榜首部分：眼睛与耳朵跟着现代电子技能在医疗和生物范畴的开展，咱们的眼、耳、肺、心、脑功用都有或许得到增强。
科幻剧《无敌金刚》(The Six MillionDollar Man)搬上电视荧屏距今已差不多有40年时刻，跟着现代电子技能与纳米技能、高档植入技能、太阳能与光能设备，以及医学与生物学范畴传感器
重要开展的交融，科学幻想正在成为实践。科学立异催生了增强和替代人体器官的依据传感器的电子设备。这些电子设备包含WBAN(无线体域网)以及增强或替代眼睛和耳朵的设备。本文榜首部分描绘了立异的传感器技能，以及从传感器直到微操控器的微型化、可植入以及无线电子接口办法。第二部分将评论肺、心脏和大脑。
传感器与无线通讯设备的开展使咱们能够规划出微型、高本钱效益以及智能的生理传感器结点。一个立异是可穿戴的健康监控体系，如WBAN。针对这一技能的IEEE802.15.4规范规则了一个与医疗传感器体域网络相关的小功率低数据速率无线计划。2011年，意法半导体公司推出了自己的未来“cyborg”技能，包含传感器和MEMS，以及iNEMO(惯性模块评价板)结点(图1)。
图1，意法半导体公司开发了一些用于个人与确诊的传感器运用
在这一范畴的其它供货商中，Analog Devices也供给了一些先进的活动监控解决计划，以及传感器接口元件，而德州仪器公司供给了一个带Tmote Sky的开发套件，这是下一代的“mote”渠道，即针对极低功耗、高数据速率传感器网络运用的长途渠道，有容错和易于开发的两层规划方针。TI公司的Tmote Sky套件声称有10KB的片上RAM(一切mote中的最大容量)，IEEE 802.15.4射频，以及一个125m效果规模的集成板载天线。
协助瞎子重见光明
视网膜修正技能能够协助患视网膜退化疾病，如或许致盲的黄斑变性的人群康复视力(参考文献1)。研讨人员做了临床植入研讨，证明植入假体终究可补偿眼睛失掉的功用，研讨选用了一种植入物，包含一个15通道的鼓励芯片、分立的电源元件，以及与眼睛外壁契合的电源与数据接纳线圈。波士顿视网膜植入项目的研讨人员在一只猪的视网膜下区域植入了一个阵列，而大部分假体(一个钛制的密封电子组件盒)则附着在巩膜的外外表，或眼白部分。盒中伸出一个螺旋状电极阵列，延伸至眼的颞上象限(图2)。体系有一个外接的视频捕捉单元，以及一个能向设备植入部分发送印象数据的发射机(图3)。一只定制ASIC将图画转化为两相的电流脉冲，其送至电极阵列的强度、周期以及频率都是可编程的(图4)。Minco公司也供给了针对植入体的先进柔性电路，有助于完结这一面向170万遭受此类眼疾苦楚的人们的项目。
图2，波士顿视网膜植入项目的研讨人员在一头猪的视网膜下区域植入了一个阵列，但把假体的大部分(一个钛制的密封电子组件)装在巩膜的外表。电极阵列从盒中弯曲而出，延伸到眼睛的颞上象限
图3，此体系有外置的视频捕捉单元，还有一个发射器，它以无线办法将图画数据发送给植入的设备
图4，定制ASIC将图画转化为两相的电流脉冲，对一个电极阵列其强度、周期与频率都是能够编程设定的
自研讨人员两年前开端做这个临床研讨以来，电子技能发生了许多前进，改进了微型化，下降了功耗，并增加了集成度，这一尽力终究有望构成产品，得到FDA(食物与药物管理局)同意运用于人体。这些技能前进的比如包含：德州仪器公司契合无线充电联盟Qi规范的无线接纳器与发射器技能，该公司为改进的负载体系供给契合规范的通讯，用于无线电源传输、AC/DC电源转化、输出电压调整，以及动态整流器操控等。选用德州仪器的无线电源产品和开发套件，就能够做出全套的无接线电源传输与充电规划。飞思卡尔与AnalogDevices公司也供给这一范畴的低功耗无线产品。
别的一项临床研讨是选用有望完结高分辨率视网膜假体的光电二极管电路。在这项研讨中，斯坦福大学的研讨人员正在尽力研讨有源偏置光敏电路与无源光伏电路(参考文献2)。该大学眼科系与汉森实验物理实验室副教授Daniel V Palanker称，他用了一台笔记本电脑处理来自摄像头的数据流， 用一块微型LCD(相似于视频眼镜)显现得到的数据。约900nm波长的近IR(红外)光以0.5ms距离照亮LCD，相当于约30?的视场。这个脉冲将印象经过眼球投射到视网膜上。然后，视网膜下一个植入的3mm直径芯片中的光伏像素接纳IR印象，相当于10?的视场。每个像素都将脉冲光转化为一个成份额的双相脉冲电流，将视觉信息携带给有病的视网膜安排。
