應(yīng)用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信
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(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)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)。
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(duì)電磁波的吸收比高頻段高1～2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)：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(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106 kb/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；接收信號(hào)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(cè)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(wú)副載波的LSK調(diào)制，于是對(duì)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(hào)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(hào)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(wú)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(cè)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(jiǎn)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(duì)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(hào)的包絡(luò)并整形，整形之后的信號(hào)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(duì)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(duì)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(duì)載波信號(hào)幅度變化的邊緣檢測(cè)，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(hào)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(duì)該編碼機(jī)制的要求是：無(wú)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(duì)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(wú)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(cè)、測(cè)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(yǔ)音處理器與植入體之間的半雙工高速通信。系統(tǒng)的無(wú)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(duì)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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