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(xué)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(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(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，因為大動態(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。首先，數(shù)字濾波器是可編程的，因此可以調(diào)整其運行， 而不用修改硬件， 而模擬濾波器只有修改設(shè)計才能做更改。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(zhuǎn)換開關(guān)，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(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，如神經(jīng)刺激、起搏、除顫、超聲，以及醫(yī)療監(jiān)護（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(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)