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

第一部分：眼睛與耳朵隨著現(xiàn)代電子技術(shù)在醫(yī)療和生物領(lǐng)域的進展，我們的眼、耳、肺、心、腦功能都有可能得到增強。

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年時間，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)與納米技術(shù)、高級植入技術(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?？茖W(xué)創(chuàng)新催生了增強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)計出微型、高成本效益以及智能的生理傳感器結(jié)點。一個創(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(慣性模塊評估板)結(jié)點(圖1)。

圖1，意法半導(dǎo)體公司開發(fā)了一些用于個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也提供了一些先進的活動監(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帶Tmote Sky的開發(fā)套件，這是下一代的“mote”平臺，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，有容錯和易于開發(fā)的雙重設(shè)計目標(biāo)。TI公司的Tmote Sky套件號稱有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1)。研究人員做了臨床植入研究，證明植入假體最終可彌補眼睛失去的功能，研究采用了一種植入物，包含一個15通道的激勵芯片、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)膜植入項目的研究人員在一只豬的視網(wǎng)膜下區(qū)域植入了一個陣列，而大部分假體(一個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。盒中伸出一個螺旋狀電極陣列，延伸至眼的顳上象限(圖2)。系統(tǒng)有一個外接的視頻捕捉單元，以及一個能向設(shè)備植入部分發(fā)送影像數(shù)據(jù)的發(fā)射機(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柔性電路，有助于實現(xiàn)這一面向170萬遭受此類眼疾痛苦的人們的項目。

圖2，波士頓視網(wǎng)膜植入項目的研究人員在一頭豬的視網(wǎng)膜下區(qū)域植入了一個陣列，但把假體的大部分(一個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，對一個電極陣列其強度、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臨床研究以來，電子技術(shù)發(fā)生了很多進步，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。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。

另外一項臨床研究是采用有望實現(xiàn)高分辨率視網(wǎng)膜假體的光電二極管電路。在這項研究中，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2)。該大學(xué)眼科系與漢森實驗物理實驗室副教授Daniel V Palanker稱，他用了一臺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。每個像素都將脈沖光轉(zhuǎn)換為一個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、制造，以及相關(guān)的手術(shù)過程，前者需要有源的偏置電壓。研究人員計劃在未來研究中，確定各個視網(wǎng)膜神經(jīng)元對這種激勵的響應(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3)。植入體包括放在耳后一個外置單元中的處理器和一個電池，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)字信號處理并編碼成一個RF信號，然后將其發(fā)送給耳機中的天線(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，將耳機固定。密封的激勵器包含有源的電子電路，它從RF信號獲得能量來解碼信號，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)。磁耳機將數(shù)字信號發(fā)送給植入的耳蝸(c)。植入耳蝸將電信號發(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DSP、一個功率放大器和一個RF發(fā)射器。DSP提取出聲音的特征，將其轉(zhuǎn)換為一個數(shù)據(jù)流，RF發(fā)射器將其發(fā)射出去。DSP還在一個存儲映像中包含了病人的信息。外置PC的適配程序可以設(shè)置或修改存儲映像，以及其它語音處理參數(shù)。

內(nèi)部單元有一個RF接收器，以及一個密封的刺激器。這個內(nèi)部植入單元沒有電池供電，因此接收器必須從RF信號獲得能量。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，并將這些活動傳送回外置單元(圖6)。

圖6，一個反饋系統(tǒng)監(jiān)護著植入體的關(guān)鍵電活動與神經(jīng)活動，并將這些活動傳回到外置單元

Advanced Bionics公司開發(fā)出了一個可植入電子平臺，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RD副總裁Lee Hartley稱，在開發(fā)復(fù)雜的聲音處理傳感器時，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。”

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Hartley表示，接下來能大大改進耳蝸植入系統(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耳蝸植入系統(tǒng)的可見性。Hartley預(yù)計，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)計會繼續(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。”

信號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。還有一個辦法是，聲源可以建模成為一個載波，而聲道則作為一個調(diào)制器，表示出嘴或鼻的開閉。聲源通常會快速變化，而濾波器的反應(yīng)更慢得多(參考文獻3)。

