植入式小动物无线监测系统的研究

王云光，鲍明泽，范 煦，章宏旭，巫熹子

(1.上海理工大学 医疗器械与食品学院，上海200093;2.上海医疗器械高等专科学校，上海200093)

0 引 言

动物实验不仅是药物开发必经的过程，也是研究人体生理、病理、药理的重要工具［1］。植入式无线监测系统可以实时监测小动物的各项生理参数。植入部分可直接埋植于小动物体内，实现了生命体无拘束自然状态下的、体内的直接测量和控制。用这种方式得到的信号干扰少、质量高，且被测动物可以自由活动，适合进行长期监测［2］。

20 世纪80 年代，用于动物模型研究的植入式监测系统已经开始出现［1］。在过去的30 多年当中，植入式监测系统得到了长足的发展，从单纯的测量生理参数到完成基本的诊断和治疗某些疾病的功能，甚至代替某些功能也已丧失的器官［2］。本文主要介绍一种针对小动物心电和体温信号检测的植入式无线监测系统。

1 检测原理

植入式小动物无线监测系统由两部分组成:体内植入式模块和体外接收模块，如图1 所示。体内部分是直接植入到小动物体内的，传感器用于采集小动物的心电和体温信号，调理电路将采集到的生理信号进行放大、滤波等处理，脉冲位置调制(pulse position modulation，PPM)将处理后的生理信号进行调制编码，最后发射电路将调制后的信号发射出去。整个体内部分由纽扣电池供电。体外部分一般置于小动物笼子周围，接收电路用于接收体内部分发射出来的信号，调理电路对接收到的信号进行放大、滤波、检波等处理，调理好的信号一路直接输入单片机，即是采集到的小动物的各项生理参数;另外一路通过活动度检测电路后再输入单片机，活动度检测电路可以检测小动物在笼子内的活动量。

2 植入式模块设计

植入式模块是通过手术直接埋植于小动物腹腔或皮下，术后要求小动物能自由活动，因此，植入式模块的设计要满足以下四方面的要求:a.体积小，不能超过动物体积的1 0%，且越小越好;b.功耗低，以延长使用寿命，减少二次手术风险［3］;c.发射距离远，术后动物是在笼子内自由活动的，因此，发射距离必须能覆盖整个笼子;d.生物相容性好，避免动物术后产生排异反应、炎症。

图1 植入式无线监测系统框图Fig 1 Block diagram of implantable wireless monitoring system

植入式小动物无线监测系统的供电方式主要有2 种:射频无线供电和电池供电。射频无线供电即通过体外与体内2 个线圈之间的电磁耦合输送电能［4］。但这种供电方式需要在植入式部分中设计复杂的接收电路，增加了植入式部分的体积，且在能量传输期间无法监测小动物生理参数。电池供电时直接采用纽扣电池给植入式部分供电，这种供电方式简单易行，但要合理的设计电路，选用低功耗的元器件以达到低功耗的要求。

植入式无线监测系统一般选用数字调制方式，幅度键控(amplitude shift keying，ASK)调制是比较常用的数字调制方式，其实现简单［5］，但功耗太大，不能满足本文要求。为了进一步降低功耗，本文选用PPM 方式。PPM 方式既能满足功耗要求又能满足发射距离要求。

2.1 总体结构

植入式模块的总体设计如图2 所示。心电电极/温度传感器将信号输入系统;调理电路对信号进行滤波、放大等处理;PPM 电路对信号进行调制、编码;最后心电采集电路、温度采集电路、PPM 电路经线或后由发射电路发出。

图2 植入式部分框图Fig 2 Block diagram of the implantable part

2.2 PPM 原理

PPM 原理如图3 所示。标准脉冲发生模块用比较器A和放大器组成一个频率为250 Hz 的标准方波-三角波发生器，方波作为PPM 的标准信号，三角波作为比较信号输入到比较器B 的负输入端。有效信号部分中，心电/体温信号经过调理后输入到比较器B 的正输入端。比较器B 将输出经过标准方波调制后的有效方波，有效方波上升沿与标准方波上升沿的时间差(t1，t2，t3，…)代表了信号的强度。有效方波和标准方波经过线或后由发射电路发出，接收电路对此信号进行反向编码即可得到被测生理信号的实时波形。

