生物医学电子学领域的医疗传感器（二）

大脑、心脏与肺患有脑病和心肺病的人们受益于21世纪电子、生物以及医疗技术的协同。

生物医学电子学研究的动力来自于婴儿潮人口的老化及他们的医疗需求。这一局面刺激了新型生物技术的快速发展，以及在预防医学领域创新的医疗诊断与治疗方式的采用。后来，植入技术与先进无线电子媒介将有助于减缓今天社会高涨的医疗费用，使我们今后更健康长寿。

本文第一部分讨论了眼睛和耳朵，本部分将讨论大脑、心脏和肺，技术的发展将改善工程、生物以及医学之间的桥梁，增强这些器官的功能。

本文将揭示出新装置的微型化、便携能力、连接性、人性化、安全以及可靠性是如何推动这方面的尝试，从而改善人体中那些老化或带病/损伤器官所要求的脆弱性质与微妙平衡。

大脑

对于癫痫、帕金森症（PD）甚至强迫症（OCD）患者，闭合深脑刺激（CDBS）是一个实现生物医学电子解决方案的优秀例子，它改善了那些遭受这些痛苦折磨的人们的生活质量。

DBS系统通过检测病人的脑电波（EEG），自动产生DBS电脉冲，防止癫痫的发作，甚至帮助减轻PD的震颤。DBS向大脑的不同区域发送特定的刺激。DBS用于那些拒绝药物治疗的病人，以及有症状波动和震颤的病人。

迄今为止，只有Medtronic公司有通过FDA批准的DBS产品。他们的双侧大脑DBS装置于2002年通过了FDA的批准，带有两个神经刺激器，每个用于一个大脑半球。与心脏起搏器类似，DBS用一个神经刺激器产生并提供高频的电脉冲，通过延长线与电极，送至大脑中的丘脑下核（STN）区或苍白球内侧（GPi）部分。Medtronics的Soletra神经刺激器是最先进的电池供电装置之一。

神经刺激器通常要由受过训练的技术人员在手术后编程，以寻找减轻帕金森症状的最有效信号参数。图1是Medtronic公司标准DBS产品的一个简单框图。

图1,Medtronic深脑刺激系统的框图，它采用了一个神经刺激器，为部分大脑产生和提供高频电脉冲

建议CDBS基本设计如下：

CDBS装置可以直接与记录、刺激电极连接。8个记录电极被植入到运动皮层中，64个刺激电极被植入到大脑的STN部分。这种64通道可单点控制的刺激能够获得各种刺激模式，最有效地治疗帕金森症状。

从植入微电极获得的神经信号要用8个前端低噪声神经放大器（LAN）做调整。由于神经脉冲的幅度小，有时要用集成前置放大器去放大这些小信号，然后再做数据转换。前端设计需要低噪声，以保证信号的完整性。

前端的带通LNA通常增益为100量级，而LNA的输入设计需要尽可能减小1/f噪声。可以将一种开关电容技术用于电阻模拟和1/f降噪。开关电容电路对信号做调制，这样1/f噪声就可以降低为热噪声。开关电容的放大滤波器能够同时很好地记录神经脉冲和场电势。

多个LNA被复用到一个大动态范围的对数放大器前端，进入一个模数转换器（ADC），从而不必做模拟自动增益控制。

为了覆盖大脑刺激所产生的小信号神经脉冲以及大信号局部场电势（LFP）响应的整个范围，大动态范围ADC需要对所有需要的神经信息做数字化。ADC前端所使用的对数放大器能够达到所需的动态范围。对数编码非常适用于神经信号，并且有效率，因为大动态范围可以用一个短字长来表示。为了节约面积和功耗，采用了相对较大动态范围的ADC,因此就不必采用模拟自动增益控制。

ADC需要一个数字滤波器，用于将低频神经场电势信号从神经脉冲能量中分离出来。这个工作可以采用一个22个接头的有限脉冲响应（FIR）Butterworth型数字滤波器。

使用数字滤波器而不是模拟或混合信号滤波器有很多优点。首先，数字滤波器是可编程的，因此可以调整其运行， 而不用修改硬件， 而模拟滤波器只有修改设计才能做更改。数字滤波器用作双工器，将脉冲与LFP的两个频段分离开来。模拟滤波器电路容易漂移，并依赖于温度，而数字滤波器则没有这些问题，无论是时间还是温度都不会有影响。

电刺激器生成64个通道的两相电荷平衡刺激电流。一只专用控制器通过一个I/O通道，产生这些刺激模式，控制64只电流导引DAC.64个DAC可以构成一个级联的共享2位粗粒度电流DAC和64个独立的双向4位细粒度DAC,或类似的配置。

DAC有48种可能的电流值。可以使用一个细粒度ADC和一个极性转换开关，选择DAC的正负输出，达到电荷平衡的双相刺激，这有助于减少长期的组织损伤风险。

图2是一个用于CDBS系统的单芯片，它与一只微处理器连接，就可获得一个完整的CDBS系统。该项目主管Michael Flynn说：微处理器告诉芯片有关位置和方式的信息，芯片做其它工作。

图2,典型的闭环深脑刺激（CDBS）芯片系统框图

在医疗电子领域，飞思卡尔一直与做定制模拟设计的Cactus半导体公司合作。Cactus半导体公司的医疗业务集中在同时涉及可植入和便携应用的集成电路设计，如神经刺激、起搏、除颤、超声，以及医疗监护（如血糖仪）。（见附文）

飞思卡尔也有采用低功耗微控制器、集成模拟前端（AFE）以及低功耗算法的医疗解决方案。其无线通信解决方案能确保低功耗的运行模式，以及能够快速唤醒的睡眠模式。

为了推出下一代DBS , 以及供研究人员探索神秘大脑的工具，Medtronic公司正在开发双向脑机接口（BMI）。一旦完成了所有实验室试验，并在不久的将来被批准用于人脑研究，这种技术有望成为大脑研究前沿的重要工具。现在它正处于临床前期研究阶段，尚没有被批准的产品。

正如图3中的功能框图所示，神经接口（NI）技术核心是当前已发布神经刺激器中的刺激器和遥测系统（Medtronic的ActivaPC）。

图3,这个功能框图表示了一个双向神经接口系统，神经接口（NI）技术核心是已发布神经刺激器中存在的刺激器与遥测系统