帮助聋人获得听力 - 生物医学电子学领域的医疗传感器

帮助聋人获得听力

　　生物医学科学的另一个发展领域是耳蜗植入。这些植入体的主要目标是通过电刺激，安全地提供或恢复功能听力(参考文献3)。植入体包括放在耳后一个外置单元中的处理器和一个电池，外置单元用一只话筒拾取声音，将声音转换到数字域，将数字信号处理并编码成一个RF信号，然后将其发送给耳机中的天线(图5)。医生通过手术，在耳后皮肤下面放置了内置接收器，一块磁铁吸附在它外面，将耳机固定。密封的激励器包含有源的电子电路，它从RF信号获得能量来解码信号，并将其转换为电流，然后将其发送给连接耳蜗的导线。导线末端的电极刺激连接到中央神经系统的听觉神经，这些神经将电脉冲解析为声音。

　　

 

　　图5,植入耳蜗将声音转换为电脉冲，送给听觉神经。话筒将声音捕捉给声音处理器(a)。声音处理器将声音转换为详细的数学信息 (b)。

　　磁耳机将数字信号发送给植入的耳蜗(c)。植入耳蜗将电信号发送给听觉神经(d)。收听到的神经将脉冲发给大脑，这将脉冲解析成为声音

　　外置的语言处理器中包含一个DSP、一个功率放大器和一个RF发射器。DSP提取出声音的特征，将其转换为一个数据流，RF发射器将其发射出去。DSP还在一个存储映像中包含了病人的信息。外置PC的适配程序可以设置或修改存储映像，以及其它语音处理参数。

　　内部单元有一个RF接收器，以及一个密封的刺激器。这个内部植入单元没有电池供电，因此接收器必须从RF信号获得能量。然后，充电的刺激器解码RF码流，将其转换为电流，送给听觉神经处的电极。一个反馈系统监控着植入体内的关键电气与神经活动，并将这些活动传送回外置单元(图6)。

　　

 

　　图6,一个反馈系统监护着植入体的关键电活动与神经活动，并将这些活动传回到外置单元

　　Advanced Bionics公司开发出了一个可植入电子平台，它提供了更多通道，以及通过电流导引而生成虚拟通道的能力。该公司R&D副总裁Lee Hartley称，在开发复杂的声音处理传感器时，最大的挑战之一就是提高在噪声听音环境中的聆听能力。他说："耳蜗植入接收器对于辨别响度水平以及不同频率通道的能力不足。这更增加了改善语言理解与音乐欣赏的挑战;我们需要智能地将信息从噪声中分离出来。"

　　Hartley表示，接下来能大大改进耳蜗植入系统及性能的重要领域包括：与商务设备的随处无线连接能力;低功耗下更加智能的场景分析算法，以及使病人能够接收临床医师耳蜗植入服务的技术，而与病人或医师的位置无关。他解释说："业界的技术趋势是系统架构与服务模型，它将尽可能减小整个耳蜗植入系统的可见性。Hartley预计，IC技术的发展将提供无线功能，降低系统功耗。他说："我认为系统设计会继续模块化，接受者将根据自己不断变化的需求，定制自己的体验。"

　　信号处理大大改善了耳蜗植入的性能。声音可以建立模型，使语音成为周期声源，而非语音则成为噪声源。声道的谐振特性可过滤声音的频率频谱。还有一个办法是，声源可以建模成为一个载波，而声道则作为一个调制器，表示出嘴或鼻的开闭。声源通常会快速变化，而滤波器的反应更慢得多(参考文献3)。

　　所有现代耳蜗植入体的内部单元都要通过一个经皮RF链接连到外部单元上，这是为用户的安全和方便性着想。RF链接采用了一对电感耦合线圈，不仅传输数据，同时传送电源。RF传送单元有一些挑战性工作，如高效地放大信号与功率，并保持对EMI的抵抗力。它的第二个功能是提供可靠的通信协议，包括一个信号调制模式、位编码、帧编码、同步，以及后台遥测的检测。

　　耳蜗植入体的RF设计可能有很多相互冲突的挑战，需要谨慎地权衡。例如，要延长电池寿命，功率发射器必须是大功率高效设计。于是，很多现代植入体都采用高效率的E类放大器。但E类放大器是非性线的，它们有波形失真，限制了数据发射速率。另外一个挑战是对高功率效率发射与接收线圈的要求。RF系统为了获得最大功率，要工作在其谐振频率上，或一个窄带宽上，但是RF系统在数据传输时却不能限制带宽。另外，虽然这些设备要求有高的发射频率，但这样就需要大的线圈。而在一个实际可用设计中，发射与接收线圈的尺寸都必须小到从美容角度可接受的程度。

　　内部单元中的接收器与激励器是耳蜗植入体的引擎(图7)。ASIC(虚线中)完成关键的功能，确保安全而可靠的电激励。它有一个直通数据解码器的路径，能从RF信号中恢复数字信息，并通过对错误和安全性的检查，确保正确的解码。数据分配器通过转换多工器的开、关状态，将解码后的电激励参数送至可编程电流源。返回路径包括一个后台遥测电压采样器，用于读取某个时刻记录电极上的电压。然后，PGA(可编程增益放大器)放大电压，ADC将其转换到数字域，并保存在存储器中，再用后台遥测技术将其发送给外置单元。ASIC也有很多控制单元，如从时钟生成的RF信号，直到指令解码器。ASIC对某些功能的集成不太方便，如稳压器、发电器、线圈和RF调谐回路，以及后台遥测数据调制器等，但这些领域也正在不断发展中。

　　

 

　　图7,内部单元中的接收器和刺激器是植入耳蜗的引擎

　　DAC和电流镜组成电流源，根据来自数据解码器的幅度信息，产生激励电流。这个电流源必须很精确，也充满着挑战。例如，由于工艺差异，MOSFET的源极与漏极关系不是恒定的，同时，栅极与源极之间的电压差控制着漏极的电流量。因此，电路需要一个调整网络，对基准电流作精细调节。新设计有多只DAC,以获得所需要的精确电流，因此无需使用电位器。理想的电流源有无限大的阻抗，因此很多设计者采用级联电流镜，付出的代价是降低了电压的裕度，增加了功耗。

　　这些权衡必须谨慎地考虑和实现。有些耳蜗植入产品有多个电流源，较老的装置需要一个开关网络，将一个电流源连接至多个电极。新设计则使用了多个顺序或同时的电流源。在这些设计中，P沟道和N沟道电流源都可生成激励的正、负相位。挑战是要匹配P沟道和N沟道电流源，确保正负电荷的平衡。自适应恒流电压可以减少功耗，保持高阻抗。

　　工程师们都更喜欢采用ASK(幅移键控)调制，而不是FSK(频移键控)调制，因为ASK有简单的实现方法，以及高频RF信号下的低功耗。多亏了各团队工程师、科学家、物理学家和企业家的不懈努力与合作，安全且费用合理的激励方法已恢复了全球超过12万人的听力。这些假体已成为指导其它神经假体开发的模型，可望提高几百万人的生活质量。

　　第二部分：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