一种新型植入式装置无线数据传输方法

朱泽璟,王一枫,邬小玫,方祖祥

复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室 (上海,200433)

一种新型植入式装置无线数据传输方法

朱泽璟,王一枫,邬小玫,方祖祥

复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室 (上海,200433)

提出了一种植入式装置无线数据传输方法,以射频电磁波作为信息传输媒介,实现体内植入式装置与体外程控仪的双向通信。文中提出的“bit-by-bit”遥测方式可以显著降低起搏器等植入式装置的功耗,延长其使用寿命。

植入式装置;程控;遥测;“bit-by-bit”

0 引言

随着体积小、功耗低、可靠性高的集成电路的发展,生物材料尤其是无毒性生物相容材料研究的深入,体内供电方法的改进,许多测量与控制用的电子装置越来越多地植入人体和动物体,或用来代替或补偿人体器官的功能,或进行人体内部各种生理信息的检测。

植入式装置系统一般由两部分组成:体外的程控/遥测部分和体内的功能装置,两者之间的信息传递包括以下两个过程:体外的程控/遥测部分按照一定的模式把信息传递给植入部分,以实现对植入部分的参数调整和控制;植入部分也可将其工作参数或检测到的生理信息发送给体外程控/遥测装置。

为了确保植入式装置功能的发挥和诊疗信息的可靠,要求程控/遥测部分和体内功能装置间有可靠的数据交换。植入装置和体外程控装置之间完成信息和交换的技术。有以下几种方式:1)早期,用听诊器或心电图等辅助装置作为信息交换的媒介;2)用光电耦合作为传输数据的通道;3)用电磁耦合通道作为数据传输的媒介。使用听诊器或心电图等辅助装置作为信息交换的媒介时,信息的控制和获取很大程度上依赖于医师的临床经验、使用经验.存在一定的误差。近代,光电耦合成为信息传输的媒介,光电耦合需要严格的光信号作为载波,且只能对光的强度进行调制,在植入式的装置中实现时,会存在较大的噪声干扰。所以,在大部分植入式装置中,采用了以电磁耦合作为信息交换的媒介。[1]

植入式装置一般采用电池供能,由于携带的电池能量有限,所以植入式装置的工作寿命有限,如植入式心脏起搏器的工作寿命一般为 5-10年。如何提高植入式装置的工作寿命,减少病患的手术痛苦,成为科学家研究的一个课题。

针对这一问题有人设计了体外供能的植入式系统,体外能量发射系统产生时变磁场,覆盖人体所在的空间区域,体内装置内密封三维能量接收线圈,通过电磁感应产生感应电动势,经整流、滤波、稳压处理后输出供其他模块使用的能量。[2]

解决这一问题的另一种途径是优化体内装置的发射电路设计,降低发射功率,在发送数据时,可将体内主控单元待发送的遥测数据发送至开关管以改变其LC并联谐振回路的负载,通过电感耦合形成对体外程控仪射频载波的负载调制 (LSK)并经程控仪的接收电路作为遥测数据传送至程控仪的主控单元。[3]

本文以降低体内装置发射电路的发射功率为出发点,利用简化的硬件设计,提出一种“bit-bybit”的遥测方式,巧妙地利用体外程控遥测装置为体内发送数据提供能量,从而降低起搏器等植入式装置的内部功耗,延长其使用寿命。

1 系统方案

系统框图如图1所示。体外微处理器主要实现程控信息的编码和遥测信息的解码,而体内微处理器则用于对程控信息的解码以及遥测信息的编码。编码过的信息进行数字调制后,通过体外线圈与体内线圈间的电磁耦合实现传递。

图1 系统框图Fig.1 The Block diagram of system

1.1 载波选择

植入式装置通常要考虑生物相容性,对封装材料有一定要求,例如心脏起搏器一般采用钛合金外壳。金属对于电磁波有屏蔽和吸收作用,频率越高,耦合能量的衰减越厉害,一般认为 300KHz以下的射频信号对钛壳有较好的穿透性。然而,载波频率太低又会导致传输效率过低,所以通常选用 120KHz～200KHz作为载波频率。[4]

1.2 数据编码与交换方式

为了抗干扰,同时适合于传输,一边要将信号频率较低的生物医学信号加载到频率较高的载波上,使得载波的特征参数 (振幅,频率,相位等)随信号变化而变化;接收端则按照与调制相反的过程把信息解调出来。

