發布日期：2022-05-25 點擊率：49
第一部分：眼睛與耳朵隨著現代電子技術在醫療和生物領域的進展，我們的眼、耳、肺、心、腦功能都有可能得到增強。
科幻劇《無敵金剛》(TheSixMillionDollarMan)搬上電視熒屏距今已差不多有40年時間，隨著現代電子技術與納米技術、高級植入技術、太陽能與光能設備，以及醫學與生物學領域傳感器重要發展的融合，科學幻想正在成為現實?？茖W創新催生了增強和代替人體器官的基于傳感器的電子設備。這些電子設備包括WBAN(無線體域網)以及增強或代替眼睛和耳朵的設備。本文第一部分描述了創新的傳感器技術，以及從傳感器直到微控制器的微型化、可植入以及無線電子接口方式。第二部分將討論肺、心臟和大腦。
傳感器與無線通信設備的發展使我們能夠設計出微型、高成本效益以及智能的生理傳感器結點。一個創新是可穿戴的健康監控系統，如WBAN。針對這一技術的IEEE802.15.4標準規定了一個與醫療傳感器體域網絡相關的小功率低數據速率無線方案。2011年，意法半導體公司推出了自己的未來“cyborg”技術，包括傳感器和MEMS，以及iNEMO(慣性模塊評估板)結點。
在這一領域的其它供應商中，AnalogDevices也提供了一些先進的活動監控解決方案，以及傳感器接口元件，而德州儀器公司提供了一個帶TmoteSky的開發套件，這是下一代的“mote”平臺，即針對極低功耗、高數據速率傳感器網絡應用的遠程平臺，有容錯和易于開發的雙重設計目標。TI公司的TmoteSky套件號稱有10KB的片上RAM(所有mote中的最大容量)，IEEE802.15.4射頻，以及一個125m作用范圍的集成板載天線。
幫助盲人重見光明
視網膜修復技術可以幫助患視網膜退化疾病，如可能致盲的黃斑變性的人群恢復視力(參考文獻1)。研究人員做了臨床植入研究，證明植入假體最終可彌補眼睛失去的功能，研究采用了一種植入物，包含一個15通道的激勵芯片、分立的電源元件，以及與眼睛外壁吻合的電源與數據接收線圈。波士頓視網膜植入項目的研究人員在一只豬的視網膜下區域植入了一個陣列，而大部分假體(一個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。盒中伸出一個螺旋狀電極陣列，延伸至眼的顳上象限(圖2)。系統有一個外接的視頻捕捉單元，以及一個能向設備植入部分發送影像數據的發射機(圖3)。一只定制ASIC將圖像轉換為兩相的電流脈沖，其送至電極陣列的強度、周期以及頻率都是可編程的(圖4)。Minco公司也提供了針對植入體的先進柔性電路，有助于實現這一面向170萬遭受此類眼疾痛苦的人們的項目。
自研究人員兩年前開始做這個臨床研究以來，電子技術發生了很多進步，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品，得到FDA(食品與藥物管理局)批準應用于人體。這些技術進步的例子包括：德州儀器公司符合無線充電聯盟Qi標準的無線接收器與發射器技術，該公司為改進的負載系統提供符合標準的通信，用于無線電源傳輸、AC/DC電源轉換、輸出電壓調整，以及動態整流器控制等。采用德州儀器的無線電源產品和開發套件，就可以做出全套的無接線電源傳輸與充電設計。飛思卡爾與AnalogDevices公司也提供這一領域的低功耗無線產品。
另外一項臨床研究是采用有望實現高分辨率視網膜假體的光電二極管電路。在這項研究中，斯坦福大學的研究人員正在努力研究有源偏置光敏電路與無源光伏電路(參考文獻2)。該大學眼科系與漢森實驗物理實驗室副教授DanielVPalanker稱，他用了一臺筆記本電腦處理來自攝像頭的數據流，用一塊微型LCD(類似于視頻眼鏡)顯示得到的數據。約900nm波長的近IR(紅外)光以0.5ms間隔照亮LCD，相當于約30?的視場。這個脈沖將影像通過眼球投射到視網膜上。然后，視網膜下一個植入的3mm直徑芯片中的光伏像素接收IR影像，相當于10?的視場。每個像素都將脈沖光轉換為一個成比例的雙相脈沖電流，將視覺信息攜帶給有病的視網膜組織。
與光敏系統比較，光伏系統中沒有額外的電源，從而大大簡化了假體的設計、制造，以及相關的手術過程，前者需要有源的偏置電壓。研究人員計劃在未來研究中，確定各個視網膜神經元對這種激勵的響應。
幫助聾人獲得聽力
