生物醫學電子學領域的醫療傳感器（二）

大腦、心臟與肺患有腦病和心肺病的人們受益于21世紀電子、生物以及醫療技術的協同。

生物醫學電子學研究的動力來自于嬰兒潮人口的老化及他們的醫療需求。這一局面刺激了新型生物技術的快速發展，以及在預防醫學領域創新的醫療診斷與治療方式的采用。后來，植入技術與先進無線電子媒介將有助于減緩今天社會高漲的醫療費用，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，技術的發展將改善工程、生物以及醫學之間的橋梁，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）是一個實現生物醫學電子解決方案的優秀例子，它改善了那些遭受這些痛苦折磨的人們的生活質量。

DBS系統通過檢測病人的腦電波（EEG），自動產生DBS電脈沖，防止癲癇的發作，甚至幫助減輕PD的震顫。DBS向大腦的不同區域發送特定的刺激。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批準的DBS產品。他們的雙側大腦DBS裝置于2002年通過了FDA的批準，帶有兩個神經刺激器，每個用于一個大腦半球。與心臟起搏器類似，DBS用一個神經刺激器產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）區或蒼白球內側（GPi）部分。Medtronics的Soletra神經刺激器是最先進的電池供電裝置之一。

神經刺激器通常要由受過訓練的技術人員在手術后編程，以尋找減輕帕金森癥狀的最有效信號參數。圖1是Medtronic公司標準DBS產品的一個簡單框圖。

圖1,Medtronic深腦刺激系統的框圖，它采用了一個神經刺激器，為部分大腦產生和提供高頻電脈沖

建議CDBS基本設計如下：

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信號要用8個前端低噪聲神經放大器（LAN）做調整。由于神經脈沖的幅度小，有時要用集成前置放大器去放大這些小信號，然后再做數據轉換。前端設計需要低噪聲，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的輸入設計需要盡可能減小1/f噪聲。可以將一種開關電容技術用于電阻模擬和1/f降噪。開關電容電路對信號做調制，這樣1/f噪聲就可以降低為熱噪聲。開關電容的放大濾波器能夠同時很好地記錄神經脈沖和場電勢。

多個LNA被復用到一個大動態范圍的對數放大器前端，進入一個模數轉換器（ADC），從而不必做模擬自動增益控制。

為了覆蓋大腦刺激所產生的小信號神經脈沖以及大信號局部場電勢（LFP）響應的整個范圍，大動態范圍ADC需要對所有需要的神經信息做數字化。ADC前端所使用的對數放大器能夠達到所需的動態范圍。對數編碼非常適用于神經信號，并且有效率，因為大動態范圍可以用一個短字長來表示。為了節約面積和功耗，采用了相對較大動態范圍的ADC,因此就不必采用模擬自動增益控制。

ADC需要一個數字濾波器，用于將低頻神經場電勢信號從神經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（FIR）Butterworth型數字濾波器。

使用數字濾波器而不是模擬或混合信號濾波器有很多優點。首先，數字濾波器是可編程的，因此可以調整其運行， 而不用修改硬件， 而模擬濾波器只有修改設計才能做更改。數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，產生這些刺激模式，控制64只電流導引DAC.64個DAC可以構成一個級聯的共享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。可以使用一個細粒度ADC和一個極性轉換開關，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險。

圖2是一個用于CDBS系統的單芯片，它與一只微處理器連接，就可獲得一個完整的CDBS系統。該項目主管Michael Flynn說：微處理器告訴芯片有關位置和方式的信息，芯片做其它工作。

圖2,典型的閉環深腦刺激（CDBS）芯片系統框圖

在醫療電子領域，飛思卡爾一直與做定制模擬設計的Cactus半導體公司合作。Cactus半導體公司的醫療業務集中在同時涉及可植入和便攜應用的集成電路設計，如神經刺激、起搏、除顫、超聲，以及醫療監護（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用于人腦研究，這種技術有望成為大腦研究前沿的重要工具。現在它正處于臨床前期研究階段，尚沒有被批準的產品。

正如圖3中的功能框圖所示，神經接口（NI）技術核心是當前已發布神經刺激器中的刺激器和遙測系統（Medtronic的ActivaPC）。

圖3,這個功能框圖表示了一個雙向神經接口系統，神經接口（NI）技術核心是已發布神經刺激器中存在的刺激器與遙測系統