与光敏体系比较，光伏体系中没有额定的电源，然后大大简化了假体的规划、制作，以及相关的手术过程，前者需求有源的偏置电压。研讨人员计划在未来研讨中，确认各个视网膜神经元对这种鼓励的呼应。
协助聋人取得听力
生物医学科学的另一个开展范畴是耳蜗植入。这些植入体的首要方针是经过电影响，安全地供给或康复功用听力(参考文献3)。植入体包含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响，将声响转化到数字域，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)。医师经过手术，在耳后皮肤下面放置了内置接纳器，一块磁铁吸附在它外面，将耳机固定。密封的鼓励器包含有源的电子电路，它从RF信号取得能量来解码信号，并将其转化为电流，然后将其发送给衔接耳蜗的导线。导线结尾的电极影响衔接到中心神经体系的听觉神经，这些神经将电脉冲解析为声响。
图5，植入耳蜗将声响转化为电脉冲，送给听觉神经。话筒将声响捕捉给声响处理器(a)。声响处理器将声响转化为具体的数学信息 (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响
外置的言语处理器中包含一个DSP、一个功率扩大器和一个RF发射器。DSP提取出声响的特征，将其转化为一个数据流，RF发射器将其发射出去。DSP还在一个存储映像中包含了患者的信息。外置PC的适配程序能够设置或修正存储映像，以及其它语音处理参数。
内部单元有一个RF接纳器，以及一个密封的影响器。这个内部植入单元没有电池供电，因而接纳器有必要从RF信号取得能量。然后，充电的影响器解码RF码流，将其转化为电流，送给听觉神经处的电极。一个反馈体系监控着植入体内的要害电气与神经活动，并将这些活动传送回外置单元(图6)。
图6，一个反馈体系监护着植入体的要害电活动与神经活动，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渠道，它供给了更多通道，以及经过电流扶引而生成虚拟通道的才干。该公司RD副总裁Lee Hartley称，在开发杂乱的声响处理传感器时，最大的应战之一便是前进在噪声听音环境中的倾听才干。他说：“耳蜗植入接纳器关于区分响度水平以及不同频率通道的才干缺乏。这更增加了改进言语了解与音乐欣赏的应战;咱们需求智能地将信息从噪声中别离出来。”
Hartley表明，接下来能大大改进耳蜗植入体系及功用的重要范畴包含：与商务设备的到处无线衔接才干;低功耗下愈加智能的场景剖析算法，以及使患者能够接纳临床医师耳蜗植入服务的技能，而与患者或医师的方位无关。他解说说：“业界的技能趋势是体系架构与服务模型，它将尽或许减小整个耳蜗植入体系的可见性。Hartley估计，IC技能的开展将供给无线功用，下降体系功耗。他说：“我以为体系规划会持续模块化，接受者将依据自己不断改变的需求，定制自己的体会。”
信号处理大大改进了耳蜗植入的功用。声响能够树立模型，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响的频率频谱。还有一个办法是，声源能够建模成为一个载波，而声道则作为一个调制器，表明出嘴或鼻的开闭。声源一般会快速改变，而滤波器的反响更慢得多(参考文献3)。
一切现代耳蜗植入体的内部单元都要经过一个经皮RF链接连到外部单元上，这是为用户的安全和便利性考虑。RF链接选用了一对电感耦合线圈，不只传输数据，一起传送电源。RF传送单元有一些应战性作业，如高效地扩大信号与功率，并坚持对EMI的抵抗力。它的第二个功用是供给牢靠的通讯协议，包含一个信号调制形式、位编码、帧编码、同步，以及后台遥测的检测。
