèi)用)是最近醫(yī)療改革的焦點(diǎn)之一,。見(jiàn)圖7和圖8,。

圖7，呼吸起搏器帶有用于膈神經(jīng)刺激的植入電極以及RF接收器,，還有向植入體發(fā)射RF信號(hào)的外部天線,，完成刺激起搏功能

圖8,，呼吸起搏器的基本功能框圖

對(duì)于下一代裝置,， 新的發(fā)展甚至采用血管電極的較少侵入性方法，適用于采用局部麻醉經(jīng)皮插入的病人(任何需要接觸內(nèi)部器官或其它組織的醫(yī)療過(guò)程都通過(guò)經(jīng)皮膚的針刺穿透,，而不采用暴露內(nèi)部器官和組織的“切口”方案),，膈神經(jīng)可以通過(guò)電致運(yùn)動(dòng)，保持橫隔膜的強(qiáng)度與抗疲勞能力,，改善呼吸,，以及盡早脫離MV的可能性。一旦通過(guò)FDA和相關(guān)機(jī)構(gòu)的批準(zhǔn),，這一技術(shù)還可縮短ICU停留時(shí)間,，降低死亡率，并減少醫(yī)院的費(fèi)用,。

通過(guò)采用這種最少侵入性技術(shù)的正確膈神經(jīng)刺激,，可以產(chǎn)生有節(jié)奏的隔膜收縮。膈神經(jīng)刺激的閾值電勢(shì)是1.26V,。封裝電極激活神經(jīng)所需電流預(yù)計(jì)不到引線型電極的三倍,。一般采用180μs脈沖周期的平衡雙相脈沖。

新型商用傳感器與手持設(shè)備(如iPhone,、Blackberry與iPad)的微電路創(chuàng)新要求有低成本,、小體積和低功耗。這些努力傳播到生物醫(yī)學(xué)電子領(lǐng)域,，帶來(lái)了更多神奇的解決方案,，可改善植入體,，并通過(guò)非接觸性刺激和檢測(cè)裝置，如感應(yīng)電源與數(shù)據(jù)傳輸,，以及低功耗RF器件,，最終消除對(duì)大多數(shù)醫(yī)療植入體的需求。

附文

飛思卡爾公司內(nèi)科,、外科醫(yī)師兼電子工程師Jose Fernandez Villase?or博士表示：“無(wú)論是外科技術(shù)還是用于控制(DBS)起搏器的電路與軟件,，都永遠(yuǎn)存在著改進(jìn)的空間。電子電路尤為重要,，因?yàn)樗鼈儽仨殰?zhǔn)確地探測(cè)病人大腦細(xì)胞何時(shí)發(fā)生問(wèn)題,，從而決定何時(shí)做補(bǔ)償，何時(shí)不做,。我相信需要研究新的控制軟件,，提高傳感器和處理單元的精度，以減少并發(fā)癥的可能性,。”他繼續(xù)說(shuō)：“作為技術(shù)提供者,，我們只希望通過(guò)建立盡可能有效而安全的解決方案，從而加快這個(gè)過(guò)程,。”

以下引用一段TimDenison有關(guān)Medtronic 方案的評(píng)論：“ 神經(jīng)接口是一個(gè)相對(duì)較新的領(lǐng)域,，還有很多我們不知道的東西,。Medtronic 將人機(jī)接口技術(shù)的發(fā)現(xiàn),、發(fā)展與部署作為一個(gè)參與的過(guò)程。我們已經(jīng)開(kāi)放了共享的模型,，因此我們可以加入全球最好的科學(xué)思想,，在短期內(nèi)開(kāi)發(fā)出實(shí)現(xiàn)下一代療法的新工具，以治療慢性,、退化性疾病,，比如帕金森癥，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,，可能在解析大腦信號(hào)基礎(chǔ)上,，產(chǎn)生新的治療方法。”