文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
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)測生理指標(biāo)(如植入式無線顱內(nèi)壓測量儀[2],、無線血糖傳感器[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,、植入式無線顱內(nèi)壓測量儀、無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?,也影響通信的性能?br/>
射頻識別是一種新興的自動(dòng)識別技術(shù),它最典型的應(yīng)用就是無線IC卡,。無線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,。
對比本文關(guān)注的“醫(yī)用植入裝置”和“無線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)往往采用專用集成電路,,因而具有較高的成本和較長的研發(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醫(yī)用植入裝置特殊技術(shù)要求和無線IC卡系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)特點(diǎn)的分析,,提出對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)用實(shí)例,提出對射頻通信系統(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)和體外語音處理器,,它們之間射頻通信的技術(shù)要求是:體外語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(植入體到體外語音處理器)主要用于系統(tǒng)測試和參數(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)盡量簡潔和便于實(shí)現(xiàn),。
目前的RFID主要應(yīng)用在3個(gè)頻段上:低頻(典型為125 kHz)、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電磁波的吸收比高頻段高1~2個(gè)數(shù)量級,。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):ISO 14443和ISO 15693[4],,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)議中,,下行通信都采用了最簡單的直接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“較低”,,最高只有106 kb/s,,相對設(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單,期望不用副載波而是由數(shù)據(jù)直接對13.56 MHz的載波進(jìn)行負(fù)載調(diào)制,。因此需對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)由體外語音處理器和植入體組成。
由于人工耳蝸的體外語音處理器需要承擔(dān)計(jì)算量較大的語音信號處理任務(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)接收來自DSP的數(shù)據(jù),對載波進(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,;接收信號則經(jīng)過適當(dāng)?shù)乃p后由RX引腳輸入,;芯片內(nèi)的模擬電路部分實(shí)現(xiàn)通信中的調(diào)制和解調(diào),;其中MOD引腳的電阻將影響ASK調(diào)制深度,為了最大限度保持為植入體提供穩(wěn)定的能量,,在保證可靠數(shù)據(jù)通信的前提下,,盡量減小調(diào)制度。經(jīng)過實(shí)際測試,,系統(tǒng)在10%的調(diào)制度下即可正常工作,。
MLX90121具備可以直接與DSP接口的數(shù)字端口,在DSP的控制下運(yùn)行,。在系統(tǒng)中它與DSP的數(shù)字接口線共有5 個(gè),。其中MODE和RTB決定MLX90121的當(dāng)前模式:
MODE/RTB=0/0 配置模式
MODE/RTB=0/1 保留
MODE/RTB=1/0 發(fā)射模式
MODE/RTB=1/1 接收模式
CK提供向MLX90121寫入數(shù)據(jù)的時(shí)鐘,DIN和DOUT則分別為數(shù)據(jù)的輸入和輸出,。
使用MLX90121的第一步是初始化,,這一過程在配置模式下通過寫入MLX90121的內(nèi)部寄存器完成。關(guān)鍵寄存器有3個(gè):
模擬配置寄存器 AnalogConfig 地址0 H
電源狀態(tài)寄存器 PowerState 地址1 H
數(shù)字配置寄存器 DigitalConfig 地址3 H
具體步驟是:首先通過設(shè)置MODE/RTB=0/0進(jìn)入配置模式,,而后通過DIN在CK的配合下寫入數(shù)據(jù),,每個(gè)數(shù)據(jù)幀為12 bit,包括4 bit的寄存器地址和8 bit的配置數(shù)據(jù)[5],。
在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將要使用MLX90121的直接發(fā)射和接收模式,,而且已經(jīng)確定了下行通信采用非100%的ASK調(diào)制,上行通信采用無副載波的LSK調(diào)制,,于是對MLX90121的初始化配置如下[5]:
模擬配置寄存器 AnalogConfig=83 H
電源狀態(tài)寄存器 PowerState=01 H
數(shù)字配置寄存器 DigitalConfig=00 H
正確初始化以后,,MLX90121即會(huì)有13.56 MHz的等幅載波輸出。此后如果進(jìn)入發(fā)射模式,,通過DIN寫入數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)下行通信,;若進(jìn)入接收模式,則接收并經(jīng)過解調(diào)的信號由DOUT輸出,。
2.2 下行通信
