創(chuàng)新醫(yī)療傳感器技術方案解析

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)是一個實現(xiàn)生物醫(yī)學電子解決方案的優(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量。

DBS系統(tǒng)通過檢測病人的腦電波(EEG)，自動產生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(qū)域發(fā)送特定的刺激。DBS用于那些拒絕藥物治療的病人，以及有癥狀波動和震顫的病人。

迄今為止，只有Medtronic公司有通過FDA批準的DBS產品。他們的雙側大腦DBS裝置于2002年通過了FDA的批準，帶有兩個神經刺激器，每個用于一個大腦半球。與心臟起搏器類似，DBS用一個神經刺激器產生并提供高頻的電脈沖，通過延長線與電極，送至大腦中的丘腦下核(STN)區(qū)或蒼白球內側(GPi)部分。Medtronics的Soletra神經刺激器是最先進的電池供電裝置之一。

神經刺激器通常要由受過訓練的技術人員在手術后編程，以尋找減輕帕金森癥狀的最有效信號參數(shù)。圖8是Medtronic公司標準DBS產品的一個簡單框圖。

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個記錄電極被植入到運動皮層中，64個刺激電極被植入到大腦的STN部分。這種64通道可單點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信號要用8個前端低噪聲神經放大器(LAN)做調整。由于神經脈沖的幅度小，有時要用集成前置放大器去放大這些小信號，然后再做數(shù)據(jù)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開關電容技術用于電阻模擬和1/f降噪。開關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。開關電容的放大濾波器能夠同時很好地記錄神經脈沖和場電勢。

多個LNA被復用到一個大動態(tài)范圍的對數(shù)放大器前端，進入一個模數(shù)轉換器(ADC)，從而不必做模擬自動增益控制。

為了覆蓋大腦刺激所產生的小信號神經脈沖以及大信號局部場電勢(LFP)響應的整個范圍，大動態(tài)范圍ADC需要對所有需要的神經信息做數(shù)字化。ADC前端所使用的對數(shù)放大器能夠達到所需的動態(tài)范圍。對數(shù)編碼非常適用于神經信號，并且有效率，因為大動態(tài)范圍可以用一個短字長來表示。為了節(jié)約面積和功耗，采用了相對較大動態(tài)范圍的ADC，因此就不必采用模擬自動增益控制。

ADC需要一個數(shù)字濾波器，用于將低頻神經場電勢信號從神經脈沖能量中分離出來。這個工作可以采用一個22個接頭的有限脈沖響應(FIR)Butterworth型數(shù)字濾波器。

使用數(shù)字濾波器而不是模擬或混合信號濾波器有很多優(yōu)點。首先，數(shù)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(shù)字濾波器用作雙工器，將脈沖與LFP的兩個頻段分離開來。模擬濾波器電路容易漂移，并依賴于溫度，而數(shù)字濾波器則沒有這些問題，無論是時間還是溫度都不會有影響。

電刺激器生成64個通道的兩相電荷平衡刺激電流。一只專用控制器通過一個I/O通道，產生這些刺激模式，控制64只電流導引DAC。64個DAC可以構成一個級聯(lián)的共享2位粗粒度電流DAC和64個獨立的雙向4位細粒度DAC，或類似的配置。

DAC有48種可能的電流值?？梢允褂靡粋€細粒度ADC和一個極性轉換開關，選擇DAC的正負輸出，達到電荷平衡的雙相刺激，這有助于減少長期的組織損傷風險。

圖9是一個用于CDBS系統(tǒng)的單芯片，它與一只微處理器連接，就可獲得一個完整的CDBS系統(tǒng)。該項目主管Michael Flynn說：“微處理器告訴芯片有關位置和方式的信息，芯片做其它工作。”

在醫(yī)療電子領域，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(yī)療業(yè)務集中在同時涉及可植入和便攜應用的集成電路設計，如神經刺激、起搏、除顫、超聲，以及醫(yī)療監(jiān)護(如血糖儀)。(見附文)

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(yī)療解決方案。其無線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公司正在開發(fā)雙向腦機接口(BMI)。一旦完成了所有實驗室試驗，并在不久的將來被批準用于人腦研究，這種技術有望成為大腦研究前沿的重要工具?，F(xiàn)在它正處于臨床前期研究階段，尚沒有被批準的產品。

心臟

“體積小”、“無線”、“無接觸”，這些詞匯都不可能與過去的ECG裝置搭上關系?，F(xiàn)在電子技術的新進展促成了更緊湊更便攜的設計，有些帶有無線功能，傳感器甚至不需要與人體有物理或電阻觸點。

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給出了一個集成AFE設備，它就像是ADS12998加上ECG架構的其它重要部分。

ECG系統(tǒng)功能與進展

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)、心律指示及采用按鍵的簡單用戶界面。越來越多的ECG產品中需要更多的功能，例如用方便介質做病人記錄的存儲，無線/有線傳輸，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(yī)生和沒有特殊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(下面會討論Monebo算法)。當ECG信號被捕捉和數(shù)字化時，將被送去做顯示和分析，分析工作涉及更進一步的信號處理。