生物醫學科學的另一個發展領域是耳蝸植入。這些植入體的主要目標是通過電刺激，安全地提供或恢復功能聽力(參考文獻3)。植入體包括放在耳后一個外置單元中的處理器和一個電池，外置單元用一只話筒拾取聲音，將聲音轉換到數字域，將數字信號處理并編碼成一個RF信號，然后將其發送給耳機中的天線(圖5)。醫生通過手術，在耳后皮膚下面放置了內置接收器，一塊磁鐵吸附在它外面，將耳機固定。密封的激勵器包含有源的電子電路，它從RF信號獲得能量來解碼信號，并將其轉換為電流，然后將其發送給連接耳蝸的導線。導線末端的電極刺激連接到中央神經系統的聽覺神經，這些神經將電脈沖解析為聲音。

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　　圖5,植入耳蝸將聲音轉換為電脈沖，送給聽覺神經。話筒將聲音捕捉給聲音處理器(a)。聲音處理器將聲音轉換為詳細的數學信息 (b)。

　　磁耳機將數字信號發送給植入的耳蝸(c)。植入耳蝸將電信號發送給聽覺神經(d)。收聽到的神經將脈沖發給大腦，這將脈沖解析成為聲音

　　外置的語言處理器中包含一個DSP、一個功率放大器和一個RF發射器。DSP提取出聲音的特征，將其轉換為一個數據流，RF發射器將其發射出去。DSP還在一個存儲映像中包含了病人的信息。外置PC的適配程序可以設置或修改存儲映像，以及其它語音處理參數。

　　內部單元有一個RF接收器，以及一個密封的刺激器。這個內部植入單元沒有電池供電，因此接收器必須從RF信號獲得能量。然后，充電的刺激器解碼RF碼流，將其轉換為電流，送給聽覺神經處的電極。一個反饋系統監控著植入體內的關鍵電氣與神經活動，并將這些活動傳送回外置單元(圖6)。

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　　圖6,一個反饋系統監護著植入體的關鍵電活動與神經活動，并將這些活動傳回到外置單元

　　Advanced Bionics公司開發出了一個可植入電子平臺，它提供了更多通道，以及通過電流導引而生成虛擬通道的能力。該公司R&D副總裁Lee Hartley稱，在開發復雜的聲音處理傳感器時，最大的挑戰之一就是提高在噪聲聽音環境中的聆聽能力。他說："耳蝸植入接收器對于辨別響度水平以及不同頻率通道的能力不足。這更增加了改善語言理解與音樂欣賞的挑戰;我們需要智能地將信息從噪聲中分離出來。"

　　Hartley表示，接下來能大大改進耳蝸植入系統及性能的重要領域包括：與商務設備的隨處無線連接能力;低功耗下更加智能的場景分析算法，以及使病人能夠接收臨床醫師耳蝸植入服務的技術，而與病人或醫師的位置無關。他解釋說："業界的技術趨勢是系統架構與服務模型，它將盡可能減小整個耳蝸植入系統的可見性。Hartley預計，IC技術的發展將提供無線功能，降低系統功耗。他說："我認為系統設計會繼續模塊化，接受者將根據自己不斷變化的需求，定制自己的體驗。"

　　信號處理大大改善了耳蝸植入的性能。聲音可以建立模型，使語音成為周期聲源，而非語音則成為噪聲源。聲道的諧振特性可過濾聲音的頻率頻譜。還有一個辦法是，聲源可以建模成為一個載波，而聲道則作為一個調制器，表示出嘴或鼻的開閉。聲源通常會快速變化，而濾波器的反應更慢得多(參考文獻3)。

　　所有現代耳蝸植入體的內部單元都要通過一個經皮RF鏈接連到外部單元上，這是為用戶的安全和方便性著想。RF鏈接采用了一對電感耦合線圈，不僅傳輸數據，同時傳送電源。RF傳送單元有一些挑戰性工作，如高效地放大信號與功率，并保持對EMI的抵抗力。它的第二個功能是提供可靠的通信協議，包括一個信號調制模式、位編碼、幀編碼、同步，以及后臺遙測的檢測。