所有現(xiàn)代耳蝸植入體的內(nèi)部單元都要通過一個經(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，如高效地放大信號與功率，并保持對EMI的抵抗力。它的第二個功能是提供可靠的通信協(xié)議，包括一個信號調(diào)制模式、位編碼、幀編碼、同步，以及后臺遙測的檢測。

耳蝸植入體的RF設(shè)計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。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(shè)備要求有高的發(fā)射頻率，但這樣就需要大的線圈。而在一個實際可用設(shè)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(guān)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(fù)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(guān)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(shù)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(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(guān)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(luò)，對基準(zhǔn)電流作精細(xì)調(diào)節(jié)。新設(shè)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(shè)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(quán)衡必須謹(jǐn)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(guān)網(wǎng)絡(luò)，將一個電流源連接至多個電極。新設(shè)計則使用了多個順序或同時的電流源。在這些設(shè)計中，P溝道和N溝道電流源都可生成激勵的正、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(xué)家、物理學(xué)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(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。

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第二部分：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。可以將一種開關(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。

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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(xì)粒度DAC，或類似的配置。

DAC有48種可能的電流值。可以使用一個細(xì)粒度ADC和一個極性轉(zhuǎn)換開關(guān)，選擇DAC的正負(fù)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)

參見圖4，傳感器硬件、算法處理器以及固件部分插入到現(xiàn)有架構(gòu)中，在物理域和算法域之間有定義良好的信號路徑。

圖4，雙向腦機接口原型中的傳感器硬件、算法處理器與固件區(qū)都插到現(xiàn)有架構(gòu)中，并有物理域和算法域中定義良好的信號路徑

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心臟

“體積小”、“無線”、“無接觸”，這些詞匯都不可能與過去的ECG裝置搭上關(guān)系?，F(xiàn)在電子技術(shù)的新進展促成了更緊湊更便攜的設(shè)計，有些帶有無線功能，傳感器甚至不需要與人體有物理或電阻觸點。

集成電路的發(fā)展造就了ECG設(shè)計的小型化，如德州儀器公司高集成度的ADS1298R AFE，它還包含了全集成的呼吸阻抗測量功能。圖5給出了一個集成AFE設(shè)備，它就像是ADS12998加上ECG架構(gòu)的其它重要部分。

圖5，帶有集成模擬前端(AFE)設(shè)備心電解決方案

ECG系統(tǒng)功能與進展

ECG機的基本功能包括ECG波形顯示(可以采用LCE屏幕或打印紙介質(zhì))、心律指示及采用按鍵的簡單用戶界面。越來越多的ECG產(chǎn)品中需要更多的功能，例如用方便介質(zhì)做病人記錄的存儲，無線/有線傳輸，以及在有觸摸功能大型LCD屏的2D/3D顯示等。

多級診斷能力也在為醫(yī)生和沒有特殊ECG訓(xùn)練的人們提供幫助，讓他們理解ECG圖形，以及對某些心臟狀況的提示(下面會討論Monebo算法)。當(dāng)ECG信號被捕捉和數(shù)字化時，將被送去做顯示和分析，分析工作涉及更進一步的信號處理。

信號采集的挑戰(zhàn)

ECG信號的測量可能極具挑戰(zhàn)性，因為存在著大的DC偏壓，以及各種干擾信號。一個典型電極上的這種電勢可以高達300mV。干擾信號包括來自電源的50Hz/60Hz干擾、由于病人活動而造成的運動干擾、電外科設(shè)備的射頻干擾、除顫脈沖、起搏器脈沖，以及其它監(jiān)護設(shè)備的干擾。

對于不同的最終設(shè)備， 一臺ECG將需要不同的精度和帶寬：- 頻率在0.05Hz~30Hz之間的標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)護需求;- 頻率從0.05Hz~1000Hz的診斷型監(jiān)護需求。

采用高輸入阻抗儀表放大器(INA)可以抑制掉一些50Hz/60Hz的共模干擾，它消除了兩個輸入端上共同的交流線噪聲。要進一步抑制線路上的電源噪聲，可將信號反向，再由一個放大器通過右腿回送給病人。只要幾微安甚至更小的電流，就可以顯著提高CMR，并保持在UL544的限制范圍內(nèi)。另外，50Hz/60Hz的數(shù)字陷波濾波器也可以進一步降低這種干擾。