生物醫學科學的另一個發展領域是耳蝸植入。這些植入體的主要目標是通過電刺激，安全地提供或恢復功能聽力(參考文獻3)。植入體包括放在耳后一個外置單元中的處理器和一個電池，外置單元用一只話筒拾取聲音，將聲音轉換到數字域，將數字信號處理并編碼成一個RF信號，然后將其發送給耳機中的天線(圖5)。醫生通過手術，在耳后皮膚下面放置了內置接收器，一塊磁鐵吸附在它外面，將耳機固定。密封的激勵器包含有源的電子電路，它從RF信號獲得能量來解碼信號，并將其轉換為電流，然后將其發送給連接耳蝸的導線。導線末端的電極刺激連接到中央神經系統的聽覺神經，這些神經將電脈沖解析為聲音。
外置的語言處理器中包含一個DSP、一個功率放大器和一個RF發射器。DSP提取出聲音的特征，將其轉換為一個數據流，RF發射器將其發射出去。DSP還在一個存儲映像中包含了病人的信息。外置PC的適配程序可以設置或修改存儲映像，以及其它語音處理參數。
內部單元有一個RF接收器，以及一個密封的刺激器。這個內部植入單元沒有電池供電，因此接收器必須從RF信號獲得能量。然后，充電的刺激器解碼RF碼流，將其轉換為電流，送給聽覺神經處的電極。一個反饋系統監控著植入體內的關鍵電氣與神經活動，并將這些活動傳送回外置單元(圖6)。
AdvancedBionics公司開發出了一個可植入電子平臺，它提供了更多通道，以及通過電流導引而生成虛擬通道的能力。該公司R&D副總裁LeeHartley稱，在開發復雜的聲音處理傳感器時，最大的挑戰之一就是提高在噪聲聽音環境中的聆聽能力。他說：“耳蝸植入接收器對于辨別響度水平以及不同頻率通道的能力不足。這更增加了改善語言理解與音樂欣賞的挑戰;我們需要智能地將信息從噪聲中分離出來?！?/p>
Hartley表示，接下來能大大改進耳蝸植入系統及性能的重要領域包括：與商務設備的隨處無線連接能力;低功耗下更加智能的場景分析算法，以及使病人能夠接收臨床醫師耳蝸植入服務的技術，而與病人或醫師的位置無關。他解釋說：“業界的技術趨勢是系統架構與服務模型，它將盡可能減小整個耳蝸植入系統的可見性。Hartley預計，IC技術的發展將提供無線功能，降低系統功耗。他說：“我認為系統設計會繼續模塊化，接受者將根據自己不斷變化的需求，定制自己的體驗?！?/p>
信號處理大大改善了耳蝸植入的性能。聲音可以建立模型，使語音成為周期聲源，而非語音則成為噪聲源。聲道的諧振特性可過濾聲音的頻率頻譜。還有一個辦法是，聲源可以建模成為一個載波，而聲道則作為一個調制器，表示出嘴或鼻的開閉。聲源通常會快速變化，而濾波器的反應更慢得多(參考文獻3)。
所有現代耳蝸植入體的內部單元都要通過一個經皮RF鏈接連到外部單元上，這是為用戶的安全和方便性著想。RF鏈接采用了一對電感耦合線圈，不僅傳輸數據，同時傳送電源。RF傳送單元有一些挑戰性工作，如高效地放大信號與功率，并保持對EMI的抵抗力。它的第二個功能是提供可靠的通信協議，包括一個信號調制模式、位編碼、幀編碼、同步，以及后臺遙測的檢測。
耳蝸植入體的RF設計可能有很多相互沖突的挑戰，需要謹慎地權衡。例如，要延長電池壽命，功率發射器必須是大功率高效設計。于是，很多現代植入體都采用高效率的E類放大器。但E類放大器是非性線的，它們有波形失真，限制了數據發射速率。另外一個挑戰是對高功率效率發射與接收線圈的要求。RF系統為了獲得最大功率，要工作在其諧振頻率上，或一個窄帶寬上，但是RF系統在數據傳輸時卻不能限制帶寬。另外，雖然這些設備要求有高的發射頻率，但這樣就需要大的線圈。而在一個實際可用設計中，發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。
內部單元中的接收器與激勵器是耳蝸植入體的引擎(圖7)。ASIC(虛線中)完成關鍵的功能，確保安全而可靠的電激勵。它有一個直通數據解碼器的路徑，能從RF信號中恢復數字信息，并通過對錯誤和安全性的檢查，確保正確的解碼。數據分配器通過轉換多工器的開、關狀態，將解碼后的電激勵參數送至可編程電流源。返回路徑包括一個后臺遙測電壓采樣器，用于讀取某個時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將其轉換到數字域，并保存在存儲器中，再用后臺遙測技術將其發送給外置單元。ASIC也有很多控制單元，如從時鐘生成的RF信號，直到指令解碼器。ASIC對某些功能的集成不太方便，如穩壓器、發電器、線圈和RF調諧回路，以及后臺遙測數據調制器等，但這些領域也正在不斷發展中。
