創(chuàng )新醫療傳感器技術(shù)方案解析

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

科幻劇《無(wú)敵金剛》(The Six MillionDollar Man)搬上電視熒屏距今已差不多有40年時(shí)間，隨著(zhù)現代電子技術(shù)與納米技術(shù)、高級植入技術(shù)、太陽(yáng)能與光能設備，以及醫學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域傳感器重要發(fā)展的融合，科學(xué)幻想正在成為現實(shí)?？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備。這些電子設備包括WBAN(無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng))以及增強或代替眼睛和耳朵的設備。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(wú)線(xiàn)電子接口方式。第二部分將討論肺、心臟和大腦。

傳感器與無(wú)線(xiàn)通信設備的發(fā)展使我們能夠設計出微型、高成本效益以及智能的生理傳感器結點(diǎn)。一個(gè)創(chuàng )新是可穿戴的健康監控系統，如WBAN。針對這一技術(shù)的IEEE802.15.4標準規定了一個(gè)與醫療傳感器體域網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的小功率低數據速率無(wú)線(xiàn)方案。2011年，意法半導體公司推出了自己的未來(lái)“cyborg”技術(shù)，包括傳感器和MEMS，以及iNEMO(慣性模塊評估板)結點(diǎn)。

在這一領(lǐng)域的其它供應商中，Analog Devices也提供了一些先進(jìn)的活動(dòng)監控解決方案，以及傳感器接口元件，而德州儀器公司提供了一個(gè)帶Tmote Sky的開(kāi)發(fā)套件，這是下一代的“mote”平臺，即針對極低功耗、高數據速率傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的遠程平臺，有容錯和易于開(kāi)發(fā)的雙重設計目標。TI公司的Tmote Sky套件號稱(chēng)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(gè)125m作用范圍的集成板載天線(xiàn)。

幫助盲人重見(jiàn)光明

視網(wǎng)膜修復技術(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(gè)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據接收線(xiàn)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)膜下區域植入了一個(gè)陣列，而大部分假體(一個(gè)鈦制的密封電子組件盒)則附著(zhù)在鞏膜的外表面，或眼白部分。盒中伸出一個(gè)螺旋狀電極陣列，延伸至眼的顳上象限(圖2)。系統有一個(gè)外接的視頻捕捉單元，以及一個(gè)能向設備植入部分發(fā)送影像數據的發(fā)射機(圖3)。一只定制ASIC將圖像轉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(jìn)柔性電路，有助于實(shí)現這一面向170萬(wàn)遭受此類(lèi)眼疾痛苦的人們的項目。

自研究人員兩年前開(kāi)始做這個(gè)臨床研究以來(lái)，電子技術(shù)發(fā)生了很多進(jìn)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)批準應用于人體。這些技術(shù)進(jìn)步的例子包括：德州儀器公司符合無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟Qi標準的無(wú)線(xiàn)接收器與發(fā)射器技術(shù)，該公司為改進(jìn)的負載系統提供符合標準的通信，用于無(wú)線(xiàn)電源傳輸、AC/DC電源轉換、輸出電壓調整，以及動(dòng)態(tài)整流器控制等。采用德州儀器的無(wú)線(xiàn)電源產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)套件，就可以做出全套的無(wú)接線(xiàn)電源傳輸與充電設計。飛思卡爾與AnalogDevices公司也提供這一領(lǐng)域的低功耗無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品。

另外一項臨床研究是采用有望實(shí)現高分辨率視網(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(wú)源光伏電路(參考文獻2)。該大學(xué)眼科系與漢森實(shí)驗物理實(shí)驗室副教授Daniel V Palanker稱(chēng)，他用了一臺筆記本電腦處理來(lái)自攝像頭的數據流， 用一塊微型LCD(類(lèi)似于視頻眼鏡)顯示得到的數據。約900nm波長(cháng)的近IR(紅外)光以0.5ms間隔照亮LCD，相當于約30?的視場(chǎng)。這個(gè)脈沖將影像通過(guò)眼球投射到視網(wǎng)膜上。然后，視網(wǎng)膜下一個(gè)植入的3mm直徑芯片中的光伏像素接收IR影像，相當于10?的視場(chǎng)。每個(gè)像素都將脈沖光轉換為一個(gè)成比例的雙相脈沖電流，將視覺(jué)信息攜帶給有病的視網(wǎng)膜組織。

與光敏系統比較，光伏系統中沒(méi)有額外的電源，從而大大簡(jiǎn)化了假體的設計、制造，以及相關(guān)的手術(shù)過(guò)程，前者需要有源的偏置電壓。研究人員計劃在未來(lái)研究中，確定各個(gè)視網(wǎng)膜神經(jīng)元對這種激勵的響應。

