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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)（圖1）。 
圖1，意法半導體公司開(kāi)發(fā)了一些用于個(gè)人與診斷的傳感器應用 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。
圖2，波士頓視網(wǎng)膜植入項目的研究人員在一頭豬的視網(wǎng)膜下區域植入了一個(gè)陣列，但把假體的大部分（一個(gè)鈦制的密封電子組件）裝在鞏膜的表面。電極陣列從盒中蜿蜒而出，延伸到眼睛的顳上象限
圖3，此系統有外置的視頻捕捉單元，還有一個(gè)發(fā)射器，它以無(wú)線(xiàn)方式將圖像數據發(fā)送給植入的裝置
圖4，定制ASIC將圖像轉換為兩相的電流脈沖，對一個(gè)電極陣列其強度、周期與頻率都是可以編程設定的 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。
圖5，植入耳蝸將聲音轉換為電脈沖，送給聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)。話(huà)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(xué)信息 （b）。磁耳機將數字信號發(fā)送給植入的耳蝸（c）。植入耳蝸將電信號發(fā)送給聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)（d）。收聽(tīng)到的神經(jīng)將脈沖發(fā)給大腦，這將脈沖解析成為聲音 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）。
圖6，一個(gè)反饋系統監護著(zhù)植入體的關(guān)鍵電活動(dòng)與神經(jīng)活動(dòng)，并將這些活動(dòng)傳回到外置單元 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R&D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。
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。 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。 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(gè)實(shí)現生物醫學(xué)電子解決方案的優(yōu)秀例子，它改善了那些遭受這些痛苦折磨的人們的生活質(zhì)量。 DBS系統通過(guò)檢測病人的腦電波（EEG），自動(dòng)產(chǎn)生DBS電脈沖，防止癲癇的發(fā)作，甚至幫助減輕PD的震顫。DBS向大腦的不同區域發(fā)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(dòng)和震顫的病人。 迄今為止，只有Medtronic公司有通過(guò)FDA批準的DBS產(chǎn)品。他們的雙側大腦DBS裝置于2002年通過(guò)了FDA的批準，帶有兩個(gè)神經(jīng)刺激器，每個(gè)用于一個(gè)大腦半球。與心臟起搏器類(lèi)似，DBS用一個(gè)神經(jīng)刺激器產(chǎn)生并提供高頻的電脈沖，通過(guò)延長(cháng)線(xiàn)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(jīng)刺激器是最先進(jìn)的電池供電裝置之一。 神經(jīng)刺激器通常要由受過(guò)訓練的技術(shù)人員在手術(shù)后編程，以尋找減輕帕金森癥狀的最有效信號參數。圖8是Medtronic公司標準DBS產(chǎn)品的一個(gè)簡(jiǎn)單框圖。
圖8，Medtronic深腦刺激系統的框圖，它采用了一個(gè)神經(jīng)刺激器，為部分大腦產(chǎn)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(gè)記錄電極被植入到運動(dòng)皮層中，64個(gè)刺激電極被植入到大腦的STN部分。這種64通道可單點(diǎn)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(jīng)信號要用8個(gè)前端低噪聲神經(jīng)放大器（LAN）做調整。由于神經(jīng)脈沖的幅度小，有時(shí)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�？