耳蜗植入体的RF规划或许有许多彼此抵触的应战，需求慎重地权衡。例如，要延伸电池寿数，功率发射器有必要是大功率高效规划。所以，许多现代植入体都选用高功率的E类扩大器。但E类扩大器对错性线的，它们有波形失真，约束了数据发射速率。别的一个应战是对高功率功率发射与接纳线圈的要求。RF体系为了取得最大功率，要作业在其谐振频率上，或一个窄带宽上，可是RF体系在数据传输时却不能约束带宽。别的，尽管这些设备要求有高的发射频率，但这样就需求大的线圈。而在一个实践可用规划中，发射与接纳线圈的尺度都有必要小到从美容视点可接受的程度。
内部单元中的接纳器与鼓励器是耳蜗植入体的引擎(图7)。ASIC(虚线中)完结要害的功用，保证安全而牢靠的电鼓励。它有一个直通数据解码器的途径，能从RF信号中康复数字信息，并经过对过错和安全性的查看，保证正确的解码。数据分配器经过转化多工器的开、关情况，将解码后的电鼓励参数送至可编程电流源。回来途径包含一个后台遥测电压采样器，用于读取某个时刻记载电极上的电压。然后，PGA(可编程增益扩大器)扩大电压，ADC将其转化到数字域，并保存在存储器中，再用后台遥测技能将其发送给外置单元。ASIC也有许多操控单元，如从时钟生成的RF信号，直到指令解码器。ASIC对某些功用的集成不太便利，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，但这些范畴也正在不断开展中。
图7，内部单元中的接纳器和影响器是植入耳蜗的引擎
DAC和电流镜组成电流源，依据来自数据解码器的起伏信息，发生鼓励电流。这个电流源有必要很准确，也充满着应战。例如，因为工艺差异，MOSFET的源极与漏极联系不是稳定的，一起，栅极与源极之间的电压差操控着漏极的电流量。因而，电路需求一个调整网络，对基准电流作精密调理。新规划有多只DAC，以取得所需求的准确电流，因而无需运用电位器。抱负的电流源有无限大的阻抗，因而许多规划者选用级联电流镜，支付的价值是下降了电压的裕度，增加了功耗。
这些权衡有必要慎重地考虑和完结。有些耳蜗植入产品有多个电流源，较老的设备需求一个开关网络，将一个电流源衔接至多个电极。新规划则运用了多个次序或一起的电流源。在这些规划中，P沟道和N沟道电流源都可生成鼓励的正、负相位。应战是要匹配P沟道和N沟道电流源，保证正负电荷的平衡。自适应恒流电压能够削减功耗，坚持高阻抗。
工程师们都更喜爱选用ASK(幅移键控)调制，而不是FSK(频移键控)调制，因为ASK有简略的完结办法，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尽力与协作，安全且费用合理的鼓励办法已康复了全球超越12万人的听力。这些假体已成为辅导其它神经假体开发的模型，可望前进几百万人的日子质量。
第二部分：大脑、心脏与肺患有脑病和心肺病的人们获益于21世纪电子、生物以及医疗技能的协同。
生物医学电子学研讨的动力来自于“婴儿潮”人口的老化及他们的医疗需求。这一局势影响了新式生物技能的快速开展，以及在防备医学范畴立异的医疗确诊与医治办法的选用。后来，植入技能与先进无线电子前言将有助于减缓今日社会高涨的医疗费用，使咱们往后更健康长寿。
本文榜首部分评论了眼睛和耳朵，本部分将评论大脑、心脏和肺，技能的开展将改进工程、生物以及医学之间的桥梁，增强这些器官的功用。
本文将提醒出新设备的微型化、便携才干、衔接性、人性化、安全以及牢靠性是怎么推进这方面的测验，然后改进人体中那些老化或带病/损害器官所要求的软弱性质与奇妙平衡。
大脑
关于癫痫、帕金森症(PD)乃至强迫症(OCD)患者，闭合深脑影响(CDBS)是一个完结生物医学电子解决计划的优异比如，它改进了那些遭受这些苦楚摧残的人们的日子质量。
DBS体系经过检测患者的脑电波(EEG)，主动发生DBS电脉冲，避免癫痫的发生，乃至协助减轻PD的震颤。DBS向大脑的不同区域发送特定的影响。DBS用于那些回绝药物医治的患者，以及有症状动摇和震颤的患者。
迄今为止，只需Medtronic公司有经过FDA同意的DBS产品。他们的双侧大脑DBS设备于2002年经过了FDA的同意，带有两个神经影响器，每个用于一个大脑半球。与心脏起搏器相似，DBS用一个神经影响器发生并供给高频的电脉冲，经过延伸线与电极，送至大脑中的丘脑下核(STN)区或苍白球内侧(GPi)部分。Medtronics的Soletra神经影响器是最先进的电池供电设备之一。
