科幻剧《无敌金刚》(TheSixMillionDollarMan)随着现代电子技术与纳米技术、先进植入技术、太阳能与光能设备、医学与生物学传感器的重要发展，科学幻想已成为现实。基于传感器的电子设备是通过科学创新产生的。包括这些电子设备WBAN(无线体域网)以及增强或替代眼睛和耳朵的设备。本文第一部分描述了从传感器到微控制器的创新传感器技术、微型化、植入和无线电子接口。第二部分将讨论肺、心和大脑。
随着传感器和无线通信设备的发展，我们可以设计微型、高成本、智能的生理传感器结点。创新是可穿戴的健康监控系统，如WBAN。针对这一技术IEEE802.15.4标准规定了与医疗传感器系统网络相关的小功率低数据速率无线方案。2011年，意法半导体公司推出了自己的未来cyborg该技术包括传感器和MEMS，以及iNEMO(惯性模块评估板)结点。
在这一领域的其他供应商中，AnalogDevices德州仪器公司还提供了一些先进的活动监控解决方案和传感器接口元件TmoteSky这是下一代的开发套件mote平台是一个功耗极低、数据速率高的传感器网络应用的远程平台，具有容错、易开发的双重设计目标。TI公司的TmoteSky套件号称有10KB的片上RAM(所有mote最大容量)，IEEE802.15.4射频，125m集成板载天线的作用范围。
帮助盲人重见光明
视网膜修复技术可以帮助患有视网膜退化疾病的人恢复视力(参考文献1)，如可能导致失明的黄斑变性。研究人员进行了临床植入研究，证明植入假体最终可以弥补眼睛损失的功能。该研究采用了一种植入物，包括15个通道的激励芯片、单独的电源元件、与眼壁一致的电源和数据接收线圈。波士顿视网膜植入项目的研究人员在猪的视网膜下植入阵列，而大多数假体（钛密封电子组件盒）附着在巩膜的外表面或白色部分。将螺旋状电极阵列伸出盒子，延伸到眼睛的颞上象限(图2)。该系统有一个外部视频捕获单元和一个发射机(图3)，可以将图像数据发送到设备的植入部分。一只定制ASIC将图像转换为两相电流脉冲的强度、周期和频率可编程（图4）。Minco该公司还为植入体提供了先进的柔性电路，有助于实现170万眼病患者的项目。
自两年前研究人员开始做这项临床研究以来，电子技术取得了很大的进步，改进了微型化，降低了功耗，增加了集成度。这项努力最终有望形成产品并获得产品FDA(食品药品管理局)批准应用于人体。这些技术进步的例子包括：符合无线充电联盟的德州仪器公司Qi公司为无线电源传输提供标准的无线接收器和发射器技术，AC/DC电源转换、输出电压调整、动态整流器控制等。采用德州仪器的无线电源产品和开发套件，可进行全套无线电源传输和充电设计。飞思卡尔与AnalogDevices该公司还在这一领域提供低功耗无线产品。
另一项临床研究是利用光电二极管电路，有望实现高分辨率视网膜假体。斯坦福大学的研究人员正在研究有源偏置光敏电路和无源光伏电路(参考文献2)。大学眼科与汉森实验物理实验室副教授DanielVPalanker他说，他用笔记本电脑处理摄像头的数据流，并使用微型电脑LCD(类似视频眼镜)显示的数据。约900nm波长的近IR(红外)光以0.5ms间隔照亮LCD，相当于约30?的视场。脉冲通过眼球将图像投射到视网膜上。然后，下一个视网膜植入3mm直径芯片中的光伏像素接收IR图像相当于10的视场。每个像素将脉冲光转换为成比例的双相脉冲电流，并将视觉信息带到生病的视网膜组织中。
与光敏系统相比，光伏系统中没有额外的电源，大大简化了假体的设计、制造和相关的操作过程，前者需要有源的偏置电压。研究人员计划在未来的研究中确定视网膜神经元对该激励的反应。
帮助聋人获得听力