植入式装置通常把模拟的生物医学信号转变成数字量,再对数字信号进行传输。数字信号在调制之前,一边要先进行编码。常用的编码方式有:非归零码(NRZ)、曼彻斯特 (Manchester)码、单极归零制编码、差动双向 (DBP)编码、米勒 (Miller)编码、变形的米勒编码、差动编码、脉冲宽度编码以及脉冲间隙编码等等。编码后的二进制数据,常采用以下基本的数字调制方式:ASK、FSK、PSK。本文采用的是脉冲位置调制(PP M)方式,它实际上是利用脉冲间隙进行编码,再通过ASK进行调制的一种编码方式。PP M在无线数据传输中很有节能价值,在短距离传输中它的节能性超过 FSK[4],并且易于 FPG A软件编程实现。

1.3 “bit-by-bit”遥测方式

植入式装置中,需要把一些生理信息或者装置的状态信息传输给体外装置,即遥测。在遥测时,植入式装置就成了数据的发送端,由于密封金属壳对射频的吸收作用,植入式装置和体外程控遥测装置通信时的信号衰减很大,因此植入式装置向体外程控遥测装置发送数据时的工作电流比平常工作时大很多。如果靠内部电池供电,经常使用这种遥测功能会缩短植入式装置的电池寿命。本文提出的“bit-by-bit”遥测方式,利用体外遥测装置来提供体内发送数据所需要的能量,从而降低植入式装置的内部功耗。当体内装置向体外装置发送信号时,体外都会先向体内发射一段载波,体内利用储能电容将这部分载波的能量储存起来,当体内的发送指令到来时,再将储能电容上的能量反射给体外,体外则通过充电脉冲与反射回来的衰减振荡波的间隔大小来判断反射信息的内容。以下将结合具体电路,介绍“bit-by-bit”遥测的实现。

2 电路设计

2.1 编码解码电路

PPM(脉冲位置调制)是利用脉冲间的相对位置来传递信息的一种调制方式,它的编码与解调都是通过体外程控遥测装置和植入式装置的微处理器进行软件编程来实现。

PPM的调制实际上是一个计时输出的过程。如图2所示,经处理器内部时钟分频得到时钟 CLK信号为 200KHz的方波,规定输出脉冲的宽度为 40微秒,将脉冲间隙分成 4种,分别为 40微秒、80微秒、120微秒和 160微秒,再将所要发送的二进制信息组合成两位两位的 ,“00”、“01”、“10”和“11”就分别对应上面四种时隙。解调器则通过 PPM脉冲的不同间隙判断信息的值,实质上也是一个计数电路,计数器对时隙信号计数,当出现 PPM脉冲时就输出计数值,同时对计数器清零。通过对计数器的输出值进行译码,即可得到原始信息。

图2 脉冲位置调制Fig.2 Pulse Position M odulation

2.2 发射接收电路

发射接收电路如图3所示。

(1)载波发生器 1产生固定频率的载波,载波调制器 2为模拟开关。发射数据端 5通过控制模拟开关的通断来实现对载波信号的数字调制,调制波通过 E类放大器放大后,经 L1和 C1组成的体外并联谐振回路发射出去。这里载波信号采用183KHz的正弦信号,L1和 C1组成的谐振回路的频率也为 183KHz。体内接收采用 L2与 C2组成的谐振回路进行耦合,它们的谐振频率也是 183KHz。线圈电感值与电容值按照进行参数匹配。

(2)体内向体外发送数据时,体外发射数据端 5控制载波调制器 2先产生一段频率为 183KHz的载波,通过 E类放大器 3放大后经 L1和 C1组成的体外并联谐振回路发送出去,L2和 C2组成的体内并联谐振回路接收到该段载波,此时体内发射数据端9为高电平,晶体管 T1与 T2均处于截止状态,载波经过二极管 D1整流后对 C4进行快速充电。当体内的数据发送指令到来时,体内发射数据端 9为低电平,晶体管 T1与 T2相继导通,电容 C4上的能量通过 T2向 L2和 C2组成的体内并联谐振回路放电,产生衰减振荡波。衰减振荡波的频率由 L2、C2和 C4决定,为 143KHz,并且幅度很小,因此为了在体外接收端可以耦合到这个信号,电路引入了另一个谐振回路 L3和 C3,它们的谐振频率也为143KHz。储能电容 C4选用无极性电容,考虑到充电时间要快,又要保证充电量达到反射要求,经过实验,决定选取电容值为几到几十纳法之间。