DAC和電流鏡組成電流源，根據來自數據解碼器的幅度信息，產生激勵電流。這個電流源必須很精確，也充滿著挑戰。例如，由于工藝差異，MOSFET的源極與漏極關系不是恒定的，同時，柵極與源極之間的電壓差控制著漏極的電流量。因此，電路需要一個調整網絡，對基準電流作精細調節。新設計有多只DAC，以獲得所需要的精確電流，因此無需使用電位器。理想的電流源有無限大的阻抗，因此很多設計者采用級聯電流鏡，付出的代價是降低了電壓的裕度，增加了功耗。
這些權衡必須謹慎地考慮和實現。有些耳蝸植入產品有多個電流源，較老的裝置需要一個開關網絡，將一個電流源連接至多個電極。新設計則使用了多個順序或同時的電流源。在這些設計中，P溝道和N溝道電流源都可生成激勵的正、負相位。挑戰是要匹配P溝道和N溝道電流源，確保正負電荷的平衡。自適應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)調制，而不是FSK(頻移鍵控)調制，因為ASK有簡單的實現方法，以及高頻RF信號下的低功耗。多虧了各團隊工程師、科學家、物理學家和企業家的不懈努力與合作，安全且費用合理的激勵方法已恢復了全球超過12萬人的聽力。這些假體已成為指導其它神經假體開發的模型，可望提高幾百萬人的生活質量。
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世紀電子、生物以及醫療技術的協同。
生物醫學電子學研究的動力來自于“嬰兒潮”人口的老化及他們的醫療需求。這一局面刺激了新型生物技術的快速發展，以及在預防醫學領域創新的醫療診斷與治療方式的采用。后來，植入技術與先進無線電子媒介將有助于減緩今天社會高漲的醫療費用，使我們今后更健康長壽。
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，技術的發展將改善工程、生物以及醫學之間的橋梁，增強這些器官的功能。
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與微妙平衡。
大腦
對于癲癇、帕金森癥(PD)甚至強迫癥(OCD)患者，閉合深腦刺激(CDBS)是一個實現生物醫學電子解決方案的優秀例子，它改善了那些遭受這些痛苦折磨的人們的生活質量。
DBS系統通過檢測病人的腦電波(EEG)，自動產生DBS電脈沖，防止癲癇的發作，甚至幫助減輕PD的震顫。DBS向大腦的不同區域發送特定的刺激。DBS用于那些拒絕藥物治療的病人，以及有癥狀波動和震顫的病人。
迄今為止，只有Medtronic公司有通過FDA批準的DBS產品。他們的雙側大腦DBS裝置于2002年通過了FDA的批準，帶有兩個神經刺激器，每個用于一個大腦半球。與心臟起搏器類似，DBS用一個神經刺激器產生并提供高頻的電脈沖，通過延長線與電極，送至大腦中的丘腦下核(STN)區或蒼白球內側(GPi)部分。Medtronics的Soletra神經刺激器是最先進的電池供電裝置之一。
神經刺激器通常要由受過訓練的技術人員在手術后編程，以尋找減輕帕金森癥狀的最有效信號參數。圖8是Medtronic公司標準DBS產品的一個簡單框圖。
建議CDBS基本設計如下：
CDBS裝置可以直接與記錄、刺激電極連接。8個記錄電極被植入到運動皮層中，64個刺激電極被植入到大腦的STN部分。這種64通道可單點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信號要用8個前端低噪聲神經放大器(LAN)做調整。由于神經脈沖的幅度小，有時要用集成前置放大器去放大這些小信號，然后再做數據轉換。前端設計需要低噪聲，以保證信號的完整性。
前端的帶通LNA通常增益為100量級，而LNA的輸入設計需要盡可能減小1/f噪聲。可以將一種開關電容技術用于電阻模擬和1/f降噪。開關電容電路對信號做調制，這樣1/f噪聲就可以降低為熱噪聲。開關電容的放大濾波器能夠同時很好地記錄神經脈沖和場電勢。
多個LNA被復用到一個大動態范圍的對數放大器前端，進入一個模數轉換器(ADC)，從而不必做模擬自動增益控制。
為了覆蓋大腦刺激所產生的小信號神經脈沖以及大信號局部場電勢(LFP)響應的整個范圍，大動態范圍ADC需要對所有需要的神經信息做數字化。ADC前端所使用的對數放大器能夠達到所需的動態范圍。對數編碼非常適用于神經信號，并且有效率，因為大動態范圍可以用一個短字長來表示。為了節約面積和功耗，采用了相對較大動態范圍的ADC，因此就不必采用模擬自動增益控制。
