生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)療傳感器（二）

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(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，植入技術(shù)與先進(jìn)無線電子媒介將有助于減緩今天社會高漲的醫(yī)療費(fèi)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(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(qiáng)迫癥（OCD）患者，閉合深腦刺激（CDBS）是一個實(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(zhǔn)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(zhǔn)，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(jìn)的電池供電裝置之一。

神經(jīng)刺激器通常要由受過訓(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參數(shù)。圖1是Medtronic公司標(biāo)準(zhǔn)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

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個記錄電極被植入到運(yùn)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(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)信號要用8個前端低噪聲神經(jīng)放大器（LAN）做調(diào)整。由于神經(jīng)脈沖的幅度小，有時要用集成前置放大器去放大這些小信號，然后再做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。前端設(shè)計(jì)需要低噪聲，以保證信號的完整性。

前端的帶通LNA通常增益為100量級，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開關(guān)電容技術(shù)用于電阻模擬和1/f降噪。開關(guān)電容電路對信號做調(diào)制，這樣1/f噪聲就可以降低為熱噪聲。開關(guān)電容的放大濾波器能夠同時很好地記錄神經(jīng)脈沖和場電勢。

多個LNA被復(fù)用到一個大動態(tài)范圍的對數(shù)放大器前端，進(jìn)入一個模數(shù)轉(zhuǎn)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(chǎn)生的小信號神經(jīng)脈沖以及大信號局部場電勢（LFP）響應(yīng)的整個范圍，大動態(tài)范圍ADC需要對所有需要的神經(jīng)信息做數(shù)字化。ADC前端所使用的對數(shù)放大器能夠達(dá)到所需的動態(tài)范圍。對數(shù)編碼非常適用于神經(jīng)信號，并且有效率，因?yàn)榇髣討B(tài)范圍可以用一個短字長來表示。為了節(jié)約面積和功耗，采用了相對較大動態(tài)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(shù)字濾波器，用于將低頻神經(jīng)場電勢信號從神經(jīng)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(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(shù)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(chǎn)生這些刺激模式，控制64只電流導(dǎo)引DAC.64個DAC可以構(gòu)成一個級聯(lián)的共享2位粗粒度電流DAC和64個獨(dú)立的雙向4位細(xì)粒度DAC,或類似的配置。

DAC有48種可能的電流值。可以使用一個細(xì)粒度ADC和一個極性轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇DAC的正負(fù)輸出，達(dá)到電荷平衡的雙相刺激，這有助于減少長期的組織損傷風(fēng)險。

圖2是一個用于CDBS系統(tǒng)的單芯片，它與一只微處理器連接，就可獲得一個完整的CDBS系統(tǒng)。該項(xiàng)目主管Michael Flynn說："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系統(tǒng)（Medtronic的ActivaPC）。

圖3,這個功能框圖表示了一個雙向神經(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系統(tǒng)

參見圖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路徑

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(guān)系?，F(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量功能。圖5給出了一個集成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單用戶界面。越來越多的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，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(yī)生和沒有特殊ECG訓(xùn)練的人們提供幫助，讓他們理解ECG圖形，以及對某些心臟狀況的提示（下面會討論Monebo算法）。當(dāng)ECG信號被捕捉和數(shù)字化時，將被送去做顯示和分析，分析工作涉及更進(jìn)一步的信號處理。

信號采集的挑戰(zhàn)

ECG信號的測量可能極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇嬖谥蟮腄C偏壓，以及各種干擾信號。一個典型電極上的這種電勢可以高達(dá)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(yùn)動干擾、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。

對于不同的最終設(shè)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(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(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，信號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，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(shù)字后處理帶來了極大的靈活性。

當(dāng)采用順序采樣方案時， 每個通道都將ECG的導(dǎo)線復(fù)用到一個ADC上。此時，相鄰?fù)ǖ乐g有一個確定的扭曲。當(dāng)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(fā)板，叫做MED-EKG模塊，這是一種極其萬能的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者可以快速地建立一個心電系統(tǒng)的原型。當(dāng)用作飛思卡爾Tower系統(tǒng)的一部分時，設(shè)計(jì)者可獲得一個全功能的系統(tǒng)，通過一個定制設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

另外， 采用Monebo Kinetic ECG算法也使設(shè)計(jì)者能夠?yàn)橛脩籼峁CG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(shù)。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(dá)16線的ECG捕捉數(shù)據(jù)做特征提取、心拍分類、間隔測量及節(jié)律分析等。

無觸點(diǎn)ECG不再是科學(xué)幻想。Plessey半導(dǎo)體公司與英國蘇塞克斯大學(xué)開發(fā)了電勢集成電路（EPIC）傳感器，這是一種電勢檢測（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?，F(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，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存活時間超過一周的病人會增加患醫(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，在ICU中的死亡率高6倍。見圖6.

圖6,典型的輔助呼吸機(jī)框圖

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

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

1. 不存在植入的電池，因此沒有內(nèi)部損耗問題。除非機(jī)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(guān)。

2. 植入部件和外置部件之間沒有經(jīng)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(hù)問題，也沒有慢性感染風(fēng)險。

另一個關(guān)鍵點(diǎn)是，系統(tǒng)采用的是負(fù)壓呼吸原理。即通過橫隔膜的收縮，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。VAP是呼吸機(jī)依賴病人再次入院的最常見原因。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)療過程都通過經(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)可以通過電致運(yùn)動，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停留時間，降低死亡率，并減少醫(yī)院的費(fèi)用。

通過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，帶來了更多神奇的解決方案，可改善植入體，并通過非接觸性刺激和檢測裝置，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)確地探測病人大腦細(xì)胞何時發(fā)生問題，從而決定何時做補(bǔ)償，何時不做。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："作為技術(shù)提供者，我們只希望通過建立盡可能有效而安全的解決方案，從而加快這個過程。"

以下引用一段TimDenison有關(guān)Medtronic 方案的評論：" 神經(jīng)接口是一個相對較新的領(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)展與部署作為一個參與的過程。我們已經(jīng)開放了共享的模型，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)過一段時間，可能在解析大腦信號基礎(chǔ)上，產(chǎn)生新的治療方法。"