模擬前端的選項

對于便攜ECG而言，優(yōu)化模擬前端的功耗以及PCB區(qū)非常關(guān)鍵。由于技術(shù)的進步，現(xiàn)在有幾種前端的選擇：

- 采用低分辨率ADC(需要所有的濾波器);

- 采用高分辨率ADC(需要少量濾波器);

- 采用Σ-Δ ADC(不需要濾波器，除INA外不需要放大器，無DC偏移);

- 采用順序或同步采樣方案。

當(dāng)使用低分辨率( 16位)ADC時，信號需要顯著地提高增益(通常是100x~200x)，才能達到所需分辨率。當(dāng)使用高分辨率(24位)ADC時，信號需要4x~5x的適度增益。這樣就可以省掉第二個增益級，以及用于消除DC偏移的電路。這樣就從整體上減少了面積和成本。另外，Δ-Σ方案還保留了信號的全部頻率分量，從而為數(shù)字后處理帶來了極大的靈活性。

當(dāng)采用順序采樣方案時， 每個通道都將ECG的導(dǎo)線復(fù)用到一個ADC上。此時，相鄰?fù)ǖ乐g有一個確定的扭曲。當(dāng)采用同步采樣方案時， 每個通道都有一個專用ADC，因此通道之間沒有扭曲。

飛思卡爾有大量低成本的開發(fā)板，叫做MED-EKG模塊，這是一種極其萬能的系統(tǒng)，設(shè)計者可以快速地建立一個心電系統(tǒng)的原型。當(dāng)用作飛思卡爾Tower系統(tǒng)的一部分時，設(shè)計者可獲得一個全功能的系統(tǒng)，通過一個定制設(shè)計的電路板，只要更換套件中的任何單個模塊，就可以方便地修改、更換或升級成一個定制的設(shè)計。

另外， 采用Monebo Kinetic ECG算法也使設(shè)計者能夠為用戶提供對ECG波形的信號處理與解析，從而幫助保健專家獲取心臟的參數(shù)。它提供高度精確的QRS(在一個典型心電圖上能看到的一組三個相連波—通常為心電圖軌跡中最重要、目視最明顯的部分)檢測，并能對多達16線的ECG捕捉數(shù)據(jù)做特征提取、心拍分類、間隔測量及節(jié)律分析等。

無觸點ECG不再是科學(xué)幻想。Plessey半導(dǎo)體公司與英國蘇塞克斯大學(xué)開發(fā)了電勢集成電路(EPIC)傳感器，這是一種電勢檢測(EPS)技術(shù)，這種傳感器的陣列只要裝在病人的胸口，就可以獲得相當(dāng)于12線ECG的讀數(shù)，而沒有一堆導(dǎo)線、導(dǎo)電膠和容易脫落的電極。

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肺

醫(yī)用呼吸機(也叫輔助呼吸機，或機械式呼吸機(MV))能將空氣推入病人的肺內(nèi)。呼吸機可以在重癥監(jiān)護治療中用作人工呼吸，或家庭中治療呼吸暫停疾病。現(xiàn)代設(shè)備采用了智能電路，能夠混合氣體，或根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)確定一個固定或受控的風(fēng)扇速度。意法半導(dǎo)體公司的解決方案包括所需要的全部半導(dǎo)體器件，以及通過批準(zhǔn)的軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)安靜且可靠的運行。

自從機械式呼吸機發(fā)明并在醫(yī)院和保健機構(gòu)中使用以來，它已經(jīng)拯救了很多人的生命。但重癥監(jiān)護病房(ICU)中用MV存活時間超過一周的病人會增加患醫(yī)療并發(fā)癥如呼吸機相關(guān)肺炎(VAP)及院內(nèi)感染的風(fēng)險，在ICU中的死亡率高6倍。見圖6。