梢詫⒁环N開(kāi)關(guān)電容技術(shù)用于電阻模擬和1/f降噪。開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電容的放大濾波器能夠同時(shí)很好地記錄神經(jīng)脈沖和場(chǎng)電勢。 多個(gè)LNA被復用到一個(gè)大動(dòng)態(tài)范圍的對數放大器前端，進(jìn)入一個(gè)模數轉換器（ADC），從而不必做模擬自動(dòng)增益控制。 為了覆蓋大腦刺激所產(chǎn)生的小信號神經(jīng)脈沖以及大信號局部場(chǎng)電勢（LFP）響應的整個(gè)范圍，大動(dòng)態(tài)范圍ADC需要對所有需要的神經(jīng)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(dòng)態(tài)范圍。對數編碼非常適用于神經(jīng)信號，并且有效率，因為大動(dòng)態(tài)范圍可以用一個(gè)短字長(cháng)來(lái)表示。為了節約面積和功耗，采用了相對較大動(dòng)態(tài)范圍的ADC，因此就不必采用模擬自動(dòng)增益控制。 ADC需要一個(gè)數字濾波器，用于將低頻神經(jīng)場(chǎng)電勢信號從神經(jīng)脈沖能量中分離出來(lái)。這個(gè)工作可以采用一個(gè)22個(gè)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(yōu)點(diǎn)。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(gè)頻段分離開(kāi)來(lái)。模擬濾波器電路容易漂移，并依賴(lài)于溫度，而數字濾波器則沒(méi)有這些問(wèn)題，無(wú)論是時(shí)間還是溫度都不會(huì )有影響。 電刺激器生成64個(gè)通道的兩相電荷平衡刺激電流。一只專(zhuān)用控制器通過(guò)一個(gè)I/O通道，產(chǎn)生這些刺激模式，控制64只電流導引DAC。64個(gè)DAC可以構成一個(gè)級聯(lián)的共享2位粗粒度電流DAC和64個(gè)獨立的雙向4位細粒度DAC，或類(lèi)似的配置。 DAC有48種可能的電流值�？梢允褂靡粋�(gè)細粒度ADC和一個(gè)極性轉換開(kāi)關(guān)，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(cháng)期的組織損傷風(fēng)險。 圖9是一個(gè)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(gè)完整的CDBS系統。該項目主管Michael Flynn說(shuō)：“微處理器告訴芯片有關(guān)位置和方式的信息，芯片做其它工作�！�
圖9，典型的閉環(huán)深腦刺激（CDBS）芯片系統框圖 在醫療電子領(lǐng)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(yè)務(wù)集中在同時(shí)涉及可植入和便攜應用的集成電路設計，如神經(jīng)刺激、起搏、除顫、超聲，以及醫療監護（如血糖儀）。（見(jiàn)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(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)雙向腦機接口（BMI）。一旦完成了所有實(shí)驗室試驗，并在不久的將來(lái)被批準用于人腦研究，這種技術(shù)有望成為大腦研究前沿的重要工具�，F在它正處于臨床前期研究階段，尚沒(méi)有被批準的產(chǎn)品。 正如圖10中的功能框圖所示，神經(jīng)接口（NI）技術(shù)核心是當前已發(fā)布神經(jīng)刺激器中的刺激器和遙測系統（Medtronic的ActivaPC）。
圖10，這個(gè)功能框圖表示了一個(gè)雙向神經(jīng)接口系統，神經(jīng)接口（NI）技術(shù)核心是已發(fā)布神經(jīng)刺激器中存在的刺激器與遙測系統 參見(jiàn)圖11，傳感器硬件、算法處理器以及固件部分插入到現有架構中，在物理域和算法域之間有定義良好的信號路徑。
圖11，雙向腦機接口原型中的傳感器硬件、算法處理器與固件區都插到現有架構中，并有物理域和算法域中定義良好的信號路徑 心臟“體積小”、“無(wú)線(xiàn)”、“無(wú)接觸”，這些詞匯都不可能與過(guò)去的ECG裝置搭上關(guān)系�，F在電子技術(shù)的新進(jìn)展促成了更緊湊更便攜的設計，有些帶有無(wú)線(xiàn)功能，傳感器甚至不需要與人體有物理或電阻觸點(diǎn)。 集成電路的發(fā)展造就了ECG設計的小型化，如德州儀器公司高集成度的ADS1298R AFE，它還包含了全集成的呼吸阻抗測量功能。圖12給出了一個(gè)集成AFE設備，它就像是ADS12998加上ECG架構的其它重要部分。