图3 发射接收电路Fig.3 Transm it and receive circuit

图4 “bit-by-bit”遥测工作方式Fig.4 The“bit-by-bit”telemetry mechanism

“bit-by-bit”遥测工作方式如图4进行。体外每隔 T1时间向体内发送一段长度为 T2的周期为T的载波,对体内储能电容 C3充电,T1-T2这段时间分成N个时隙,体内发射数据端 8选择在其中一个时隙控制体内储能电容 C3对 L2和 C2组成的体内并联谐振回路放电,L3和 C3组成的体外并联谐振回路接收到该时隙的信号,处理后传给体外接收数据端 6,图4(a)显示了体外发射数据端 5的波形,(b)显示了体内发射数据端 9的波形,(c)显示了电容 C3的充放电波形,(d)显示了体内线圈 L2两端的波形,(e)显示了体外接收数据端 6的波形。

2.3 解调电路

如图5所示,体内 L2、C2接收到调制波后,先通过 D2和 C5进行检波,再通过比较器对波形进行整形放大,输出幅度为 +5V的脉冲序列,以方便体内微处理器的解码。体外程控遥测装置的解调电路与体内解调电路相同。

图5 体内解调电路Fig.5 The demodulating circuit of i mplanted devices

3 结果

图6 体外接收数据端波形Fig.6 The waveform of data receiving term inal of external programmer

图6为程控遥测过程中体外接收端 6的波形。前面的 5个脉冲为体外向体内发送的程控信号,采用脉冲位置编码,发送信息为“00-01-00-01”,由于 L3、C3谐振回路与 L1、C1谐振回路的谐振频率相近,所以这部分信息也耦合到了该回路。后面的 8个脉冲就是遥测过程,宽的脉冲是体外向体内发送的充电脉冲,窄的则是体内向体外发送的反馈信号。反馈信号与充电脉冲之间的距离代表了信息内容,遥测信息为“00-01-00-01”,与之前程控的信息相同。因此,体内装置不仅能成功地接收到程控信号、将其写入体内存储器,并且可以在遥测过程中,利用体外充电脉冲能量将体内存储器中的数据成功地反馈给体外遥测装置。

在遥测过程中,植入式装置发射数据只在开关电路上产生极小的功耗,节省了体内装置发射电路的发射能量。

4 小结

本文提出的植入式装置程控遥测系统,由于在遥测过程中使用体外提供的能量进行数据传输,从而节省了体内装置发射电路的发射能量,进而可以延长植入式装置的使用寿命。本文结合“bit-bybit”遥测方式设计并搭建了实验平台,在该平台上实现了信息的双向传输,下一步的工作将在该平台上对系统参数进行进一步测试和优化。

[1]曹妮妮,金捷,孙卫新,等.植入式装置与体外程控装置数据交换技术的进展,国外生物医学工程分册,2002,25(4):156-160.

[2]体外供能的胶囊内窥镜系统 [P].CN PATANT 200910047790.

[3]一种植入式心脏起博器遥测装置及双向数据传输方法[P].CN PATANT 200610042605.

[4]黄新茗.起搏器程控遥测系统的设计[D].复旦大学硕士学位论文,2002.

[5]TangQ,YangL,Giannakis GB,et al.Battery power efficiency of PPM and FSK in wireless sensor networks[J].IEEE TransW irel Commun,2007,6(4):1308-1319.

A NewW irelessData Transm ission M ethod of I mplantable Devices

Zhu Zejing,Wang Yifeng,Wu Xiaomei,Fang Zuxiang
State Key Laboratory ofASIC&System,Fudan University(Shanghai,200433)

This thesispresents a new wireless data trans missionmethod of implantable devices,which realizes two-way communication between i mplantable device and external programmer by using RF electromagnetic wave as Transmission medium.The“bit-by-bit”telemetry mechanis m may reduce the power consumption of pacemaker and other implanted devices and prolong the lifeti me.

implanted devices,programming,telemetry,“bit-by-bit”

R318.11

A

1674-1242(2010)04-00187-04

10.3969/j.issn.1674-1242.2010.04.001

上海市重点学科建设项目:13112

朱泽璟,E-mail:zzj5754@gmail.com