应用射频识别技术实现医用植入装置的通信

　　摘 要：和广泛应用的射频识别技术形似，医用植入装置分为体外部分和植入体，二者之间通过射频载波传输能量和信息。本文分析研究了它们在技术和应用层面的特点，提出了一种基于商用RFID技术及其器件实现的医用植入装置双向通信的设计，对于具体实现过程中的关键技术、必要的技术裁剪和技术扩展进行了较为详细的介绍。

　　医用植入装置在当今社会现代医学上起到很大的作用，它们被用于维持生命（如心脏起搏器）、提高生活质量（如人工耳蜗）、治疗疾病（如植入式给药装置）和监测生理指标（如植入式无线颅内压测量仪、无线血糖传感器）等目的。

　　医用植入装置有多种类型，其中一类由植入体和体外部分组成，如图1（a）所示。植入体通过外科手术植入人体内部，与体外部分完全独立，没有“实体”性质的连接，二者的联系“纽带”是无形的电磁波。系统运行时体外部分发送电磁波，植入体从该电磁波获得能量；同时二者之间也通过该电磁波进行信息通信。前面提到的人工耳蜗、植入式无线颅内压测量仪、无线血糖传感器等都是其代表。如果从“供电”和“通信”的角度看，它们也是技术上为复杂的一个类型。本文讨论的“医用植入装置”特指此种类型在此类医用植入装置中，射频系统的设计既关系到能量传输的效率，也影响通信的性能。

　　射频识别即RFID（Radio Frequency IDentification）技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。比如说我们平常使用的公交卡，饭卡等无线IC卡技术。如图1（b）所示，它们利用射频方式进行非接触双向通信。

　　对比本文关注的“医用植入装置”和“无线IC卡系统”可知，二者具有很大的相似性：而PCD（读卡器）则相当于“体外部分”， PICC（IC卡）相当于“植入体”。由此，有可能利用RFID技术实现医用植入装置的通信。这样做有很多方便之处，可以大大降低成本和研发周期，并能实现体内医疗器件的通信，这样可以检测器件的好坏。

　　本文的就是基于对医用植入装置特殊技术要求和无线IC卡系统现有技术特点的分析，提出对RFID技术进行裁剪和扩展方案，成功地实现了RFID技术在医用植入装置上的应用。

　　1 技术分析

　　由于医用植入装置所需的功能各不相同，所以它对射频通信系统的要求也各不相同，有时需要速率高，有时候需要传输的能量大，有时候需要对通信方向提出要求。下面以人工耳蜗作为应用实例，来说明应用植入装置对射频通信系统的具体要求。

　　一个完整的人工耳蜗系统包括植入体（包含刺激器与电极）和体外语音处理器，它们之间射频通信的技术要求是：体外语音处理器需通过电磁波连续不断地向植入体提供工作能量；体外语音处理器与植入体之间需要具有非双工的双向数据通信能力；为了具有较高的“刺激速率”，上行通信（植入体到体外语音处理器）主要用于系统测试和参数调整，故通信速率达到几十kb/s便可以满足要求，下行通信（体外语音处理器到植入体）速率应达到数百kb/s以上；但是考虑速率的同时，需要使得整个系统尽可能小，尽可能方便携带。

　　目前的RFID一般有三个工作频段，低频（125 kHz）、高频（13.56 MHz）和超高频（860 MHz以上）。在低频125kHz、13.56MHz频点上一般均采用无源标签，作用距离在10～30cm左右，个别有到1.5m的系统。在高频UHF频段，无源标签的作用距离可达到3～10m。更高频段的系统一般均采用有源标签。采用有源标签的系统有达到作用距离至100m左右的报道。低频通信速率较低，不能满足要求；而在超高频段人体对电磁波的吸收比高频段高1～2个数量级。因此综合个方面因素，确定采用13.56 MHz的工作频率。

　　ISO 14443和ISO 15693是13.56 MHz的RFID的两个标准，这两个标准被广泛使用，。在这2种标准协议中，下行通信都采用了简单的直接ASK调制方式，区别主要是数据编码和调制度的不同；系统的通信速率相对“较低”，只有106 kb/s，相对设计目标有比较大的差距；在上行通信中采用编码数据调制副载波，然后再用已调副载波对13.56 MHz的载波进行负载调制，不同协议的区别在于数据编码和副载波调制方式。