耳蜗植入是生物医学科学的另一个发展领域。这些植入物的主要目标是通过电刺激安全地提供或恢复功能听力(参考文献3)。植入物包括放置在耳朵后面的外部单元中的处理器和电池。外部单元用麦克风拾取声音，将声音转换为数字域，处理和编码数字信号RF将信号发送到耳机中的天线(图5)。通过手术，医生将内置接收器放置在耳后皮肤下，吸附一块磁铁，固定耳机。从RF信号获得能量来解码信号，并将其转换为电流，然后将其发送到连接耳蜗的。电线末端的电极刺激连接到中央神经系统的听觉神经，将电脉冲分析成声音。
外部语言处理器包含一个外部语言处理器DSP、一个功率放大器和一个功率放大器RF发射器。DSP提取声音的特征，将其转换为数据流，RF发射器将其发射出去。DSP病人的信息也包含在存储图像中。PC可以设置或修改存储图像和其他语音处理参数。
有一个内部单元RF接收器和密封刺激器。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，解码充电刺激器RF代码流将其转换为电流，并将其发送到听觉神经处的电极。反馈系统监控植入体内的关键电气和神经活动，并将其发送回外部单元（图6）。
AdvancedBionics该公司开发了一个可植入的电子平台，它提供了更多的通道，以及通过电流引导产生虚拟通道的能力。该公司R&D副总裁LeeHartley在开发复杂的声音处理传感器时，最大的挑战之一是提高在噪声听环境中的听力能力。耳蜗植入接收器缺乏识别不同频率通道的能力，他说。这增加了提高语言理解和音乐欣赏的挑战；我们需要智能地将信息从噪音中分离出来。”
Hartley表示，下一个可以大大提高耳蜗植入系统和性能的重要领域包括与商业设备无线连接的能力；低功耗下更智能的场景分析算法，以及临床医生耳蜗植入服务的技术，与患者或医生的位置无关。他解释说：行业的技术趋势是系统架构和服务模型，它将尽整个耳蜗植入系统的可见性，他解释说。Hartley预计，IC技术的发展将提供无线功能，降低系统功耗。我认为系统设计将继续模块化，接受者将根据不断变化的需要定制自己的体验，他说。”
信号处理大大提高了耳蜗植入的性能。声音可以建立一个模型，使声音成为一个周期性的声源，而不是声音成为一个噪声源。声道的谐振特性可以过滤声音频谱。另一种方法是将声源建模成载波，而声道作为调节器表示嘴或鼻子的打开和关闭。声源通常变化很快，而过滤器的反应要慢得多（参考文献3）。
现代耳蜗植入体的所有内部单元都必须通过经皮RF为了用户的安全和方便，链接连接到外部单元。RF链接采用一对电感耦合线圈，不仅传输数据，还传输电源。RF传输单元有一些具有挑战性的工作，如有效地放大信号和功率，并保持正确EMI的抵抗力。它的第二个功能是提供可靠的通信协议，包括信号调制模式、位置编码、帧编码、同步和背景遥测检测。
耳蜗植入体RF设计可能存在许多冲突挑战，需要仔细权衡。例如，为了延长电池寿命，功率发射器必须是大功率高效设计。因此，许多现代植入物使用高效的E类放大器。但E类放大器是非性线，它们有波形失真，限制了数据发射率。另一个挑战是对高功率效率发射和接收线圈的要求。RF为了获得最大功率，系统必须在谐振频率或窄带宽上工作，但RF在数据传输过程中，系统不能限制带宽。此外，这些设备虽然需要高发射频率，但需要大线圈。在实际的可用设计中，发射和接收线圈的尺寸必须小到可接受的程度。
内部单元中的接收器和激励器是耳蜗植入7)。ASIC完成关键功能，确保安全可靠的电动激励。它有一个直通数据解码器的路径RF通过检查错误和安全性，恢复信号中的数字信息，确保正确解码。通过转换多工器的开关状态，数据分配器将解码的电激励参数发送到可编程电流源。返回路径包括一个背景遥测电压采样器，用于读取电极上的电压。然后，PGA(可编程增益放大器)放大电压，ADC将其转换为数字域并保存在存储器中，然后用后台遥测技术将其发送到外部单元。ASIC从时钟生成的控制单元也很多，比如RF直到指令解码器，信号。ASIC稳压器、发电器、线圈、RF调谐回路、后台遥测数据调制器等，但这些领域也在不断发展。