圖12，帶有集成模擬前端（AFE）設備心電解決方案 ECG系統功能與進(jìn)展ECG機的基本功能包括ECG波形顯示（可以采用LCE屏幕或打印紙介質(zhì)）、心律指示及采用按鍵的簡(jiǎn)單用戶(hù)界面。越來(lái)越多的ECG產(chǎn)品中需要更多的功能，例如用方便介質(zhì)做病人記錄的存儲，無(wú)線(xiàn)/有線(xiàn)傳輸，以及在有觸摸功能大型LCD屏的2D/3D顯示等。 多級診斷能力也在為醫生和沒(méi)有特殊ECG訓練的人們提供幫助，讓他們理解ECG圖形，以及對某些心臟狀況的提示（下面會(huì )討論Monebo算法）。當ECG信號被捕捉和數字化時(shí)，將被送去做顯示和分析，分析工作涉及更進(jìn)一步的信號處理。 信號采集的挑戰 ECG信號的測量可能極具挑戰性，因為存在著(zhù)大的DC偏壓，以及各種干擾信號。一個(gè)典型電極上的這種電勢可以高達300mV。干擾信號包括來(lái)自電源的50Hz/60Hz干擾、由于病人活動(dòng)而造成的運動(dòng)干擾、電外科設備的射頻干擾、除顫脈沖、起搏器脈沖，以及其它監護設備的干擾。 對于不同的最終設備， 一臺ECG將需要不同的精度和帶寬：- 頻率在0.05Hz~30Hz之間的標準監護需求；- 頻率從0.05Hz~1000Hz的診斷型監護需求。 采用高輸入阻抗儀表放大器（INA）可以抑制掉一些50Hz/60Hz的共模干擾，它消除了兩個(gè)輸入端上共同的交流線(xiàn)噪聲。要進(jìn)一步抑制線(xiàn)路上的電源噪聲，可將信號反向，再由一個(gè)放大器通過(guò)右腿回送給病人。只要幾微安甚至更小的電流，就可以顯著(zhù)提高CMR，并保持在UL544的限制范圍內。另外，50Hz/60Hz的數字陷波濾波器也可以進(jìn)一步降低這種干擾。 模擬前端的選項 對于便攜ECG而言，優(yōu)化模擬前端的功耗以及PCB區非常關(guān)鍵。由于技術(shù)的進(jìn)步，現在有幾種前端的選擇： - 采用低分辨率ADC（需要所有的濾波器）； - 采用高分辨率ADC（需要少量濾波器）； - 采用Σ-Δ ADC（不需要濾波器，除INA外不需要放大器，無(wú)DC偏移）； - 采用順序或同步采樣方案。 當使用低分辨率（ 16位）ADC時(shí)，信號需要顯著(zhù)地提高增益（通常是100x~200x），才能達到所需分辨率。當使用高分辨率（24位）ADC時(shí)，信號需要4x~5x的適度增益。這樣就可以省掉第二個(gè)增益級，以及用于消除DC偏移的電路。這樣就從整體上減少了面積和成本。另外，Δ-Σ方案還保留了信號的全部頻率分量，從而為數字后處理帶來(lái)了極大的靈活性。 當采用順序采樣方案時(shí)， 每個(gè)通道都將ECG的導線(xiàn)復用到一個(gè)ADC上。此時(shí)，相鄰通道之間有一個(gè)確定的扭曲。當采用同步采樣方案時(shí)， 每個(gè)通道都有一個(gè)專(zhuān)用ADC，因此通道之間沒(méi)有扭曲。 飛思卡爾有大量低成本的開(kāi)發(fā)板，叫做MED-EKG模塊，這是一種極其萬(wàn)能的系統，設計者可以快速地建立一個(gè)心電系統的原型。當用作飛思卡爾Tower系統的一部分時(shí)，設計者可獲得一個(gè)全功能的系統，通過(guò)一個(gè)定制設計的電路板，只要更換套件中的任何單個(gè)模塊，就可以方便地修改、更換或升級成一個(gè)定制的設計。 另外， 采用Monebo Kinetic ECG算法也使設計者能夠為用戶(hù)提供對ECG波形的信號處理與解析，從而幫助保健專(zhuān)家獲取心臟的參數。它提供高度精確的QRS（在一個(gè)典型心電圖上能看到的一組三個(gè)相連波—通常為心電圖軌跡中最重要、目視最明顯的部分）檢測，并能對多達16線(xiàn)的ECG捕捉數據做特征提取、心拍分類(lèi)、間隔測量及節律分析等。 無(wú)觸點(diǎn)ECG不再是科學(xué)幻想。Plessey半導體公司與英國蘇塞克斯大學(xué)開(kāi)發(fā)了電勢集成電路（EPIC）傳感器，這是一種電勢檢測（EPS）技術(shù)，這種傳感器的陣列只要裝在病人的胸口，就可以獲得相當于12線(xiàn)ECG的讀數，而沒(méi)有一堆導線(xiàn)、導電膠和容易脫落的電極。 （下續） 來(lái)源：電子工程網(wǎng) |