　　因此，如果按照现有的标准，将不能满足本系统的设计需求。为此，需要做两方面的工作，一方面需要提高下行通信速率，另一方面为了使植入体部分的电路尽量简单，期望不用副载波而是由数据直接对13.56 MHz的载波进行负载调制。因此需对RFID的“标准技术”进行裁剪和扩展，设计一种技术方案并寻求合适的器件，实现上述设计目标。

　　2 设计与实现

　　系统整体框图如图2所示，全系统由体外语音处理器和植入体组成。

　　选用了低功耗的DSP芯片TMS320VC5502来处理信息量交大的体外语音，但其射频分系统的则是RFID芯片MLX90121，它负责产生射频载波，为植入体提供能量；在下行通信时接收来自DSP的数据，对载波进行ASK调制；在上行通信时接收由植入体负载调制的载波，并进行解调将结果输出到DSP。

　　植入体内包括用于从射频载波获取电源的高频整流、滤波和稳压电路，用于恢复数据的ASK解调和数据解码电路，用于上行通信的LSK电路，为耳蜗听神经提供电流刺激的控制电路和电极。植入体的控制是一片微功耗单片机。

　　2.1 MLX90121的硬件连接和初始化

　　MLX90121是完全支持ISO 14443和ISO 15693协议的RFID收发集成电路芯片，它还允许用户以“直接模式”进行发送和接收，支持若干非RFID标准的工作模式，因而为扩展应用提供了可能。成功的应用取决于针对MLX90121正确的硬件和软件设计。

　　在本系统中，MLX90121关键外围电路如图3所示。MLX90121外接13.56 MHz晶振产生射频载波。射频信号经过功率放大后由TX引脚输出，再经过阻抗匹配网络传输到天线线圈；接收信号则经过适当的衰减后由RX引脚输入；芯片内的模拟电路部分实现通信中的调制和解调；其中MOD引脚的电阻将影响ASK调制深度，为了限度保持为植入体提供稳定的能量，在保证可靠数据通信的前提下，尽量减小调制度。经过实际测试，系统在10%的调制度下即可正常工作。

　　MLX90121具备可以直接与DSP接口的数字端口，在DSP的控制下运行。在系统中它与DSP的数字接口线共有5 个。其中MODE和RTB决定MLX90121的当前模式：

　　MODE/RTB=0/0    配置模式

　　MODE/RTB=0/1    保留

　　MODE/RTB=1/0    发射模式

　　MODE/RTB=1/1    接收模式

　　CK提供向MLX90121写入数据的时钟，DIN和DOUT则分别为数据的输入和输出。

　　使用MLX90121的步是初始化，这一过程在配置模式下通过写入MLX90121的内部寄存器完成。关键寄存器有3个：

　　模拟配置寄存器       AnalogConfig    地址0 H

　　电源状态寄存器       PowerState        地址1 H

　　数字配置寄存器       DigitalConfig    地址3 H

　　具体步骤是：首先通过设置MODE/RTB=0/0进入配置模式，而后通过DIN在CK的配合下写入数据，每个数据帧为12 bit，包括4 bit的寄存器地址和8 bit的配置数据[5]。

　　在本系统的设计中将要使用MLX90121的直接发射和接收模式，而且已经确定了下行通信采用非100%的ASK调制，上行通信采用无副载波的LSK调制，于是对MLX90121的初始化配置如下[5]：

　　模拟配置寄存器       AnalogConfig=83 H

　　电源状态寄存器       PowerState=01 H

　　数字配置寄存器       DigitalConfig=00 H

　　正确初始化以后，MLX90121即会有13.56 MHz的等幅载波输出。此后如果进入发射模式，通过DIN写入数据即可实现下行通信；若进入接收模式，则接收并经过解调的信号由DOUT输出。