　　耳蝸植入體的RF設計可能有很多相互沖突的挑戰，需要謹慎地權衡。例如，要延長電池壽命，功率發射器必須是大功率高效設計。于是，很多現代植入體都采用高效率的E類放大器。但E類放大器是非性線的，它們有波形失真，限制了數據發射速率。另外一個挑戰是對高功率效率發射與接收線圈的要求。RF系統為了獲得最大功率，要工作在其諧振頻率上，或一個窄帶寬上，但是RF系統在數據傳輸時卻不能限制帶寬。另外，雖然這些設備要求有高的發射頻率，但這樣就需要大的線圈。而在一個實際可用設計中，發射與接收線圈的尺寸都必須小到從美容角度可接受的程度。

　　內部單元中的接收器與激勵器是耳蝸植入體的引擎(圖7)。ASIC(虛線中)完成關鍵的功能，確保安全而可靠的電激勵。它有一個直通數據解碼器的路徑，能從RF信號中恢復數字信息，并通過對錯誤和安全性的檢查，確保正確的解碼。數據分配器通過轉換多工器的開、關狀態，將解碼后的電激勵參數送至可編程電流源。返回路徑包括一個后臺遙測電壓采樣器，用于讀取某個時刻記錄電極上的電壓。然后，PGA(可編程增益放大器)放大電壓，ADC將其轉換到數字域，并保存在存儲器中，再用后臺遙測技術將其發送給外置單元。ASIC也有很多控制單元，如從時鐘生成的RF信號，直到指令解碼器。ASIC對某些功能的集成不太方便，如穩壓器、發電器、線圈和RF調諧回路，以及后臺遙測數據調制器等，但這些領域也正在不斷發展中。

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　　圖7,內部單元中的接收器和刺激器是植入耳蝸的引擎

　　DAC和電流鏡組成電流源，根據來自數據解碼器的幅度信息，產生激勵電流。這個電流源必須很精確，也充滿著挑戰。例如，由于工藝差異，MOSFET的源極與漏極關系不是恒定的，同時，柵極與源極之間的電壓差控制著漏極的電流量。因此，電路需要一個調整網絡，對基準電流作精細調節。新設計有多只DAC,以獲得所需要的精確電流，因此無需使用電位器。理想的電流源有無限大的阻抗，因此很多設計者采用級聯電流鏡，付出的代價是降低了電壓的裕度，增加了功耗。

　　這些權衡必須謹慎地考慮和實現。有些耳蝸植入產品有多個電流源，較老的裝置需要一個開關網絡，將一個電流源連接至多個電極。新設計則使用了多個順序或同時的電流源。在這些設計中，P溝道和N溝道電流源都可生成激勵的正、負相位。挑戰是要匹配P溝道和N溝道電流源，確保正負電荷的平衡。自適應恒流電壓可以減少功耗，保持高阻抗。

　　工程師們都更喜歡采用ASK(幅移鍵控)調制，而不是FSK(頻移鍵控)調制，因為ASK有簡單的實現方法，以及高頻RF信號下的低功耗。多虧了各團隊工程師、科學家、物理學家和企業家的不懈努力與合作，安全且費用合理的激勵方法已恢復了全球超過12萬人的聽力。這些假體已成為指導其它神經假體開發的模型，可望提高幾百萬人的生活質量。

　　第二部分：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、生物以及醫療技術的協同。

　　生物醫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療需求。這一局面刺激了新型生物技術的快速發展，以及在預防醫學領域創新的醫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，技術的發展將改善工程、生物以及醫學之間的橋梁，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)是一個實現生物醫學電子解決方案的優秀例子，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，防止癲癇的發作，甚至幫助減輕PD的震顫。DBS向大腦的不同區域發送特定的刺激。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。圖1是Medtronic公司標準DBS產品的一個簡單框圖。

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　　圖1,Medtronic深腦刺激系統的框圖，它采用了一個神經刺激器，為部分大腦產生和提供高頻電脈沖