生物医学电子学领域的医疗传感器（一）
来源： 作者： 发布时间：2015-05-04 08:38:37 浏览量：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绕行电感器想。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环型电感器送至可编程电流源。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R功率电感F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，栅极与源极之间电感器厂家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。
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