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(yī)療技術的協(xié)同。

　　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(cè)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(cè)（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8是Medtronic公司標準DBS產(chǎn)品的一個簡單框圖。

　　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。