幫助聾人獲得聽(tīng)力

　　生物醫(yī)學(xué)科學(xué)的另一個(gè)發(fā)展領(lǐng)域是耳蝸植入。這些植入體的主要目標(biāo)是通過(guò)電刺激，安全地提供或恢復(fù)功能聽(tīng)力（參考文獻(xiàn)3）。植入體包括放在耳后一個(gè)外置單元中的處理器和一個(gè)電池，外置單元用一只話筒拾取聲音，將聲音轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，將數(shù)字信號(hào)處理并編碼成一個(gè)RF信號(hào)，然后將其發(fā)送給耳機(jī)中的天線（圖5）。醫(yī)生通過(guò)手術(shù)，在耳后皮膚下面放置了內(nèi)置接收器，一塊磁鐵吸附在它外面，將耳機(jī)固定。密封的激勵(lì)器包含有源的電子電路，它從RF信號(hào)獲得能量來(lái)解碼信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電流，然后將其發(fā)送給連接耳蝸的導(dǎo)線。導(dǎo)線末端的電極刺激連接到中央神經(jīng)系統(tǒng)的聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)，這些神經(jīng)將電脈沖解析為聲音。

　　外置的語(yǔ)言處理器中包含一個(gè)DSP、一個(gè)功率放大器和一個(gè)RF發(fā)射器。DSP提取出聲音的特征，將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)據(jù)流，RF發(fā)射器將其發(fā)射出去。DSP還在一個(gè)存儲(chǔ)映像中包含了病人的信息。外置PC的適配程序可以設(shè)置或修改存儲(chǔ)映像，以及其它語(yǔ)音處理參數(shù)。

　　內(nèi)部單元有一個(gè)RF接收器，以及一個(gè)密封的刺激器。這個(gè)內(nèi)部植入單元沒(méi)有電池供電，因此接收器必須從RF信號(hào)獲得能量。然后，充電的刺激器解碼RF碼流，將其轉(zhuǎn)換為電流，送給聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)處的電極。一個(gè)反饋系統(tǒng)監(jiān)控著植入體內(nèi)的關(guān)鍵電氣與神經(jīng)活動(dòng)，并將這些活動(dòng)傳送回外置單元（圖6）。

　　AdvancedBionics公司開(kāi)發(fā)出了一個(gè)可植入電子平臺(tái)，它提供了更多通道，以及通過(guò)電流導(dǎo)引而生成虛擬通道的能力。該公司R&D副總裁LeeHartley稱(chēng)，在開(kāi)發(fā)復(fù)雜的聲音處理傳感器時(shí)，最大的挑戰(zhàn)之一就是提高在噪聲聽(tīng)音環(huán)境中的聆聽(tīng)能力。他說(shuō)：“耳蝸植入接收器對(duì)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(yǔ)言理解與音樂(lè)欣賞的挑戰(zhàn);我們需要智能地將信息從噪聲中分離出來(lái)。”

　　Hartley表示，接下來(lái)能大大改進(jìn)耳蝸植入系統(tǒng)及性能的重要領(lǐng)域包括：與商務(wù)設(shè)備的隨處無(wú)線連接能力;低功耗下更加智能的場(chǎng)景分析算法，以及使病人能夠接收臨床醫(yī)師耳蝸植入服務(wù)的技術(shù)，而與病人或醫(yī)師的位置無(wú)關(guān)。他解釋說(shuō)：“業(yè)界的技術(shù)趨勢(shì)是系統(tǒng)架構(gòu)與服務(wù)模型，它將盡可能減小整個(gè)耳蝸植入系統(tǒng)的可見(jiàn)性。Hartley預(yù)計(jì)，IC技術(shù)的發(fā)展將提供無(wú)線功能，降低系統(tǒng)功耗。他說(shuō)：“我認(rèn)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)繼續(xù)模塊化，接受者將根據(jù)自己不斷變化的需求，定制自己的體驗(yàn)。”

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

　　所有現(xiàn)代耳蝸植入體的內(nèi)部單元都要通過(guò)一個(gè)經(jīng)皮RF鏈接連到外部單元上，這是為用戶(hù)的安全和方便性著想。RF鏈接采用了一對(duì)電感耦合線圈，不僅傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)傳送電源。RF傳送單元有一些挑戰(zhàn)性工作，如高效地放大信號(hào)與功率，并保持對(duì)EMI的抵抗力。它的第二個(gè)功能是提供可靠的通信協(xié)議，包括一個(gè)信號(hào)調(diào)制模式、位編碼、幀編碼、同步，以及后臺(tái)遙測(cè)的檢測(cè)。

