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

自研究人員兩年前開(kāi)始做這個(gè)臨床研究以來(lái)，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(wú)線充電聯(lián)盟Qi標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)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(wú)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(wú)線電源產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)套件，就可以做出全套的無(wú)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(wú)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(wú)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(lái)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(zhǎng)的近IR（紅外）光以0.5ms間隔照亮LCD,相當(dāng)于約30?的視場(chǎng)。這個(gè)脈沖將影像通過(guò)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(chǎng)。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(jué)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(méi)有額外的電源，從而大大簡(jiǎn)化了假體的設(shè)計(jì)、制造，以及相關(guān)的手術(shù)過(guò)程，前者需要有源的偏置電壓。研究人員計(jì)劃在未來(lái)研究中，確定各個(gè)視網(wǎng)膜神經(jīng)元對(duì)這種激勵(lì)的響應(yīng)。

幫助聾人獲得聽(tīng)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(guò)電刺激，安全地提供或恢復(fù)功能聽(tīng)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(guò)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(lái)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(tīng)覺(jué)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(tīng)覺(jué)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(tīng)覺(jué)神經(jīng)（d）。收聽(tīng)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(yǔ)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(yǔ)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(méi)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(tīng)覺(jué)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(kāi)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(guò)電流導(dǎo)引而生成虛擬通道的能力。該公司RD副總裁Lee Hartley稱，在開(kāi)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(tīng)音環(huán)境中的聆聽(tīng)能力。他說(shuō)：耳蝸植入接收器對(duì)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(yǔ)言理解與音樂(lè)欣賞的挑戰(zhàn)；我們需要智能地將信息從噪聲中分離出來(lái)。

Hartley表示，接下來(lái)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(wú)線連接能力；低功耗下更加智能的場(chǎng)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(wú)關(guān)。他解釋說(shuō)：業(yè)界的技術(shù)趨勢(shì)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(jiàn)性。Hartley預(yù)計(jì)，IC技術(shù)的發(fā)展將提供無(wú)線功能，降低系統(tǒng)功耗。他說(shuō)：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(yǔ)音成為周期聲源，而非語(yǔ)音則成為噪聲源。聲道的諧振特性可過(guò)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(kāi)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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)的檢測(cè)。