應(yīng)用RFID技術(shù)實現(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(shù)上最為復(fù)雜的一個類型。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)計既關(guān)系到能量傳輸?shù)男?,也影?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/通信">通信的性能。
射頻識別是一種新興的自動識別技術(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行非接觸雙向通信。本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/157443.htm
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)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/RFID">RFID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(shù)要求和無線IC卡系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)特點的分析,提出對RFID技術(shù)進行裁剪和擴展方案,成功地實現(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。下面以人工耳蝸作為應(yīng)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(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(shè)計和超低功耗設(shè)計,電路應(yīng)盡量簡潔和便于實現(xiàn)。
目前的RFID主要應(yīng)用在3個頻段上: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: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種標準協(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(shè)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(shù)”進行裁剪和擴展,設(shè)計一種技術(shù)方案并尋求合適的器件,實現(xiàn)上述設(shè)計目標。
2 設(shè)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(dān)計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,它負責(zé)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(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。
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(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。
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)過實際測試,系統(tǒng)在10%的調(diào)制度下即可正常工作。
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