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肺 醫用呼吸機（也叫輔助呼吸機，或機械式呼吸機（MV））能將空氣推入病人的肺內。呼吸機可以在重癥監護治療中用作人工呼吸，或家庭中治療呼吸暫停疾病�，F代設備采用了智能電路，能夠混合氣體，或根據傳感器的數據確定一個(gè)固定或受控的風(fēng)扇速度。意法半導體公司的解決方案包括所需要的全部半導體器件，以及通過(guò)批準的軟件，能夠實(shí)現安靜且可靠的運行。 自從機械式呼吸機發(fā)明并在醫院和保健機構中使用以來(lái)，它已經(jīng)拯救了很多人的生命。但重癥監護病房（ICU）中用MV存活時(shí)間超過(guò)一周的病人會(huì )增加患醫療并發(fā)癥如呼吸機相關(guān)肺炎（VAP）及院內感染的風(fēng)險，在ICU中的死亡率高6倍。見(jiàn)圖13。
圖13，典型的輔助呼吸機框圖 使用MV病人的橫隔膜肌會(huì )快速萎縮，隨著(zhù)時(shí)間推移而越來(lái)越難以脫離呼吸機。 Avery Biomedical開(kāi)發(fā)了一種呼吸起搏系統，它采用射頻（RF）耦合的接收器，能同時(shí)發(fā)送電源和信號。其重要性源于以下兩點(diǎn)： 1. 不存在植入的電池，因此沒(méi)有內部損耗問(wèn)題。除非機械損壞，否則對任何病人，植入體都可望終生使用，而與年齡無(wú)關(guān)。 2. 植入部件和外置部件之間沒(méi)有經(jīng)皮的連接。由于病人的皮膚沒(méi)有損傷，因此沒(méi)有對皮膚損傷的長(cháng)期保護問(wèn)題，也沒(méi)有慢性感染風(fēng)險。 另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，系統采用的是負壓呼吸原理。即通過(guò)橫隔膜的收縮，使肺內壓力低于大氣壓，讓空氣流入。這在生理上是正確的，也是我們現在呼吸的原理。正壓換氣（無(wú)論是面罩還是機械換氣機）都是壓氣，既不自然，也有患VAP或換氣相關(guān)肺炎的高風(fēng)險。VAP是呼吸機依賴(lài)病人再次入院的最常見(jiàn)原因。降低再入院率（減少Medicare/Medicaid為他們支付的費用）是最近醫療改革的焦點(diǎn)之一。見(jiàn)圖14和圖15。
圖14，呼吸起搏器帶有用于膈神經(jīng)刺激的植入電極以及RF接收器，還有向植入體發(fā)射RF信號的外部天線(xiàn)，完成刺激起搏功能
圖15，呼吸起搏器的基本功能框圖 對于下一代裝置， 新的發(fā)展甚至采用血管電極的較少侵入性方法，適用于采用局部麻醉經(jīng)皮插入的病人（任何需要接觸內部器官或其它組織的醫療過(guò)程都通過(guò)經(jīng)皮膚的針刺穿透，而不采用暴露內部器官和組織的“切口”方案），膈神經(jīng)可以通過(guò)電致運動(dòng)，保持橫隔膜的強度與抗疲勞能力，改善呼吸，以及盡早脫離MV的可能性。一旦通過(guò)FDA和相關(guān)機構的批準，這一技術(shù)還可縮短ICU停留時(shí)間，降低死亡率，并減少醫院的費用。 通過(guò)采用這種最少侵入性技術(shù)的正確膈神經(jīng)刺激，可以產(chǎn)生有節奏的隔膜收縮。膈神經(jīng)刺激的閾值電勢是1.26V。封裝電極激活神經(jīng)所需電流預計不到引線(xiàn)型電極的三倍。一般采用180μs脈沖周期的平衡雙相脈沖。 新型商用傳感器與手持設備（如iPhone、Blackberry與iPad）的微電路創(chuàng )新要求有低成本、小體積和低功耗。這些努力傳播到生物醫學(xué)電子領(lǐng)域，帶來(lái)了更多神奇的解決方案，可改善植入體，并通過(guò)非接觸性刺激和檢測裝置，如感應電源與數據傳輸，以及低功耗RF器件，最終消除對大多數醫療植入體的需求。 附文 飛思卡爾公司內科、外科醫師兼電子工程師Jose Fernandez Villase？or博士表示：“無(wú)論是外科技術(shù)還是用于控制（DBS）起搏器的電路與軟件，都永遠存在著(zhù)改進(jìn)的空間。電子電路尤為重要，因為它們必須準確地探測病人大腦細胞何時(shí)發(fā)生問(wèn)題，從而決定何時(shí)做補償，何時(shí)不做。我相信需要研究新的控制軟件，提高傳感器和處理單元的精度，以減少并發(fā)癥的可能性�！彼^續說(shuō)：“作為技術(shù)提供者，我們只希望通過(guò)建立盡可能有效而安全的解決方案，從而加快這個(gè)過(guò)程�！� 以下引用一段TimDenison有關(guān)Medtronic 方案的評論：“ 神經(jīng)接口是一個(gè)相對較新的領(lǐng)域，還有很多我們不知道的東西。Medtronic 將人機接口技術(shù)的發(fā)現、發(fā)展與部署作為一個(gè)參與的過(guò)程。我們已經(jīng)開(kāi)放了共享的模型，因此我們可以加入全球最好的科學(xué)思想，在短期內開(kāi)發(fā)出實(shí)現下一代療法的新工具，以治療慢性、退化性疾病，比如帕金森癥，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，可能在解析大腦信號基礎上，產(chǎn)生新的治療方法�！� |
