摘 要：和廣泛應(yīng)用的射頻識別技術(shù)形似，醫(yī)用植入裝置分為體外部分和植入體，二者之間通過射頻載波傳輸能量和信息。本文分析研究了它們在技術(shù)和應(yīng)用層面的特點，提出了一種基于商用RFID技術(shù)及其器件實現(xiàn)的醫(yī)用植入裝置雙向通信的設(shè)計，對于具體實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)、必要的技術(shù)裁剪和技術(shù)擴(kuò)展進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。

　　醫(yī)用植入裝置在當(dāng)今社會現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上起到很大的作用，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）、治療疾?。ㄈ缰踩胧浇o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、無線血糖傳感器）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(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?，也影響通信的性能?/P>

　　射頻識別即RFID（Radio Frequency IDentification）技術(shù)，又稱電子標(biāo)簽、無線射頻識別，是一種通信技術(shù)，可通過無線電訊號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。比如說我們平常使用的公交卡，飯卡等無線IC卡技術(shù)。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：而PCD（讀卡器）則相當(dāng)于“體外部分”， PICC（IC卡）相當(dāng)于“植入體”。由此，有可能利用RFID技術(shù)實現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信。這樣做有很多方便之處，可以大大降低成本和研發(fā)周期，并能實現(xiàn)體內(nèi)醫(yī)療器件的通信，這樣可以檢測器件的好壞。

　　本文的就是基于對醫(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(jìn)行裁剪和擴(kuò)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

　　由于醫(yī)用植入裝置所需的功能各不相同，所以它對射頻通信系統(tǒng)的要求也各不相同，有時需要速率高，有時候需要傳輸?shù)哪芰看?，有時候需要對通信方向提出要求。下面以人工耳蝸作為應(yīng)用實例，來說明應(yīng)用植入裝置對射頻通信系統(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”，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，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；但是考慮速率的同時，需要使得整個系統(tǒng)盡可能小，盡可能方便攜帶。

　　目前的RFID一般有三個工作頻段，低頻（125 kHz）、高頻（13.56 MHz）和超高頻（860 MHz以上）。在低頻125kHz、13.56MHz頻點上一般均采用無源標(biāo)簽，作用距離在10～30cm左右，個別有到1.5m的系統(tǒng)。在高頻UHF頻段，無源標(biāo)簽的作用距離可達(dá)到3～10m。更高頻段的系統(tǒng)一般均采用有源標(biāo)簽。采用有源標(biāo)簽的系統(tǒng)有達(dá)到作用距離至100m左右的報道。低頻通信速率較低，不能滿足要求；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。因此綜合個方面因素，確定采用13.56 MHz的工作頻率。

　　ISO 14443和ISO 15693是13.56 MHz的RFID的兩個標(biāo)準(zhǔn)，這兩個標(biāo)準(zhǔn)被廣泛使用，。在這2種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中，下行通信都采用了簡單的直接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”，只有106 kb/s，相對設(shè)計目標(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。

　　因此，如果按照現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，將不能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計需求。為此，需要做兩方面的工作，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(biāo)。

　　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。

　　選用了低功耗的DSP芯片TMS320VC5502來處理信息量交大的體外語音，但其射頻分系統(tǒng)的則是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。植入體的控制是一片微功耗單片機(jī)。

　　2.1 MLX90121的硬件連接和初始化

　　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。

　　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)?a target="_blank">天線線圈；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。

　　MLX90121具備可以直接與DSP接口的數(shù)字端口，在DSP的控制下運行。在系統(tǒng)中它與DSP的數(shù)字接口線共有5 個。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)的時鐘，DIN和DOUT則分別為數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

　　使用MLX90121的步是初始化，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：

　　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，首先通過設(shè)置MODE/RTB=1/0使得MLX90121進(jìn)入發(fā)射模式，這時只要保持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，這是因為曼徹斯特碼具有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)時間τ滿足：T/2≤τ≤T，其中T為一個數(shù)據(jù)位的寬度。

　　植入體在接收下行通信數(shù)據(jù)時，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，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，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在DOUT引腳輸出一個窄脈沖，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。它在每個碼內(nèi)都存在一個跳變，只要確定了前一個碼元的內(nèi)容，即可依次根據(jù)跳變邊緣的時間信息對后續(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)計的芯片，在擴(kuò)展應(yīng)用中會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)實際試驗發(fā)現(xiàn)可以實現(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，DOUT引腳輸出脈沖的寬度也會隨之改變，但若超出上述范圍，輸出脈沖將會重疊或分裂，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，實際有效信息的數(shù)據(jù)率為50 kb/s。按照上述設(shè)計，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，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，進(jìn)行LSK調(diào)制。單片機(jī)只需通過一個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)載即可實現(xiàn)LSK調(diào)制。

　　本文以RFID芯片MLX90121為設(shè)計，實現(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)的實現(xiàn)證明了基于商用RFID技術(shù)及其器件實現(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。