下行通信時(shí),,首先通過設(shè)置MODE/RTB=1/0使得MLX90121進(jìn)入發(fā)射模式,這時(shí)只要保持CK=0,,MLX90121便處于直接發(fā)送模式,輸出的射頻信號直接由DIN引腳輸入的數(shù)據(jù)實(shí)施ASK調(diào)制,。調(diào)制度由模擬配置寄存器和引腳MOD所連接的電阻共同決定,。通信的數(shù)據(jù)率則完全取決于DSP向DIN寫入數(shù)據(jù)的速度,其上限僅受MLX90121時(shí)序和接收端解調(diào)電路性能的限制,,與RFID的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無關(guān),。通過這種方式,大大提高了下行通信的數(shù)據(jù)率,。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)通信速率為678 kb/s,,測試結(jié)果表明該速率仍有進(jìn)一步提高的空間,。
系統(tǒng)下行通信采用曼徹斯特碼,這是因?yàn)槁鼜厮固卮a具有0和1碼元數(shù)量相等的特性,,調(diào)制后的載波具有穩(wěn)定的能量,;另一方面曼徹斯特碼的解碼電路非常簡單,容易實(shí)現(xiàn),。圖4是完整的下行通信過程中各階段的波形示意圖,。系統(tǒng)對單穩(wěn)態(tài)電路的要求是可以雙向觸發(fā)但不可重復(fù)觸發(fā),其暫態(tài)時(shí)間τ滿足:T/2≤τ≤T,,其中T為一個(gè)數(shù)據(jù)位的寬度,。
植入體在接收下行通信數(shù)據(jù)時(shí),首先需要提取射頻信號的包絡(luò)并整形,,整形之后的信號再經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)解碼電路恢復(fù)原始數(shù)據(jù),。連續(xù)不斷的下行數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議解釋后執(zhí)行,,控制相關(guān)電路完成對耳蝸聽覺神經(jīng)的電流刺激,。
2.3 上行通信
上行通信時(shí),首先通過設(shè)置MODE/RTB=1/1使得MLX90121進(jìn)入接收模式,,并保持CK=0和DIN=1不變,,則在給定的初始化設(shè)置下MLX90121處于一種特殊的直接接收模式[6]。此時(shí),,MLX90121的TX引腳輸出等幅載波,,植入體以LSK方式對該載波進(jìn)行調(diào)制,已調(diào)載波由MLX90121的RX引腳接收,,其內(nèi)部的模擬前端電路實(shí)現(xiàn)對載波信號幅度變化的邊緣檢測,,并在每次載波幅度跳變時(shí)在DOUT引腳輸出一個(gè)窄脈沖,如圖5所示,。
經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),,MLX90121引腳DOUT的輸出脈沖指示了經(jīng)LSK調(diào)制后載波幅度變化邊沿的位置,但沒有直接解調(diào)出調(diào)制信號的包絡(luò),。為了能從解調(diào)輸出的脈沖流序列中恢復(fù)出數(shù)據(jù),,需要采用某種編碼機(jī)制。對該編碼機(jī)制的要求是:無論數(shù)據(jù)為0還是1,,在編碼后必須在碼內(nèi)有“跳變”存在,,且根據(jù)跳變出現(xiàn)的位置間的關(guān)系可以確定是0還是1。顯然曼徹斯特碼可以滿足上述要求,。它在每個(gè)碼內(nèi)都存在一個(gè)跳變,,只要確定了前一個(gè)碼元的內(nèi)容,即可依次根據(jù)跳變邊緣的時(shí)間信息對后續(xù)碼元做出判決,。因此在系統(tǒng)的上行通信中也采用了曼徹斯特編碼,。
MLX90121是面向RFID標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)計(jì)的芯片,,在擴(kuò)展應(yīng)用中會(huì)有帶寬或碼率的限制,從而決定了上行通信的速率,。按照給定的初始配置參數(shù),,經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定“解調(diào)”的平均數(shù)據(jù)率為100 kb/s,能保持穩(wěn)定的范圍約為70~120 kb/s,。當(dāng)數(shù)據(jù)率變化時(shí),,DOUT引腳輸出脈沖的寬度也會(huì)隨之改變,但若超出上述范圍,,輸出脈沖將會(huì)重疊或分裂,,從而使得輸出脈沖的信息發(fā)生模糊,無法從中恢復(fù)原始數(shù)據(jù),。為此,,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)上行通信的調(diào)制速率為100 kb/s。由于采用曼徹斯特編碼的緣故,,實(shí)際有效信息的數(shù)據(jù)率為50 kb/s,。按照上述設(shè)計(jì),DOUT引腳輸出脈沖之間的間隔只可能出現(xiàn)10 μs和20 μs兩種情況,。DSP根據(jù)這一特征,,并結(jié)合適當(dāng)?shù)耐筋^和數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計(jì),即可通過軟件算法解碼出原始數(shù)據(jù),。
植入體的單片機(jī)通過ADC獲得數(shù)據(jù)(人工耳蝸所需的監(jiān)測,、測量數(shù)據(jù)),根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議增加同步頭等數(shù)據(jù)位,,再進(jìn)行曼徹斯特編碼形成發(fā)送數(shù)據(jù)幀,,最后進(jìn)行LSK調(diào)制。單片機(jī)只需通過一個(gè)I/O引腳控制的MOS管開關(guān)的通斷以改變接收線圈回路的負(fù)載即可實(shí)現(xiàn)LSK調(diào)制,。
本文以RFID芯片MLX90121為核心設(shè)計(jì),,實(shí)現(xiàn)了人工耳蝸體外語音處理器與植入體之間的半雙工高速通信。系統(tǒng)的無線能量傳輸穩(wěn)定可靠,,下行通信速率為678 kb/s,,上行通信速率為100 kb/s。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)證明了基于商用RFID技術(shù)及其器件實(shí)現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的雙向通信是可行的,。相對使用ASIC技術(shù)的產(chǎn)品,,極大地節(jié)約了研發(fā)成本、縮短了研發(fā)周期并且具有很強(qiáng)的可移植性,。
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[5] Melexis.MLX90121 data sheet[EB/OL].Belgium:Melexis,,2005.http://www.melexis.com/.
[6] Melexis. MLX90121 application note[EB/OL].Belgium:Melexis,2006.http://www.melexis.com/.