　　2.2 下行通信

　　下行通信时，首先通过设置MODE/RTB=1/0使得MLX90121进入发射模式，这时只要保持CK=0，MLX90121便处于直接发送模式，输出的射频信号直接由DIN引脚输入的数据实施ASK调制。调制度由模拟配置寄存器和引脚MOD所连接的电阻共同决定。通信的数据率则完全取决于DSP向DIN写入数据的速度，其上限仅受MLX90121时序和接收端解调电路性能的限制，与RFID的技术标准无关。通过这种方式，大大提高了下行通信的数据率。本系统设计通信速率为678 kb/s，测试结果表明该速率仍有进一步提高的空间。

　　系统下行通信采用曼彻斯特码，这是因为曼彻斯特码具有0和1码元数量相等的特性，调制后的载波具有稳定的能量；另一方面曼彻斯特码的解码电路非常简单，容易实现。图4是完整的下行通信过程中各阶段的波形示意图。系统对单稳态电路的要求是可以双向触发但不可重复触发，其暂态时间τ满足：T/2≤τ≤T，其中T为一个数据位的宽度。

　　植入体在接收下行通信数据时，首先需要提取射频信号的包络并整形，整形之后的信号再经过单稳态解码电路恢复原始数据。连续不断的下行数据传送至单片机，单片机根据数据协议解释后执行，控制相关电路完成对耳蜗听觉神经的电流刺激。

　　2.3 上行通信

　　上行通信时，首先通过设置MODE/RTB=1/1使得MLX90121进入接收模式，并保持CK=0和DIN=1不变，则在给定的初始化设置下MLX90121处于一种特殊的直接接收模式[6]。此时，MLX90121的TX引脚输出等幅载波，植入体以LSK方式对该载波进行调制，已调载波由MLX90121的RX引脚接收，其内部的模拟前端电路实现对载波信号幅度变化的边缘检测，并在每次载波幅度跳变时在DOUT引脚输出一个窄脉冲，如图5所示。

　　经过分析发现，MLX90121引脚DOUT的输出脉冲指示了经LSK调制后载波幅度变化边沿的位置，但没有直接解调出调制信号的包络。为了能从解调输出的脉冲流序列中恢复出数据，需要采用某种编码机制。对该编码机制的要求是：无论数据为0还是1，在编码后必须在码内有“跳变”存在，且根据跳变出现的位置间的关系可以确定是0还是1。显然曼彻斯特码可以满足上述要求。它在每个码内都存在一个跳变，只要确定了前一个码元的内容，即可依次根据跳变边缘的时间信息对后续码元做出判决。因此在系统的上行通信中也采用了曼彻斯特编码。

　　MLX90121是面向RFID标准协议设计的芯片，在扩展应用中会有带宽或码率的限制，从而决定了上行通信的速率。按照给定的初始配置参数，经实际试验发现可以实现稳定“解调”的平均数据率为100 kb/s，能保持稳定的范围约为70～120 kb/s。当数据率变化时，DOUT引脚输出脉冲的宽度也会随之改变，但若超出上述范围，输出脉冲将会重叠或分裂，从而使得输出脉冲的信息发生模糊，无法从中恢复原始数据。为此，本系统设计上行通信的调制速率为100 kb/s。由于采用曼彻斯特编码的缘故，实际有效信息的数据率为50 kb/s。按照上述设计，DOUT引脚输出脉冲之间的间隔只可能出现10 μs和20 μs两种情况。DSP根据这一特征，并结合适当的同步头和数据协议设计，即可通过软件算法解码出原始数据。

　　植入体的单片机通过ADC获得数据（人工耳蜗所需的监测、测量数据），根据数据协议增加同步头等数据位，再进行曼彻斯特编码形成发送数据帧，进行LSK调制。单片机只需通过一个I/O引脚控制的MOS管开关的通断以改变接收线圈回路的负载即可实现LSK调制。

　　本文以RFID芯片MLX90121为设计，实现了人工耳蜗体外语音处理器与植入体之间的半双工高速通信。系统的无线能量传输稳定可靠，下行通信速率为678 kb/s，上行通信速率为100 kb/s。本系统的实现证明了基于商用RFID技术及其器件实现医用植入装置的双向通信是可行的。相对使用ASIC技术的产品，极大地节约了研发成本、缩短了研发周期并且具有很强的可移植性。