生物醫(yī)學(xué)電子學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)療傳感器(一)
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(zhǎng)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(duì)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(guò)對(duì)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(guò)轉(zhuǎn)換多工器的開(kāi)、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(cè)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(cè)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(duì)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(cè)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(lái)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(duì)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(wú)需使用電位器。理想的電流源有無(wú)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(kāi)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(jiǎn)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(guò)12萬(wàn)人的聽(tīng)力。這些假體已成為指導(dǎo)其它神經(jīng)假體開(kāi)發(fā)的模型,可望提高幾百萬(wàn)人的生活質(zhì)量。
評(píng)論