神经影响器一般要由受过练习的技能人员在手术后编程，以寻觅减轻帕金森症状的最有用信号参数。图8是Medtronic公司规范DBS产品的一个简略框图。
图8，Medtronic深脑影响体系的框图，它选用了一个神经影响器，为部分大脑发生和供给高频电脉冲
主张CDBS根本规划如下：
CDBS设备能够直接与记载、影响电极衔接。8个记载电极被植入到运动皮层中，64个影响电极被植入到大脑的STN部分。这种64通道可单点操控的影响能够取得各种影响形式，最有用地医治帕金森症状。
从植入微电极取得的神经信号要用8个前端低噪声神经扩大器(LAN)做调整。因为神经脉冲的起伏小，有时要用集成前置扩大器去扩大这些小信号，然后再做数据转化。前端规划需求低噪声，以保证信号的完好性。
前端的带通LNA一般增益为100量级，而LNA的输入规划需求尽或许减小1/f噪声。能够将一种开关电容技能用于电阻模仿和1/f降噪。开关电容电路对信号做调制，这样1/f噪声就能够下降为热噪声。开关电容的扩大滤波器能够一起很好地记载神经脉冲和场电势。
多个LNA被复用到一个大动态规模的对数扩大器前端，进入一个模数转化器(ADC)，然后不必做模仿主动增益操控。
为了掩盖大脑影响所发生的小信号神经脉冲以及大信号部分场电势(LFP)呼应的整个规模，大动态规模ADC需求对一切需求的神经信息做数字化。ADC前端所运用的对数扩大器能够到达所需的动态规模。对数编码十分适用于神经信号，而且有功率，因为大动态规模能够用一个短字长来表明。为了节省面积和功耗，选用了相对较大动态规模的ADC，因而就不必选用模仿主动增益操控。
ADC需求一个数字滤波器，用于将低频神经场电势信号从神经脉冲能量中别离出来。这个作业能够选用一个22个接头的有限脉冲呼应(FIR)Butterworth型数字滤波器。
运用数字滤波器而不是模仿或混合信号滤波器有许多长处。首要，数字滤波器是可编程的，因而能够调整其运转， 而不必修正硬件， 而模仿滤波器只需修正规划才干做更改。数字滤波器用作双工器，将脉冲与LFP的两个频段别离开来。模仿滤波器电路简略漂移，并依赖于温度，而数字滤波器则没有这些问题，无论是时刻仍是温度都不会有影响。
电影响器生成64个通道的两相电荷平衡影响电流。一只专用操控器经过一个I/O通道，发生这些影响形式，操控64只电流扶引DAC。64个DAC能够构成一个级联的同享2位粗粒度电流DAC和64个独立的双向4位细粒度DAC，或相似的装备。
DAC有48种或许的电流值。能够运用一个细粒度ADC和一个极性转化开关，挑选DAC的正负输出，到达电荷平衡的双相影响，这有助于削减长时间的安排损害危险。
图9是一个用于CDBS体系的单芯片，它与一只微处理器衔接，就可取得一个完好的CDBS体系。该项目主管Michael Flynn说：“微处理器告知芯片有关方位和办法的信息，芯片做其它作业。”
图9，典型的闭环深脑影响(CDBS)芯片体系框图
在医疗电子范畴，飞思卡尔一向与做定制模仿规划的Cactus半导体公司协作。Cactus半导体公司的医疗事务会集在一起触及可植入和便携运用的集成电路规划，如神经影响、起搏、除颤、超声，以及医疗监护(如血糖仪)。(见附文)
飞思卡尔也有选用低功耗微操控器、集成模仿前端(AFE)以及低功耗算法的医疗解决计划。其无线通讯解决计划能保证低功耗的运转形式，以及能够快速唤醒的睡觉形式。
为了推出下一代DBS ， 以及供研讨人员探究奥秘大脑的东西，Medtronic公司正在开发双向脑机接口(BMI)。一旦完结了一切实验室实验，并在不久的将来被同意用于人脑研讨，这种技能有望成为大脑研讨前沿的重要东西。现在它正处于临床前期研讨阶段，尚没有被同意的产品。
正如图10中的功用框图所示，神经接口(NI)技能中心是当时已发布神经影响器中的影响器和遥测体系(Medtronic的ActivaPC)。
图10，这个功用框图表明了一个双向神经接口体系，神经接口(NI)技能中心是已发布神经影响器中存在的影响器与遥测体系
参见图11，传感器硬件、算法处理器以及固件部分刺进到现有架构中，在物理域和算法域之间有界说杰出的信号途径。