ADC需要一個數字濾波器，用于將低頻神經場電勢信號從神經脈沖能量中分離出來。這個工作可以采用一個22個接頭的有限脈沖響應(FIR)Butterworth型數字濾波器。
使用數字濾波器而不是模擬或混合信號濾波器有很多優點。首先，數字濾波器是可編程的，因此可以調整其運行，而不用修改硬件，而模擬濾波器只有修改設計才能做更改。數字濾波器用作雙工器，將脈沖與LFP的兩個頻段分離開來。模擬濾波器電路容易漂移，并依賴于溫度，而數字濾波器則沒有這些問題，無論是時間還是溫度都不會有影響。
電刺激器生成64個通道的兩相電荷平衡刺激電流。一只專用控制器通過一個I/O通道，產生這些刺激模式，控制64只電流導引DAC。64個DAC可以構成一個級聯的共享2位粗粒度電流DAC和64個獨立的雙向4位細粒度DAC，或類似的配置。
DAC有48種可能的電流值?？梢允褂靡粋€細粒度ADC和一個極性轉換開關，選擇DAC的正負輸出，達到電荷平衡的雙相刺激，這有助于減少長期的組織損傷風險。
圖9是一個用于CDBS系統的單芯片，它與一只微處理器連接，就可獲得一個完整的CDBS系統。該項目主管MichaelFlynn說：“微處理器告訴芯片有關位置和方式的信息，芯片做其它工作。”
在醫療電子領域，飛思卡爾一直與做定制模擬設計的Cactus半導體公司合作。Cactus半導體公司的醫療業務集中在同時涉及可植入和便攜應用的集成電路設計，如神經刺激、起搏、除顫、超聲，以及醫療監護(如血糖儀)。(見附文)
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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療解決方案。其無線通信解決方案能確保低功耗的運行模式，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公司正在開發雙向腦機接口(BMI)。一旦完成了所有實驗室試驗，并在不久的將來被批準用于人腦研究，這種技術有望成為大腦研究前沿的重要工具?，F在它正處于臨床前期研究階段，尚沒有被批準的產品。
心臟
“體積小”、“無線”、“無接觸”，這些詞匯都不可能與過去的ECG裝置搭上關系?，F在電子技術的新進展促成了更緊湊更便攜的設計，有些帶有無線功能，傳感器甚至不需要與人體有物理或電阻觸點。
集成電路的發展造就了ECG設計的小型化，如德州儀器公司高集成度的ADS1298RAFE，它還包含了全集成的呼吸阻抗測量功能。圖12給出了一個集成AFE設備，它就像是ADS12998加上ECG架構的其它重要部分。
ECG系統功能與進展
ECG機的基本功能包括ECG波形顯示(可以采用LCE屏幕或打印紙介質)、心律指示及采用按鍵的簡單用戶界面。越來越多的ECG產品中需要更多的功能，例如用方便介質做病人記錄的存儲，無線/有線傳輸，以及在有觸摸功能大型LCD屏的2D/3D顯示等。
多級診斷能力也在為醫生和沒有特殊ECG訓練的人們提供幫助，讓他們理解ECG圖形，以及對某些心臟狀況的提示(下面會討論Monebo算法)。當ECG信號被捕捉和數字化時，將被送去做顯示和分析，分析工作涉及更進一步的信號處理。
信號采集的挑戰
ECG信號的測量可能極具挑戰性，因為存在著大的DC偏壓，以及各種干擾信號。一個典型電極上的這種電勢可以高達300mV。干擾信號包括來自電源的50Hz/60Hz干擾、由于病人活動而造成的運動干擾、電外科設備的射頻干擾、除顫脈沖、起搏器脈沖，以及其它監護設備的干擾。
對于不同的最終設備，一臺ECG將需要不同的精度和帶寬：-頻率在0.05Hz~30Hz之間的標準監護需求;-頻率從0.05Hz~1000Hz的診斷型監護需求。
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，它消除了兩個輸入端上共同的交流線噪聲。要進一步抑制線路上的電源噪聲，可將信號反向，再由一個放大器通過右腿回送給病人。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。另外，50Hz/60Hz的數字陷波濾波器也可以進一步降低這種干擾。
模擬前端的選項
