幫助聾人獲得聽力 - 生物醫(yī)學電子學領(lǐng)域的醫(yī)療傳感器

　　生物醫(yī)學科學的另一個發(fā)展領(lǐng)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(zhuǎn)換到數(shù)字域，將數(shù)字信號處理并編碼成一個RF信號，然后將其發(fā)送給耳機中的天線(圖5)。醫(yī)生通過手術(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(zhuǎn)換為電流，然后將其發(fā)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(jīng)系統(tǒng)的聽覺神經(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，送給聽覺神經(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)換為詳細的數(shù)學信息 (b)。

　　磁耳機將數(shù)字信號發(fā)送給植入的耳蝸(c)。植入耳蝸將電信號發(fā)送給聽覺神經(jīng)(d)。收聽到的神經(jīng)將脈沖發(fā)給大腦，這將脈沖解析成為聲音

　　外置的語言處理器中包含一個DSP、一個功率放大器和一個RF發(fā)射器。DSP提取出聲音的特征，將其轉(zhuǎn)換為一個數(shù)據(jù)流，RF發(fā)射器將其發(fā)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(shù)。

　　內(nèi)部單元有一個RF接收器，以及一個密封的刺激器。這個內(nèi)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(zhuǎn)換為電流，送給聽覺神經(jīng)處的電極。一個反饋系統(tǒng)監(jiān)控著植入體內(nèi)的關(guān)鍵電氣與神經(jīng)活動，并將這些活動傳送回外置單元(圖6)。

?

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

　　Advanced Bionics公司開發(fā)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Lee Hartley稱，在開發(fā)復雜的聲音處理傳感器時，最大的挑戰(zhàn)之一就是提高在噪聲聽音環(huán)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(zhàn);我們需要智能地將信息從噪聲中分離出來。"

　　Hartley表示，接下來能大大改進耳蝸植入系統(tǒng)及性能的重要領(lǐng)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(yī)師耳蝸植入服務的技術(shù)，而與病人或醫(yī)師的位置無關(guān)。他解釋說："業(yè)界的技術(shù)趨勢是系統(tǒng)架構(gòu)與服務模型，它將盡可能減小整個耳蝸植入系統(tǒng)的可見性。Hartley預計，IC技術(shù)的發(fā)展將提供無線功能，降低系統(tǒng)功耗。他說："我認為系統(tǒng)設計會繼續(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。"

　　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(diào)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(xiàn)代耳蝸植入體的內(nèi)部單元都要通過一個經(jīng)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(shù)據(jù)，同時傳送電源。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(xié)議，包括一個信號調(diào)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(zhàn)，需要謹慎地權(quán)衡。例如，要延長電池壽命，功率發(fā)射器必須是大功率高效設計。于是，很多現(xiàn)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(shù)據(jù)發(fā)射速率。另外一個挑戰(zhàn)是對高功率效率發(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，或一個窄帶寬上，但是RF系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時卻不能限制帶寬。另外，雖然這些設備要求有高的發(fā)射頻率，但這樣就需要大的線圈。而在一個實際可用設計中，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。它有一個直通數(shù)據(jù)解碼器的路徑，能從RF信號中恢復數(shù)字信息，并通過對錯誤和安全性的檢查，確保正確的解碼。數(shù)據(jù)分配器通過轉(zhuǎn)換多工器的開、關(guān)狀態(tài)，將解碼后的電激勵參數(shù)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(zhuǎn)換到數(shù)字域，并保存在存儲器中，再用后臺遙測技術(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(wěn)壓器、發(fā)電器、線圈和RF調(diào)諧回路，以及后臺遙測數(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)來自數(shù)據(jù)解碼器的幅度信息，產(chǎn)生激勵電流。這個電流源必須很精確，也充滿著挑戰(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，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(diào)整網(wǎng)絡，對基準電流作精細調(diào)節(jié)。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(lián)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(quán)衡必須謹慎地考慮和實現(xiàn)。有些耳蝸植入產(chǎn)品有多個電流源，較老的裝置需要一個開關(guān)網(wǎng)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(zhàn)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(diào)制，而不是FSK(頻移鍵控)調(diào)制，因為ASK有簡單的實現(xiàn)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(yè)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(jīng)假體開發(fā)的模型，可望提高幾百萬人的生活質(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世紀電子、生物以及醫(yī)療技術(shù)的協(xié)同。

　　生物醫(yī)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(yī)療需求。這一局面刺激了新型生物技術(shù)的快速發(fā)展，以及在預防醫(yī)學領(lǐng)域創(chuàng)新的醫(yī)療診斷與治療方式的采用。后來，植入技術(shù)與先進無線電子媒介將有助于減緩今天社會高漲的醫(yī)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(shù)的發(fā)展將改善工程、生物以及醫(yī)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(zhì)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(xiàn)生物醫(yī)學電子解決方案的優(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)通過檢測病人的腦電波(EEG)，自動產(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，以及有癥狀波動和震顫的病人。

　　迄今為止，只有Medtronic公司有通過FDA批準的DBS產(chǎn)品。他們的雙側(cè)大腦DBS裝置于2002年通過了FDA的批準，帶有兩個神經(jīng)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(jīng)刺激器產(chǎn)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(qū)或蒼白球內(nèi)側(cè)(GPi)部分。Medtronics的Soletra神經(jīng)刺激器是最先進的電池供電裝置之一。

　　神經(jīng)刺激器通常要由受過訓練的技術(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參數(shù)。圖1是Medtronic公司標準DBS產(chǎn)品的一個簡單框圖。

?

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