生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)療傳感器（一）

科幻劇《無敵金剛》（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(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)速率無線方案。2011年，意法半導(dǎo)體公司推出了自己的未來"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的開發(fā)套件，這是下一代的"mote"平臺(tái)，即針對極低功耗、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)和易于開發(fā)的雙重設(shè)計(jì)目標(biāo)。TI公司的Tmote Sky套件號(hào)稱有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公司也提供了針對植入體的先進(jìn)柔性電路，有助于實(shí)現(xiàn)這一面向170萬遭受此類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

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自研究人員兩年前開始做這個(gè)臨床研究以來，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線充電聯(lián)盟Qi標(biāo)準(zhǔn)的無線接收器與發(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。采用德州儀器的無線電源產(chǎn)品和開發(fā)套件，就可以做出全套的無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，他用了一臺(tái)筆記本電腦處理來自攝像頭的數(shù)據(jù)流， 用一塊微型LCD（類似于視頻眼鏡）顯示得到的數(shù)據(jù)。約900nm波長的近IR（紅外）光以0.5ms間隔照亮LCD,相當(dāng)于約30?的視場。這個(gè)脈沖將影像通過眼球投射到視網(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。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)中沒有額外的電源，從而大大簡化了假體的設(shè)計(jì)、制造，以及相關(guān)的手術(shù)過程，前者需要有源的偏置電壓。研究人員計(jì)劃在未來研究中，確定各個(gè)視網(wǎng)膜神經(jīng)元對這種激勵(lì)的響應(yīng)。

幫助聾人獲得聽力

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)是通過電刺激，安全地提供或恢復(fù)功能聽力（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(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(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，送給聽覺神經(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，在開發(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(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(wù)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(wù)模型，它將盡可能減小整個(gè)耳蝸植入系統(tǒng)的可見性。Hartley預(yù)計(jì)，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(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(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)部單元都要通過一個(gè)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(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)遙測的檢測。

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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(gè)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(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，并通過對錯(cuò)誤和安全性的檢查，確保正確的解碼。數(shù)據(jù)分配器通過轉(zhuǎn)換多工器的開、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(lì)電流。這個(gè)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(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，因此無需使用電位器。理想的電流源有無限大的阻抗，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12萬人的聽力。這些假體已成為指導(dǎo)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。