生物醫學電子學領域的醫療傳感器（一）

自研究人員兩年前開始做這個臨床研究以來，電子技術發生了很多進步，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品，得到FDA（食品與藥物管理局）批準應用于人體。這些技術進步的例子包括：德州儀器公司符合無線充電聯盟Qi標準的無線接收器與發射器技術，該公司為改進的負載系統提供符合標準的通信，用于無線電源傳輸、AC/DC電源轉換、輸出電壓調整，以及動態整流器控制等。采用德州儀器的無線電源產品和開發套件，就可以做出全套的無接線電源傳輸與充電設計。飛思卡爾與AnalogDevices公司也提供這一領域的低功耗無線產品。

另外一項臨床研究是采用有望實現高分辨率視網膜假體的光電二極管電路。在這項研究中，斯坦福大學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據流， 用一塊微型LCD（類似于視頻眼鏡）顯示得到的數據。約900nm波長的近IR（紅外）光以0.5ms間隔照亮LCD,相當于約30?的視場。這個脈沖將影像通過眼球投射到視網膜上。然后，視網膜下一個植入的3mm直徑芯片中的光伏像素接收IR影像，相當于10?的視場。每個像素都將脈沖光轉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膜組織。

與光敏系統比較，光伏系統中沒有額外的電源，從而大大簡化了假體的設計、制造，以及相關的手術過程，前者需要有源的偏置電壓。研究人員計劃在未來研究中，確定各個視網膜神經元對這種激勵的響應。

幫助聾人獲得聽力

生物醫學科學的另一個發展領域是耳蝸植入。這些植入體的主要目標是通過電刺激，安全地提供或恢復功能聽力（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，將聲音轉換到數字域，將數字信號處理并編碼成一個RF信號，然后將其發送給耳機中的天線（圖5）。醫生通過手術，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信號獲得能量來解碼信號，并將其轉換為電流，然后將其發送給連接耳蝸的導線。導線末端的電極刺激連接到中央神經系統的聽覺神經，這些神經將電脈沖解析為聲音。

圖5,植入耳蝸將聲音轉換為電脈沖，送給聽覺神經。話筒將聲音捕捉給聲音處理器（a）。聲音處理器將聲音轉換為詳細的數學信息 （b）。

磁耳機將數字信號發送給植入的耳蝸（c）。植入耳蝸將電信號發送給聽覺神經（d）。收聽到的神經將脈沖發給大腦，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發射器。DSP提取出聲音的特征，將其轉換為一個數據流，RF發射器將其發射出去。DSP還在一個存儲映像中包含了病人的信息。外置PC的適配程序可以設置或修改存儲映像，以及其它語音處理參數。

內部單元有一個RF接收器，以及一個密封的刺激器。這個內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，將其轉換為電流，送給聽覺神經處的電極。一個反饋系統監控著植入體內的關鍵電氣與神經活動，并將這些活動傳送回外置單元（圖6）。

圖6,一個反饋系統監護著植入體的關鍵電活動與神經活動，并將這些活動傳回到外置單元

Advanced Bionics公司開發出了一個可植入電子平臺，它提供了更多通道，以及通過電流導引而生成虛擬通道的能力。該公司RD副總裁Lee Hartley稱，在開發復雜的聲音處理傳感器時，最大的挑戰之一就是提高在噪聲聽音環境中的聆聽能力。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；我們需要智能地將信息從噪聲中分離出來。

Hartley表示，接下來能大大改進耳蝸植入系統及性能的重要領域包括：與商務設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師耳蝸植入服務的技術，而與病人或醫師的位置無關。他解釋說：業界的技術趨勢是系統架構與服務模型，它將盡可能減小整個耳蝸植入系統的可見性。Hartley預計，IC技術的發展將提供無線功能，降低系統功耗。他說：我認為系統設計會繼續模塊化，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一個經皮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，不僅傳輸數據，同時傳送電源。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。它的第二個功能是提供可靠的通信協議，包括一個信號調制模式、位編碼、幀編碼、同步，以及后臺遙測的檢測。