创新医疗传感器技术方案解析

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。

　　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）。

　　AdvancedBionics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LeeHartley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。

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，