DAC根据数据解码器的范围信息，与电流镜形成电流源，产生激励电流。这个电流源必须非常精确和具有挑战性。例如，由于工艺差异，MOSFET源极与漏极的关系不是恒定的，同时，电极与源极之间的电压差控制着漏极的电流。因此，电路需要对基准电流进行基准电流。有许多新设计DAC，为了获得所需的精确电流，因此无需使用电位器。理想的电流源具有无限的阻抗性，因此许多设计师使用级联电流镜，降低电压裕度，增加功耗。
必须仔细考虑和实现这些权衡。有些耳蜗植入产品有多个电流源，老装置需要一个开关网络，将一个电流源连接到多个电极。新设计使用多个顺序或同时的电流源。在这些设计中，P激励的正负相位可以产生沟道和N沟道电流源。挑战是匹配P和N的电流源，以确保正负电荷的平衡。自适应恒流电压可降低功耗，保持高阻抗。
工程师更喜欢使用ASK(振幅移动键控)调制，而不是FSK(频移键控)调制，因为ASK有简单的实现方法率高RF低功耗的信号。由于团队工程师、科学家、物理学家和企业家的不懈努力和合作，安全合理的激励方法恢复了全球12万多人的听力。这些假体已成为指导其他神经假体开发的模型，有望提高数百万人的生活质量。
第二部分：21世纪电子、生物和医疗技术的协调，大脑、心脏和肺患有脑病和心肺病。
生物医学电子研究的动力来自于婴儿潮人口的老化及其医疗需求。这种情况刺激了新生物技术的快速发展，以及在预防医学领域采用创新的医学诊断和治疗方法。植入技术和先进的无线电子媒体将有助于减缓当今社会高昂的医疗费用，使我们在未来更健康、更长寿。
本文的第一部分讨论了眼睛和耳朵，讨论了大脑、心脏和肺。技术的发展将改善工程、生物学和医学之间的桥梁，增强这些器官的功能。
本文将揭示如何促进新设备的微型化、便携性、连接性、人性化、安全性和可靠性，从而改善人体老化或疾病/损伤器官所需的脆弱性和微妙平衡。
大脑
癫痫，帕金森病(PD)甚至强迫症(OCD)患者，闭合深脑刺激(CDBS)这是实现生物医学电子解决方案的一个很好的例子，它提高了遭受这些痛苦的人的生活质量。
DBS该系统检测患者的脑电波(EEG)，自动产生DBS电脉冲，预防癫痫发作，甚至有助于减少PD的震颤。DBS向大脑的不同区域发送特定的刺激。DBS用于拒绝药物治疗的患者，以及有症状波动和震颤的患者。
到目前为止，只有Medtronic公司有通过FDA批准的DBS产品。双侧大脑DBS该装置于2002年通过FDA一个大脑半球有两个神经刺激器。类似于心脏起搏器，DBS用神经刺激器生成并提供高频电脉冲，通过延长线和电极将其发送到大脑的丘脑下核(STN)区内或苍白球内侧(GPi)部分。Medtronics的Soletra神经刺激器是最先进的电池供电装置之一。
训练有素的技术人员通常在手术后编程神经刺激器，以找到最有效的信号参数来缓解帕金森病的症状。Medtronic公司标准DBS产品的简单框图。
建议CDBS基本设计如下：
CDBS该装置可直接与记录和刺激电极连接。8个记录电极植入运动皮层，64个刺激电极植入大脑STN部分。这种单点控制的64通道刺激可以获得各种刺激模式，最有效地治疗帕金森病症状。
从植入微电极噪声神经放大器植入微电极获得的神经信号(LAN)调整。由于神经脉冲范围小，有时需要使用集成的前放大器来放大这些小信号，然后进行数据转换。前端设计需要低噪音，以确保信号的完整性。
前端的带通LNA一般增益为100量级，LNA输入设计需要尽可能减少1/f噪音。电阻模拟和1/f降噪。开关电容电路调制信号，使1/f噪声可以降低到热噪声。开关电容器的放大滤波器可以同时记录神经脉冲和场电势。
多个LNA对数放大器前端被复用到大动态范围，进入模数转换器(ADC)，因此，无需模拟自动增益控制。
大信号局部脑刺激产生的小信号神经脉冲和大信号局部电势(LFP)整个响应范围，大动态范围ADC所有所需的神经信息都需要数字化。ADC前端使用的对数放大器可以达到所需的动态范围。由于大动态范围可以用短字长来表示，对数编码非常适合神经信号，而且效率高。为了节省面积和功耗，采用了相对较大的动态范围ADC，因此，无需采用模拟自动增益控制。