幫助聾人獲得聽(tīng)力

生物醫學(xué)科學(xué)的另一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域是耳蝸植入。這些植入體的主要目標是通過(guò)電刺激，安全地提供或恢復功能聽(tīng)力(參考文獻3)。植入體包括放在耳后一個(gè)外置單元中的處理器和一個(gè)電池，外置單元用一只話(huà)筒拾取聲音，將聲音轉換到數字域，將數字信號處理并編碼成一個(gè)RF信號，然后將其發(fā)送給耳機中的天線(xiàn)(圖5)。醫生通過(guò)手術(shù)，在耳后皮膚下面放置了內置接收器，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(lái)解碼信號，并將其轉換為電流，然后將其發(fā)送給連接耳蝸的導線(xiàn)。導線(xiàn)末端的電極刺激連接到中央神經(jīng)系統的聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，這些神經(jīng)將電脈沖解析為聲音。

外置的語(yǔ)言處理器中包含一個(gè)DSP、一個(gè)功率放大器和一個(gè)RF發(fā)射器。DSP提取出聲音的特征，將其轉換為一個(gè)數據流，RF發(fā)射器將其發(fā)射出去。DSP還在一個(gè)存儲映像中包含了病人的信息。外置PC的適配程序可以設置或修改存儲映像，以及其它語(yǔ)音處理參數。

內部單元有一個(gè)RF接收器，以及一個(gè)密封的刺激器。這個(gè)內部植入單元沒(méi)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，將其轉換為電流，送給聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)處的電極。一個(gè)反饋系統監控著(zhù)植入體內的關(guān)鍵電氣與神經(jīng)活動(dòng)，并將這些活動(dòng)傳送回外置單元(圖6)。

Advanced Bionics公司開(kāi)發(fā)出了一個(gè)可植入電子平臺，它提供了更多通道，以及通過(guò)電流導引而生成虛擬通道的能力。該公司RD副總裁Lee Hartley稱(chēng)，在開(kāi)發(fā)復雜的聲音處理傳感器時(shí)，最大的挑戰之一就是提高在噪聲聽(tīng)音環(huán)境中的聆聽(tīng)能力。他說(shuō)：“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(yǔ)言理解與音樂(lè )欣賞的挑戰;我們需要智能地將信息從噪聲中分離出來(lái)。”

Hartley表示，接下來(lái)能大大改進(jìn)耳蝸植入系統及性能的重要領(lǐng)域包括：與商務(wù)設備的隨處無(wú)線(xiàn)連接能力;低功耗下更加智能的場(chǎng)景分析算法，以及使病人能夠接收臨床醫師耳蝸植入服務(wù)的技術(shù)，而與病人或醫師的位置無(wú)關(guān)。他解釋說(shuō)：“業(yè)界的技術(shù)趨勢是系統架構與服務(wù)模型，它將盡可能減小整個(gè)耳蝸植入系統的可見(jiàn)性。Hartley預計，IC技術(shù)的發(fā)展將提供無(wú)線(xiàn)功能，降低系統功耗。他說(shuō)：“我認為系統設計會(huì )繼續模塊化，接受者將根據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(yǔ)音成為周期聲源，而非語(yǔ)音則成為噪聲源。聲道的諧振特性可過(guò)濾聲音的頻率頻譜。還有一個(gè)辦法是，聲源可以建模成為一個(gè)載波，而聲道則作為一個(gè)調制器，表示出嘴或鼻的開(kāi)閉。聲源通常會(huì )快速變化，而濾波器的反應更慢得多(參考文獻3)。

所有現代耳蝸植入體的內部單元都要通過(guò)一個(gè)經(jīng)皮RF鏈接連到外部單元上，這是為用戶(hù)的安全和方便性著(zhù)想。RF鏈接采用了一對電感耦合線(xiàn)圈，不僅傳輸數據，同時(shí)傳送電源。RF傳送單元有一些挑戰性工作，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(gè)功能是提供可靠的通信協(xié)議，包括一個(gè)信號調制模式、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。

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。

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世紀電子、生物以及醫療技術(shù)的協(xié)同。

生物醫學(xué)電子學(xué)研究的動(dòng)力來(lái)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(shù)的快速發(fā)展，以及在預防醫學(xué)領(lǐng)域創(chuàng )新的醫療診斷與治療方式的采用。后來(lái)，植入技術(shù)與先進(jìn)無(wú)線(xiàn)電子媒介將有助于減緩今天社會(huì )高漲的醫療費用，使我們今后更健康長(cháng)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(dòng)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。