　　耳蝸植入體的RF設(shè)計(jì)可能有很多相互沖突的挑戰(zhàn)，需要謹(jǐn)慎地權(quán)衡。例如，要延長(zhǎng)電池壽命，功率發(fā)射器必須是大功率高效設(shè)計(jì)。于是，很多現(xiàn)代植入體都采用高效率的E類(lèi)放大器。但E類(lèi)放大器是非性線的，它們有波形失真，限制了數(shù)據(jù)發(fā)射速率。另外一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)高功率效率發(fā)射與接收線圈的要求。RF系統(tǒng)為了獲得最大功率，要工作在其諧振頻率上，或一個(gè)窄帶寬上，但是RF系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)卻不能限制帶寬。另外，雖然這些設(shè)備要求有高的發(fā)射頻率，但這樣就需要大的線圈。而在一個(gè)實(shí)際可用設(shè)計(jì)中，發(fā)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(nèi)部單元中的接收器與激勵(lì)器是耳蝸植入體的引擎（圖7）。ASIC（虛線中）完成關(guān)鍵的功能，確保安全而可靠的電激勵(lì)。它有一個(gè)直通數(shù)據(jù)解碼器的路徑，能從RF信號(hào)中恢復(fù)數(shù)字信息，并通過(guò)對(duì)錯(cuò)誤和安全性的檢查，確保正確的解碼。數(shù)據(jù)分配器通過(guò)轉(zhuǎn)換多工器的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，將解碼后的電激勵(lì)參數(shù)送至可編程電流源。返回路徑包括一個(gè)后臺(tái)遙測(cè)電壓采樣器，用于讀取某個(gè)時(shí)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(zhuǎn)換到數(shù)字域，并保存在存儲(chǔ)器中，再用后臺(tái)遙測(cè)技術(shù)將其發(fā)送給外置單元。ASIC也有很多控制單元，如從時(shí)鐘生成的RF信號(hào)，直到指令解碼器。ASIC對(duì)某些功能的集成不太方便，如穩(wěn)壓器、發(fā)電器、線圈和RF調(diào)諧回路，以及后臺(tái)遙測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)制器等，但這些領(lǐng)域也正在不斷發(fā)展中。

　　DAC和電流鏡組成電流源，根據(jù)來(lái)自數(shù)據(jù)解碼器的幅度信息，產(chǎn)生激勵(lì)電流。這個(gè)電流源必須很精確，也充滿(mǎn)著挑戰(zhàn)。例如，由于工藝差異，MOSFET的源極與漏極關(guān)系不是恒定的，同時(shí)，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(gè)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，對(duì)基準(zhǔn)電流作精細(xì)調(diào)節(jié)。新設(shè)計(jì)有多只DAC，以獲得所需要的精確電流，因此無(wú)需使用電位器。理想的電流源有無(wú)限大的阻抗，因此很多設(shè)計(jì)者采用級(jí)聯(lián)電流鏡，付出的代價(jià)是降低了電壓的裕度，增加了功耗。

　　這些權(quán)衡必須謹(jǐn)慎地考慮和實(shí)現(xiàn)。有些耳蝸植入產(chǎn)品有多個(gè)電流源，較老的裝置需要一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，將一個(gè)電流源連接至多個(gè)電極。新設(shè)計(jì)則使用了多個(gè)順序或同時(shí)的電流源。在這些設(shè)計(jì)中，P溝道和N溝道電流源都可生成激勵(lì)的正、負(fù)相位。挑戰(zhàn)是要匹配P溝道和N溝道電流源，確保正負(fù)電荷的平衡。自適應(yīng)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(diào)制，而不是FSK（頻移鍵控）調(diào)制，因?yàn)锳SK有簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法，以及高頻RF信號(hào)下的低功耗。多虧了各團(tuán)隊(duì)工程師、科學(xué)家、物理學(xué)家和企業(yè)家的不懈努力與合作，安全且費(fèi)用合理的激勵(lì)方法已恢復(fù)了全球超過(guò)12萬(wàn)人的聽(tīng)力。這些假體已成為指導(dǎo)其它神經(jīng)假體開(kāi)發(fā)的模型，可望提高幾百萬(wàn)人的生活質(zhì)量。