應用RFID技術實現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信

1、    應用RFID技術實現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信隨著科學技術的進步，醫(yī)用植入裝置已經(jīng)得到廣泛的臨床應用，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(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植入人體內(nèi)部，與體外部分完全獨立，沒有“實體”性質(zhì)的連接，二者的聯(lián)系“紐帶”是無形的電磁波。系統(tǒng) 隨著科學技術的進步，醫(yī)用植入裝置已經(jīng)得到廣泛的臨床應用，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)測生理指標(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植入人體內(nèi)部，與體外部分完全獨立，沒有“實體”性質(zhì)的連接，二者的聯(lián)系“紐帶”是無形的電磁波。系統(tǒng)運行時體外部分發(fā)送電磁波，植入體從該電磁波獲得能量；同時二者之間也通過該電磁波進行信息通信。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，它們也是技術上最為復雜的一個類型。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)的設計既關系到能量傳輸?shù)男?，也影響通信的性能?#160;   射頻識別是一種新興的自動識別技術，它最典型的應用就是無線IC卡。無線IC卡系統(tǒng)由一個讀卡器(PCD)和IC卡(PICC)構成，如圖1(b)所示，它們利用射頻方式進行非接觸雙向通信。    對比本文關注的“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相當于“植入體”，而PCD則相當于“體外部分”。由此，有可能利用RFID技術實現(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)用植入裝置的設計往往采用

4、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技術成熟、應用廣泛、器件豐富，若能夠?qū)FID技術應用于醫(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”的形式實現(xiàn)，進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要求和無線IC卡系統(tǒng)現(xiàn)有技術特點的分析，提出對RFID技術進行裁剪和擴展方案，成功地實現(xiàn)了RFID技術在醫(yī)用植入裝置上的應用。1 技術分析    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。下面以人工耳蝸作為應

5、用實例，提出對射頻通信系統(tǒng)的具體要求。    一個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）速率應達到數(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，故通信速率達到幾十kb/s便可以滿足要求；考慮到實用性，整個系統(tǒng)必須是微小型化設計和超低功耗設計，電路應盡量簡潔和便于實現(xiàn)。   &#

6、160;目前的RFID主要應用在3個頻段上：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電磁波的吸收比高頻段高12個數(shù)量級。因此綜合技術需求、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技術成熟、應用廣泛，這對系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)最為有利。    13.56 MHz的RFID主要有2個被廣泛采納的標準：ISO14443和ISO 156934，其中ISO 14443又定義了TYPE A和TYPE B 2種類型。在這2種標準協(xié)

7、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106kb/s，相對設計目標有比較大的差距；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的載波進行負載調(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)有標準協(xié)議不能完全滿足設計目標要求。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的載波進行負載調(diào)制。因此需對RFID的“標準技術”進行裁剪和擴展，設計一種技術方

8、案并尋求合適的器件，實現(xiàn)上述設計目標。2 設計與實現(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計算量較大的語音信號處理任務，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，它負責產(chǎn)生射頻載波，為植入體提供能量；在下行通信時接收來自DSP的數(shù)據(jù)，對載波進行ASK調(diào)制；在上行通信時接收由植入體負載調(diào)制的載波，并進行解調(diào)將結果輸出到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。2.1 MLX90121的硬件連接和初始化設置    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”進行發(fā)送和接收，支持若干非RFID標準的工作模式，因而為擴展應用提供了可能。成功的應用取決于針對MLX90121正確的硬件和軟件設計。    在本系統(tǒng)中，MLX90121關鍵外圍電路如圖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)絡傳輸?shù)教炀€線圈；接收信