ADC从神经脉冲能量中分离低频神经场电势信号需要数字滤波器。这项工作可以使用22个接头的有限脉冲响应(FIR)Butterworth型号数字滤波器。
使用数字滤波器而不是模拟或混合信号滤波器有许多优点。首先，数字滤波器是可编程的，因此可以在不修改硬件的情况下调整其运行，而模拟滤波器只能通过修改设计进行更改。将脉冲和数字滤波器用作双工器LFP两个频段分开。模拟滤波器电路易漂移，取决于温度，而数字滤波器无论是时间还是温度都没有这些问题。
电刺激器产生64个通道的两相电荷平衡刺激电流。一个特殊的控制器通过一个特殊的控制器I/O控制64个电流导引的通道，产生这些刺激模式DAC。64个DAC两个粗粒度电流可以构成一个级联共享DAC64个独立的双向4位细粒度DAC，或类似配置。
DAC有48个可能的电流值。可以使用细粒度ADC选择极性转换开关DAC实现电荷平衡双相刺激的正负输出有助于降低长期组织损伤的风险。
图9是一种用途CDBS该系统的单芯片与微处理器连接，可获得完整的CDBS系统。项目负责人MichaelFlynn微处理器告诉芯片的位置和方法，芯片做其他工作。
在医疗电子领域，飞思卡尔一直在定制模拟设计Cactus半导体公司合作。Cactus半导体公司的医疗业务集中在神经刺激、起搏、除颤、超声、医疗监测(如血糖仪)等可植入和便携应用的集成电路设计中。(见附文)
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飞思卡尔还使用低功耗微控制器集成模拟前端(AFE)以及低功耗算法的医疗解决方案。其无线通信解决方案可以保证低功耗的运行模式和快速唤醒的睡眠模式。
推出下一代DBS，以及研究人员探索神秘大脑的工具，Medtronic该公司正在开发双向脑机接口(BMI)。该技术有望成为脑研究前沿的重要工具，一旦完成所有实验室试验，并在不久的将来被批准用于人脑研究。目前正处于临床前期研究阶段，尚未获得批准。
心脏
体积小、无线、无接触这些词与过去是不可能的ECG设备关系。目前，电子技术的新进步促进了更紧凑、更便携的设计。有些具有无线功能，传感器甚至不需要与人体有物理或电阻接触。
集成电路的发展造就了ECG德州仪器公司高度集成的设计小型化ADS1298RAFE，它还包含全集成的呼吸阻抗测量功能。图12给出了一个集成的AFE设备，它就像ADS12998加上ECG其他重要部分的架构。
ECG系统功能及进度
ECG机器的基本功能包括ECG波形显示(可用)LCE屏幕或打印纸介质)、心律指示和使用按钮的简单用户界面越来越多。ECG产品需要更多的功能，如存储方便的介质、无线/有线传输和大型触摸功能LCD屏的2D/3D显示等。
医生也没有多级诊断能力ECG训练有素的人帮助他们理解ECG以及对某些心脏状况的提示(以下将讨论Monebo算法)。当ECG当信号被捕获和数字化时，将被发送进行显示和分析，分析涉及进一步的信号处理。
信号采集的挑战
ECG信号测量可能非常具有挑战性，因为有大的DC偏压和各种干扰信号。这种电势在典型电极上可达300mV。干扰信号包括来自电源的50个Hz/60Hz干扰、运动干扰、电外科设备射频干扰、除颤脉冲、起搏器脉冲等监测设备干扰。
对于不同的最终设备，一台ECG需要不同的精度和带宽:-0频率.05Hz~30Hz标准监控需求之间-0频率.05Hz~1000Hz诊断型监测需求。
高输入阻抗仪表放大器(INA)可以抑制一些50Hz/60Hz共模干扰消除了两个输入端共同交流线的噪声。为了进一步抑制线路上的电源噪声，信号可以反向，然后放大器通过右腿返回给患者。几微安甚至更小的电流都能显著提高CMR，并保持在UL限制范围内的544。另外，50Hz/60Hz数字陷波滤波器也能进一步减少这种干扰。
模拟前端选项
对于便携ECG对模拟前端的功耗进行优化PCB区域非常关键。由于技术的进步，前端有几种选择：
