生物醫(yī)學電子學領域的醫(yī)療傳感器(二)
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(yī)療技術的協(xié)同。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/160625.htm生物醫(yī)學電子學研究的動力來自于嬰兒潮人口的老化及他們的醫(yī)療需求。這一局面刺激了新型生物技術的快速發(fā)展,以及在預防醫(yī)學領域創(chuàng)新的醫(yī)療診斷與治療方式的采用。后來,植入技術與先進無線電子媒介將有助于減緩今天社會高漲的醫(yī)療費用,使我們今后更健康長壽。
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,技術的發(fā)展將改善工程、生物以及醫(yī)學之間的橋梁,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(zhì)量。
DBS系統(tǒng)通過檢測病人的腦電波(EEG),自動產(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(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(chǎn)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(jīng)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(jīng)刺激器產(chǎn)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(nèi)側(GPi)部分。Medtronics的Soletra神經(jīng)刺激器是最先進的電池供電裝置之一。
神經(jīng)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1是Medtronic公司標準DBS產(chǎn)品的一個簡單框圖。
圖1,Medtronic深腦刺激系統(tǒng)的框圖,它采用了一個神經(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(jīng)信號要用8個前端低噪聲神經(jīng)放大器(LAN)做調(diào)整。由于神經(jīng)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(zhuǎn)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(diào)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(jīng)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(zhuǎn)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(chǎn)生的小信號神經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jīng)場電勢信號從神經(jīng)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(diào)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(chǎn)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(zhuǎn)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2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。
圖2,典型的閉環(huán)深腦刺激(CDBS)芯片系統(tǒng)框圖
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(jīng)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。現(xiàn)在它正處于臨床前期研究階段,尚沒有被批準的產(chǎn)品。
正如圖3中的功能框圖所示,神經(jīng)接口(NI)技術核心是當前已發(fā)布神經(jīng)刺激器中的刺激器和遙測系統(tǒng)(Medtronic的ActivaPC)。
圖3,這個功能框圖表示了一個雙向神經(jīng)接口系統(tǒng),神經(jīng)接口(NI)技術核心是已發(fā)布神經(jīng)刺激器中存在的刺激器與遙測系統(tǒng)
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