對于便攜ECG而言，優化模擬前端的功耗以及PCB區非常關鍵。由于技術的進步，現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-ΔADC(不需要濾波器，除INA外不需要放大器，無DC偏移);
采用順序或同步采樣方案。
當使用低分辨率(16位)ADC時，信號需要顯著地提高增益(通常是100x~200x)，才能達到所需分辨率。當使用高分辨率(24位)ADC時，信號需要4x~5x的適度增益。這樣就可以省掉第二個增益級，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方案還保留了信號的全部頻率分量，從而為數字后處理帶來了極大的靈活性。
當采用順序采樣方案時，每個通道都將ECG的導線復用到一個ADC上。此時，相鄰通道之間有一個確定的扭曲。當采用同步采樣方案時，每個通道都有一個專用ADC，因此通道之間沒有扭曲。
飛思卡爾有大量低成本的開發板，叫做MED-EKG模塊，這是一種極其萬能的系統，設計者可以快速地建立一個心電系統的原型。當用作飛思卡爾Tower系統的一部分時，設計者可獲得一個全功能的系統，通過一個定制設計的電路板，只要更換套件中的任何單個模塊，就可以方便地修改、更換或升級成一個定制的設計。
另外，采用MoneboKineticECG算法也使設計者能夠為用戶提供對ECG波形的信號處理與解析，從而幫助保健專家獲取心臟的參數。它提供高度精確的QRS(在一個典型心電圖上能看到的一組三個相連波—通常為心電圖軌跡中最重要、目視最明顯的部分)檢測，并能對多達16線的ECG捕捉數據做特征提取、心拍分類、間隔測量及節律分析等。
無觸點ECG不再是科學幻想。Plessey半導體公司與英國蘇塞克斯大學開發了電勢集成電路(EPIC)傳感器，這是一種電勢檢測(EPS)技術，這種傳感器的陣列只要裝在病人的胸口，就可以獲得相當于12線ECG的讀數，而沒有一堆導線、導電膠和容易脫落的電極。
肺
醫用呼吸機(也叫輔助呼吸機，或機械式呼吸機(MV))能將空氣推入病人的肺內。呼吸機可以在重癥監護治療中用作人工呼吸，或家庭中治療呼吸暫停疾病?，F代設備采用了智能電路，能夠混合氣體，或根據傳感器的數據確定一個固定或受控的風扇速度。意法半導體公司的解決方案包括所需要的全部半導體器件，以及通過批準的軟件，能夠實現安靜且可靠的運行。
自從機械式呼吸機發明并在醫院和保健機構中使用以來，它已經拯救了很多人的生命。但重癥監護病房(ICU)中用MV存活時間超過一周的病人會增加患醫療并發癥如呼吸機相關肺炎(VAP)及院內感染的風險，在ICU中的死亡率高6倍。
使用MV病人的橫隔膜肌會快速萎縮，隨著時間推移而越來越難以脫離呼吸機。
AveryBiomedical開發了一種呼吸起搏系統，它采用射頻(RF)耦合的接收器，能同時發送電源和信號。其重要性源于以下兩點：
1.不存在植入的電池，因此沒有內部損耗問題。除非機械損壞，否則對任何病人，植入體都可望終生使用，而與年齡無關。
2.植入部件和外置部件之間沒有經皮的連接。由于病人的皮膚沒有損傷，因此沒有對皮膚損傷的長期保護問題，也沒有慢性感染風險。
另一個關鍵點是，系統采用的是負壓呼吸原理。即通過橫隔膜的收縮，使肺內壓力低于大氣壓，讓空氣流入。這在生理上是正確的，也是我們現在呼吸的原理。正壓換氣(無論是面罩還是機械換氣機)都是壓氣，既不自然，也有患VAP或換氣相關肺炎的高風險。VAP是呼吸機依賴病人再次入院的最常見原因。降低再入院率(減少Medicare/Medicaid為他們支付的費用)是最近醫療改革的焦點之一。
對于下一代裝置，新的發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皮插入的病人(任何需要接觸內部器官或其它組織的醫療過程都通過經皮膚的針刺穿透，而不采用暴露內部器官和組織的“切口”方案)，膈神經可以通過電致運動，保持橫隔膜的強度與抗疲勞能力，改善呼吸，以及盡早脫離MV的可能性。一旦通過FDA和相關機構的批準，這一技術還可縮短ICU停留時間，降低死亡率，并減少醫院的費用。
通過采用這種最少侵入性技術的正確膈神經刺激，可以產生有節奏的隔膜收縮。膈神經刺激的閾值電勢是1.26V。封裝電極激活神經所需電流預計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。
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