低分辨率ADC(需要所有滤波器)；
采用高分辨率ADC(需要少量滤波器)；
采用Σ-ΔADC(不需要滤波器，除了INA不需要需要放大器，没有DC偏移);
采用顺序或同步采样方案。
使用低分辨率(16位)时ADC当信号需要显著增加(通常是100x~200x)，要达到所需的分辨率。使用高分辨率(24位)时ADC信号需要4x~5x适度增益。这样可以节省第二个增益级，消除第二个增益级DC偏移电路。这样，面积和成本就会从整体上降低。另外，Δ-Σ；该方案还保留了信号的所有频率重量，为数字后处理带来了极大的灵活性。
采用顺序采样方案时，每个通道都会ECG复用一条导线ADC此时，相邻通道之间有一定的扭曲。采用同步采样方案时，每个通道都有一个特殊的通道ADC，因此，通道之间没有扭曲。
飞思卡尔有大量低成本的开发板，叫做MED-EKG模块，这是一个极其通用的系统，设计师可以快速建立心电图系统的原型。作为飞思卡尔Tower在系统的一部分，设计师可以通过定制设计的电路板获得一个全功能系统，只要更换套件中的任何单个模块，就可以轻松修改、更换或升级为定制设计。
另外，采用MoneboKineticECG该算法还允许设计师为用户提供服务ECG波形信号处理和分析，帮助保健专家获得心脏参数。它提供高度精度QRS(一组三相连波可以在典型的心电图上看到——通常是心电图轨迹中最重要、最明显的部分)检测，可以检测多达16线ECG特征提取、心拍分类、间隔测量类、间隔测量和节奏分析。
无触点ECG不再是科学幻想。Plessey英国苏塞克斯大学开发了半导体公司电势集成电路(EPIC)这是一种电势检测(EPS)技术，这种传感器的阵列可以相当于12线，只要安装在患者的胸部ECG没有一堆导线、导电胶和容易脱落的电极。
肺
医用呼吸机(也称辅助呼吸机或机械呼吸机)(MV))将空气推入患者肺部。呼吸机可用作重症监护治疗中的人工呼吸，也可用于家庭呼吸暂停。现代设备采用智能电路，可混合气体，或根据传感器数据确定固定或控制风扇速度。半导体公司的解决方案包括所需的所有半导体设备，以及通过批准的软件，可以实现安静可靠的运行。
自机械呼吸机发明并在医院和保健机构使用以来，它已经拯救了许多人的生命。但重症监护病房(ICU)中用MV存活一周以上的患者会增加与呼吸机相关的肺炎等医疗并发症(VAP)以及医院感染的风险，ICU死亡率高6倍。
使用MV随着时间的推移，患者的横隔膜肌肉会迅速萎缩，脱离呼吸机越来越困难。
AveryBiomedical采用射频开发了一种呼吸起搏系统(RF)耦合接收器可以同时发送电源和信号。其重要性来自以下两点：
1.没有植入电池，所以没有内部损失问题。除非机械损坏，否则植入体可以终身使用，与年龄无关。
2.植入部件和外部部件之间没有经皮连接。由于患者皮肤没有损伤，没有长期保护皮肤损伤的问题，也没有慢性感染的风险。
另一个关键点是系统采用负压呼吸原理。也就是说，通过横隔膜的收缩，肺部的压力低于大气压，使空气流入。这在生理上是正确的，也是我们现在呼吸的原理。正压通风(无论是面罩还是机械通风机)都是压气，既不自然，也有患者VAP或与肺炎相关的高风险。VAP这是呼吸机依赖患者再次入院的最常见原因。降低再入院率(降低)Medicare/Medicaid支付给他们的费用)是最近医疗改革的焦点之一。
对于下一代设备，新的发展甚至采用血管电极少入侵的方法，适用于局部麻醉皮肤插入患者（任何需要接触内部器官或其他组织的医疗过程通过皮肤针穿透，而不是暴露内部器官和组织的切口方案），隔膜神经可通过电运动，保持隔膜强度和抗疲劳能力，改善呼吸，尽快分离MV的可能性。一旦通过FDA经有关机构批准，该技术也可缩短ICU停留时间，降低死亡率，降低医院费用。
正确的隔膜神经刺激可以产生有节奏的隔膜收缩，以产生有节奏的隔膜收缩。隔膜神经刺激的阈值电位为1.26V。包装电极激活神经所需的电流预计不到引线电极的三倍。一般使用180μs脉冲周期平衡双相脉冲。