應(yīng)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信

1、    應(yīng)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)用植入裝置已經(jīng)得到廣泛的臨床應(yīng)用，它們被用于維持生命(如心臟起搏器)、提高生活質(zhì)量(如人工耳蝸1)、治療疾病(如植入式給藥裝置)和監(jiān)測(cè)生理指標(biāo)(如植入式無(wú)線顱內(nèi)壓測(cè)量?jī)x2、無(wú)線血糖傳感器3)等目的。醫(yī)用植入裝置有多種類型，其中一類由植入體和體外部分組成，如圖1(a)所示。植入體通過外科手術(shù)植入人體內(nèi)部，與體外部分完全獨(dú)立，沒有“實(shí)體”性質(zhì)的連接，二者的聯(lián)系“紐帶”是無(wú)形的電磁波。系統(tǒng) 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)用植入裝置已經(jīng)得到廣泛的臨床應(yīng)用，它們被用于維持生命(如心臟起搏器)、提

2、高生活質(zhì)量(如人工耳蝸1)、治療疾病(如植入式給藥裝置)和監(jiān)測(cè)生理指標(biāo)(如植入式無(wú)線顱內(nèi)壓測(cè)量?jī)x2、無(wú)線血糖傳感器3)等目的。    醫(yī)用植入裝置有多種類型，其中一類由植入體和體外部分組成，如圖1(a)所示。植入體通過外科手術(shù)植入人體內(nèi)部，與體外部分完全獨(dú)立，沒有“實(shí)體”性質(zhì)的連接，二者的聯(lián)系“紐帶”是無(wú)形的電磁波。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)體外部分發(fā)送電磁波，植入體從該電磁波獲得能量；同時(shí)二者之間也通過該電磁波進(jìn)行信息通信。前面提到的人工耳蝸、植入式無(wú)線顱內(nèi)壓測(cè)量?jī)x、無(wú)線血糖傳感器等都是其代表。如果從“供電”和“通信”的角度看，它們也是技術(shù)上最為復(fù)雜的一個(gè)類型。本文討論的“醫(yī)用

3、植入裝置”特指此種類型在此類醫(yī)用植入裝置中，射頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既關(guān)系到能量傳輸?shù)男剩灿绊懲ㄐ诺男阅堋?#160;   射頻識(shí)別是一種新興的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它最典型的應(yīng)用就是無(wú)線IC卡。無(wú)線IC卡系統(tǒng)由一個(gè)讀卡器(PCD)和IC卡(PICC)構(gòu)成，如圖1(b)所示，它們利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信。    對(duì)比本文關(guān)注的“醫(yī)用植入裝置”和“無(wú)線IC卡系統(tǒng)”可知，二者具有很大的相似性：PICC相當(dāng)于“植入體”，而PCD則相當(dāng)于“體外部分”。由此，有可能利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信。這樣做具有顯而易見的好處：以往的醫(yī)用植入裝置的設(shè)計(jì)往往采用

4、專用集成電路，因而具有較高的成本和較長(zhǎng)的研發(fā)周期。而RFID技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、器件豐富，若能夠?qū)FID技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)用植入裝置，醫(yī)用植入裝置中的通信環(huán)節(jié)即可以“商用現(xiàn)貨”的形式實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大降低成本和研發(fā)周期。    本文的核心就是基于對(duì)醫(yī)用植入裝置特殊技術(shù)要求和無(wú)線IC卡系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)特點(diǎn)的分析，提出對(duì)RFID技術(shù)進(jìn)行裁剪和擴(kuò)展方案，成功地實(shí)現(xiàn)了RFID技術(shù)在醫(yī)用植入裝置上的應(yīng)用。1 技術(shù)分析    不同的醫(yī)用植入裝置對(duì)射頻通信系統(tǒng)的要求也各不相同，這主要體現(xiàn)在傳輸能量的大小、通信方向、是否雙工通信及通信速率上。下面以人工耳蝸?zhàn)鳛閼?yīng)