圖6，典型的輔助呼吸機框圖

使用MV病人的橫隔膜肌會快速萎縮，隨著時間推移而越來越難以脫離呼吸機。

Avery Biomedical開發(fā)了一種呼吸起搏系統(tǒng)，它采用射頻(RF)耦合的接收器，能同時發(fā)送電源和信號。其重要性源于以下兩點：

1. 不存在植入的電池，因此沒有內(nèi)部損耗問題。除非機械損壞，否則對任何病人，植入體都可望終生使用，而與年齡無關(guān)。

2. 植入部件和外置部件之間沒有經(jīng)皮的連接。由于病人的皮膚沒有損傷，因此沒有對皮膚損傷的長期保護問題，也沒有慢性感染風(fēng)險。

另一個關(guān)鍵點是，系統(tǒng)采用的是負(fù)壓呼吸原理。即通過橫隔膜的收縮，使肺內(nèi)壓力低于大氣壓，讓空氣流入。這在生理上是正確的，也是我們現(xiàn)在呼吸的原理。正壓換氣(無論是面罩還是機械換氣機)都是壓氣，既不自然，也有患VAP或換氣相關(guān)肺炎的高風(fēng)險。VAP是呼吸機依賴病人再次入院的最常見原因。降低再入院率(減少Medicare/Medicaid為他們支付的費用)是最近醫(yī)療改革的焦點之一。見圖7和圖8。

圖7，呼吸起搏器帶有用于膈神經(jīng)刺激的植入電極以及RF接收器，還有向植入體發(fā)射RF信號的外部天線，完成刺激起搏功能

圖8，呼吸起搏器的基本功能框圖

對于下一代裝置， 新的發(fā)展甚至采用血管電極的較少侵入性方法，適用于采用局部麻醉經(jīng)皮插入的病人(任何需要接觸內(nèi)部器官或其它組織的醫(yī)療過程都通過經(jīng)皮膚的針刺穿透，而不采用暴露內(nèi)部器官和組織的“切口”方案)，膈神經(jīng)可以通過電致運動，保持橫隔膜的強度與抗疲勞能力，改善呼吸，以及盡早脫離MV的可能性。一旦通過FDA和相關(guān)機構(gòu)的批準(zhǔn)，這一技術(shù)還可縮短ICU停留時間，降低死亡率，并減少醫(yī)院的費用。

通過采用這種最少侵入性技術(shù)的正確膈神經(jīng)刺激，可以產(chǎn)生有節(jié)奏的隔膜收縮。膈神經(jīng)刺激的閾值電勢是1.26V。封裝電極激活神經(jīng)所需電流預(yù)計不到引線型電極的三倍。一般采用180μs脈沖周期的平衡雙相脈沖。

新型商用傳感器與手持設(shè)備(如iPhone、Blackberry與iPad)的微電路創(chuàng)新要求有低成本、小體積和低功耗。這些努力傳播到生物醫(yī)學(xué)電子領(lǐng)域，帶來了更多神奇的解決方案，可改善植入體，并通過非接觸性刺激和檢測裝置，如感應(yīng)電源與數(shù)據(jù)傳輸，以及低功耗RF器件，最終消除對大多數(shù)醫(yī)療植入體的需求。

附文

飛思卡爾公司內(nèi)科、外科醫(yī)師兼電子工程師Jose Fernandez Villase?or博士表示：“無論是外科技術(shù)還是用于控制(DBS)起搏器的電路與軟件，都永遠(yuǎn)存在著改進的空間。電子電路尤為重要，因為它們必須準(zhǔn)確地探測病人大腦細(xì)胞何時發(fā)生問題，從而決定何時做補償，何時不做。我相信需要研究新的控制軟件，提高傳感器和處理單元的精度，以減少并發(fā)癥的可能性。”他繼續(xù)說：“作為技術(shù)提供者，我們只希望通過建立盡可能有效而安全的解決方案，從而加快這個過程。”

以下引用一段TimDenison有關(guān)Medtronic 方案的評論：“ 神經(jīng)接口是一個相對較新的領(lǐng)域，還有很多我們不知道的東西。Medtronic 將人機接口技術(shù)的發(fā)現(xiàn)、發(fā)展與部署作為一個參與的過程。我們已經(jīng)開放了共享的模型，因此我們可以加入全球最好的科學(xué)思想，在短期內(nèi)開發(fā)出實現(xiàn)下一代療法的新工具，以治療慢性、退化性疾病，比如帕金森癥，經(jīng)過一段時間，可能在解析大腦信號基礎(chǔ)上，產(chǎn)生新的治療方法。”