生物醫(yī)學電子學領域的醫(yī)療傳感器（一）

耳蝸植入體的RF設計可能有很多相互沖突的挑戰(zhàn)，需要謹慎地權衡。例如，要延長電池壽命，功率發(fā)射器必須是大功率高效設計。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，或一個窄帶寬上，但是RF系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時卻不能限制帶寬。另外，雖然這些設備要求有高的發(fā)射頻率，但這樣就需要大的線圈。而在一個實際可用設計中，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器是耳蝸植入體的引擎（圖7）。ASIC（虛線中）完成關鍵的功能，確保安全而可靠的電激勵。它有一個直通數(shù)據(jù)解碼器的路徑，能從RF信號中恢復數(shù)字信息，并通過對錯誤和安全性的檢查，確保正確的解碼。數(shù)據(jù)分配器通過轉(zhuǎn)換多工器的開、關狀態(tài)，將解碼后的電激勵參數(shù)送至可編程電流源。返回路徑包括一個后臺遙測電壓采樣器，用于讀取某個時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，并保存在存儲器中，再用后臺遙測技術將其發(fā)送給外置單元。ASIC也有很多控制單元，如從時鐘生成的RF信號，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，以及后臺遙測數(shù)據(jù)調(diào)制器等，但這些領域也正在不斷發(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)生激勵電流。這個電流源必須很精確，也充滿著挑戰(zhàn)。例如，由于工藝差異，MOSFET的源極與漏極關系不是恒定的，同時，柵極與源極之間的電壓差控制著漏極的電流量。因此，電路需要一個調(diào)整網(wǎng)絡，對基準電流作精細調(diào)節(jié)。新設計有多只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，因此很多設計者采用級聯(lián)電流鏡，付出的代價是降低了電壓的裕度，增加了功耗。

這些權衡必須謹慎地考慮和實現(xiàn)。有些耳蝸植入產(chǎn)品有多個電流源，較老的裝置需要一個開關網(wǎng)絡，將一個電流源連接至多個電極。新設計則使用了多個順序或同時的電流源。在這些設計中，P溝道和N溝道電流源都可生成激勵的正、負相位。挑戰(zhàn)是要匹配P溝道和N溝道電流源，確保正負電荷的平衡。自適應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，因為ASK有簡單的實現(xiàn)方法，以及高頻RF信號下的低功耗。多虧了各團隊工程師、科學家、物理學家和企業(yè)家的不懈努力與合作，安全且費用合理的激勵方法已恢復了全球超過12萬人的聽力。這些假體已成為指導其它神經(jīng)假體開發(fā)的模型，可望提高幾百萬人的生活質(zhì)量。