5、用實(shí)例，提出對(duì)射頻通信系統(tǒng)的具體要求。    一個(gè)完整的人工耳蝸系統(tǒng)包括植入體（包含刺激器與電極）和體外語(yǔ)音處理器，它們之間射頻通信的技術(shù)要求是：體外語(yǔ)音處理器需通過電磁波連續(xù)不斷地向植入體提供工作能量；體外語(yǔ)音處理器與植入體之間需要具有非雙工的雙向數(shù)據(jù)通信能力；為了具有較高的“刺激速率”，下行通信（體外語(yǔ)音處理器到植入體）速率應(yīng)達(dá)到數(shù)百kb/s以上；上行通信（植入體到體外語(yǔ)音處理器）主要用于系統(tǒng)測(cè)試和參數(shù)調(diào)整，故通信速率達(dá)到幾十kb/s便可以滿足要求；考慮到實(shí)用性，整個(gè)系統(tǒng)必須是微小型化設(shè)計(jì)和超低功耗設(shè)計(jì)，電路應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔和便于實(shí)現(xiàn)。   &#

6、160;目前的RFID主要應(yīng)用在3個(gè)頻段上：低頻（典型為125kHz)、高頻(13.56 MHz)和超高頻(860 MHz以上)。其中低頻段不能滿足數(shù)據(jù)通信速率的要求；而在超高頻段人體對(duì)電磁波的吸收比高頻段高12個(gè)數(shù)量級(jí)。因此綜合技術(shù)需求、能量效率和人體健康等各方面因素，確定采用13.56 MHz的工作頻率。而且目前該頻率的RFID技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛，這對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)最為有利。    13.56 MHz的RFID主要有2個(gè)被廣泛采納的標(biāo)準(zhǔn)：ISO14443和ISO 156934，其中ISO 14443又定義了TYPE A和TYPE B 2種類型。在這2種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)

7、議中，下行通信都采用了最簡(jiǎn)單的直接ASK調(diào)制方式，區(qū)別主要是數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制度的不同；系統(tǒng)的通信速率相對(duì)“較低”，最高只有106kb/s，相對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)有比較大的差距；在上行通信中采用編碼數(shù)據(jù)調(diào)制副載波，然后再用已調(diào)副載波對(duì)13.56 MHz的載波進(jìn)行負(fù)載調(diào)制，不同協(xié)議的區(qū)別在于數(shù)據(jù)編碼和副載波調(diào)制方式。    通過以上分析可知，RFID現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議不能完全滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。一方面需要提高下行通信速率，另一方面為了使植入體部分的電路盡量簡(jiǎn)單，期望不用副載波而是由數(shù)據(jù)直接對(duì)13.56 MHz的載波進(jìn)行負(fù)載調(diào)制。因此需對(duì)RFID的“標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)”進(jìn)行裁剪和擴(kuò)展，設(shè)計(jì)一種技術(shù)方

8、案并尋求合適的器件，實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)目標(biāo)。2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    系統(tǒng)整體框圖如圖2所示，全系統(tǒng)由體外語(yǔ)音處理器和植入體組成。    由于人工耳蝸的體外語(yǔ)音處理器需要承擔(dān)計(jì)算量較大的語(yǔ)音信號(hào)處理任務(wù)，故選用了低功耗的DSP芯片TMS320VC5502作為核心處理和控制，但其射頻分系統(tǒng)的核心則是RFID芯片MLX90121，它負(fù)責(zé)產(chǎn)生射頻載波，為植入體提供能量；在下行通信時(shí)接收來(lái)自DSP的數(shù)據(jù)，對(duì)載波進(jìn)行ASK調(diào)制；在上行通信時(shí)接收由植入體負(fù)載調(diào)制的載波，并進(jìn)行解調(diào)將結(jié)果輸出到DSP。    植入體內(nèi)包括用于從射

9、頻載波獲取電源的高頻整流、濾波和穩(wěn)壓電路，用于恢復(fù)數(shù)據(jù)的ASK解調(diào)和數(shù)據(jù)解碼電路，用于上行通信的LSK電路，為耳蝸聽神經(jīng)提供電流刺激的控制電路和電極。植入體的控制核心是一片微功耗單片機(jī)。2.1 MLX90121的硬件連接和初始化設(shè)置    MLX90121是完全支持ISO 14443和ISO 15693協(xié)議的RFID收發(fā)集成電路芯片，它還允許用戶以“直接模式”進(jìn)行發(fā)送和接收，支持若干非RFID標(biāo)準(zhǔn)的工作模式，因而為擴(kuò)展應(yīng)用提供了可能。成功的應(yīng)用取決于針對(duì)MLX90121正確的硬件和軟件設(shè)計(jì)。    在本系統(tǒng)中，MLX90121關(guān)鍵外圍電路如圖3所示。MLX90121外接13.56 MHz晶振產(chǎn)生射頻載波。射頻信號(hào)經(jīng)過功率放大后由TX引腳輸出，再經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)教炀€線圈；接收信