生物醫學(xué)電子學(xué)領(lǐng)域的醫療傳感器（一）

耳蝸植入體的RF設計可能有很多相互沖突的挑戰，需要謹慎地權衡。例如，要延長(cháng)電池壽命，功率發(fā)射器必須是大功率高效設計。于是，很多現代植入體都采用高效率的E類(lèi)放大器。但E類(lèi)放大器是非性線(xiàn)的，它們有波形失真，限制了數據發(fā)射速率。另外一個(gè)挑戰是對高功率效率發(fā)射與接收線(xiàn)圈的要求。RF系統為了獲得最大功率，要工作在其諧振頻率上，或一個(gè)窄帶寬上，但是RF系統在數據傳輸時(shí)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(xiàn)圈。而在一個(gè)實(shí)際可用設計中，發(fā)射與接收線(xiàn)圈的尺寸都必須小到從美容角度可接受的程度。

內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(xiàn)中）完成關(guān)鍵的功能，確保安全而可靠的電激勵。它有一個(gè)直通數據解碼器的路徑，能從RF信號中恢復數字信息，并通過(guò)對錯誤和安全性的檢查，確保正確的解碼。數據分配器通過(guò)轉換多工器的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，將解碼后的電激勵參數送至可編程電流源。返回路徑包括一個(gè)后臺遙測電壓采樣器，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將其轉換到數字域，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(shí)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，如穩壓器、發(fā)電器、線(xiàn)圈和RF調諧回路，以及后臺遙測數據調制器等，但這些領(lǐng)域也正在不斷發(fā)展中。

圖7,內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，根據來(lái)自數據解碼器的幅度信息，產(chǎn)生激勵電流。這個(gè)電流源必須很精確，也充滿(mǎn)著(zhù)挑戰。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(zhù)漏極的電流量。因此，電路需要一個(gè)調整網(wǎng)絡(luò )，對基準電流作精細調節。新設計有多只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，因此很多設計者采用級聯(lián)電流鏡，付出的代價(jià)是降低了電壓的裕度，增加了功耗。

這些權衡必須謹慎地考慮和實(shí)現。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。新設計則使用了多個(gè)順序或同時(shí)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）調制，而不是FSK（頻移鍵控）調制，因為ASK有簡(jiǎn)單的實(shí)現方法，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了全球超過(guò)12萬(wàn)人的聽(tīng)力。這些假體已成為指導其它神經(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。