图11，双向脑机接口原型中的传感器硬件、算法处理器与固件区都插到现有架构中，并有物理域和算法域中界说杰出的信号途径
心脏
“体积小”、“无线”、“无接触”，这些词汇都不或许与曩昔的ECG设备搭上联系。现在电子技能的新开展促成了更紧凑更便携的规划，有些带有无线功用，传感器乃至不需求与人体有物理或电阻触点。
集成电路的开展造就了ECG规划的小型化，如德州仪器公司高集成度的ADS1298R AFE，它还包含了全集成的呼吸阻抗丈量功用。图12给出了一个集成AFE设备，它就像是ADS12998加上ECG架构的其它重要部分。
图12，带有集成模仿前端(AFE)设备心电解决计划
ECG体系功用与开展
ECG机的根本功用包含ECG波形显现(能够选用LCE屏幕或打印纸介质)、心律指示及选用按键的简略用户界面。越来越多的ECG产品中需求更多的功用，例如用便利介质做患者记载的存储，无线/有线传输，以及在有接触功用大型LCD屏的2D/3D显现等。
多级确诊才干也在为医师和没有特别ECG练习的人们供给协助，让他们了解ECG图形，以及对某些心脏情况的提示(下面会评论Monebo算法)。当ECG信号被捕捉和数字化时，将被送去做显现和剖析，剖析作业触及更进一步的信号处理。
信号收集的应战
ECG信号的丈量或许极具应战性，因为存在着大的DC偏压，以及各种搅扰信号。一个典型电极上的这种电势能够高达300mV。搅扰信号包含来自电源的50Hz/60Hz搅扰、因为患者活动而形成的运动搅扰、电外科设备的射频搅扰、除颤脉冲、起搏器脉冲，以及其它监护设备的搅扰。
关于不同的终究设备， 一台ECG将需求不同的精度和带宽：- 频率在0.05Hz~30Hz之间的规范监护需求;- 频率从0.05Hz~1000Hz的确诊型监护需求。
选用高输入阻抗外表扩大器(INA)能够按捺掉一些50Hz/60Hz的共模搅扰，它消除了两个输入端上一起的交流线噪声。要进一步按捺线路上的电源噪声，可将信号反向，再由一个扩大器经过右腿回送给患者。只需几微安乃至更小的电流，就能够显着前进CMR，并坚持在UL544的约束规模内。别的，50Hz/60Hz的数字陷波滤波器也能够进一步下降这种搅扰。
模仿前端的选项
关于便携ECG而言，优化模仿前端的功耗以及PCB区十分要害。因为技能的前进，现在有几种前端的挑选：
– 选用低分辨率ADC(需求一切的滤波器);
– 选用高分辨率ADC(需求少数滤波器);
– 选用Σ-Δ ADC(不需求滤波器，除INA外不需求扩大器，无DC偏移);
– 选用次序或同步采样计划。
当运用低分辨率( 16位)ADC时，信号需求显着地前进增益(一般是100x~200x)，才干到达所需分辨率。当运用高分辨率(24位)ADC时，信号需求4x~5x的适度增益。这样就能够省掉第二个增益级，以及用于消除DC偏移的电路。这样就从全体上削减了面积和本钱。别的，Δ-Σ计划还保留了信号的悉数频率重量，然后为数字后处理带来了极大的灵活性。
当选用次序采样计划时， 每个通道都将ECG的导线复用到一个ADC上。此刻，相邻通道之间有一个确认的歪曲。当选用同步采样计划时， 每个通道都有一个专用ADC，因而通道之间没有歪曲。
飞思卡尔有很多低本钱的开发板，叫做MED-EKG模块，这是一种极端全能的体系，规划者能够快速地树立一个心电体系的原型。当用作飞思卡尔Tower体系的一部分时，规划者可取得一个全功用的体系，经过一个定制规划的电路板，只需替换套件中的任何单个模块，就能够便利地修正、替换或升级成一个定制的规划。
别的， 选用Monebo Kinetic ECG算法也使规划者能够为用户供给对ECG波形的信号处理与解析，然后协助保健专家获取心脏的参数。它供给高度准确的QRS(在一个典型心电图上能看到的一组三个相连波—一般为心电图轨道中最重要、目视最显着的部分)检测，并能对多达16线的ECG捕捉数据做特征提取、心拍分类、距离丈量及节律剖析等。
无触点ECG不再是科学幻想。Plessey半导体公司与英国苏塞克斯大学开发了电势集成电路(EPIC)传感器，这是一种电势检测(EPS)技能，这种传感器的阵列只需装在患者的胸口，就能够取得相当于12线ECG的读数，而没有一堆导线、导电胶和简略掉落的电极。