图3 PPM 原理Fig 3 PPM principle

2.3 发射电路设计

发射电路如图4 所示，采用E 类功率放大电路。由于小动物生理信号的频率较低，不适合直接进行无线传输，因此，本文选用500 kHz 作为发射频率。由公式(1)可知，只要适当选择LC 的参数即可达到要求

方波信号经过C1，R1微分电路后变为正负脉冲信号，二极管将负脉冲信号截止，正向脉冲经过三极管放大后产生很多频率的信号，这些信号经发射电感线圈和C2组成的LC 并联回路后选出500 kHz 的信号发射出去。标准方波和有效方波是经线或后输入到发射电路的，因此，只要有一个上升沿，发射电路就会发射一个脉冲信号。

图4 发射电路Fig 4 Transmission circuit

3 体外接收模块设计

体外接收模块的系统框图如图5 所示。接收线圈用于接收射频信号;检波电路将接收到的射频信号进行放大、滤波、包络检测等处理;OPA 放大电路将检出的包络信号进行放大后传送给单片机;自动增益控制(automatic gain control ，AGC)电路使放大电路的增益自动地随信号强度的变化而调整，使单片机接收到的信号不随信号强度的变化而大幅变化;活动度检测电路用于监测小动物的活动量;单片机将接收到的包络信号进行反编码，同时记录小动物的活动情况。

图5 体外接收部分原理图Fig 5 Principle diagram of in vitro receiving part

3.1 接收电路设计

体外接收模块通常安放在笼子周围，以均匀接收发射信号为原则［3］，因此，体外接收模块中接收电路的设计尤为重要。

本文设计的体内模块只用来发射生理信号，不受体外模块程控，因此，体内发射线圈选用空心电感线圈;体外模块主要用于接收信号，选用磁芯电感线圈。

图6 为系统谐振电磁耦合电路模型，图中L1，L2分别为发射、接收线圈自感;C1，C2分别为发射、接收调谐电容;R1为包括发射线圈绕组、发射电路的电阻;R2为接收线圈绕组;RL为等效负载电阻。为了简化分析过程，采用正弦激励源V1代替实际采用的方波激励源进行分析。以此电路模型来验证通信距离与耦合面积、谐振频率之间的关系。

图6 系统电磁耦合电路模型Fig 6 Model of electromagnetic coupling circuit of system

图7 中方案一为在发射频率、信号强度相同的条件下，发射线圈轴心与接收线圈轴芯置于同一直线上，发射线圈以30°为步进角顺时针自转时，测量接收信号下降至20 mV时的通信距离;方案二为在发射频率、信号强度相同的条件下，发射线圈轴心与接收线圈轴心平行，发射线圈以30°为步进角顺时针绕接收线圈中心旋转时，测量接收信号下降至20 mV 时的通信距离;方案三为在发射频率、信号强度相同的条件下，发射线圈轴心与接收线圈轴心呈60°，发射线圈以30°为步进角顺时针自转时，测量接收信号下降至20 mV时的通信距离。由图7 分析可知，当发射频率、信号强度等其他条件不变时，接收线圈和发射线圈的耦合面积越大有效通信距离就越远。

在天线尺寸、发射强度、耦合面积等条件都不变的情况下，在不同谐振频率下测试结果如表1 所示。表1 的结果表明采用发射电路和接收电路谐振频率接近的方法可明显提高通信距离。

图7 通信距离与耦合面积关系Fig 7 Relation between communication distance and coupling area

表1 谐振频率与通信距离的关系Tab 1 Relation between resonant frequency and communication distance

根据测试结果，本文最终选用磁芯电感线圈作为接收线圈。为了使小动物在笼内各个部位时都能得到较强的信号，本文将2 个磁芯电感线圈设计成“T”型摆放在笼子底部中央，有效地增加了不同位置处的耦合面积。2 路接收线圈接收到的信号叠加后再进行后续处理。

3.2 其他电路设计

检波电路选用ZN414Z 芯片来进行包络检测;放大器选用OPA491;单片机选用C8051F040，它可直接采集方波脉冲的上升沿。自动增益控制(AGC)电路是通过一个正向导通的电压跟随器将放大器(OPA)放大后的直流分量截取出来再反馈给OPA 来实现的。同时，AGC 截取的直流分量经过活动度检测电路后传送给单片机。

4 实验结果

本文采用信号发生器产生正弦波来模拟小动物的心电信号:输入信号幅度为0.2 mV，频率为180 次/min(3 Hz)。信号由植入式模块发射，体外接收模块接收到信号并做相应处理后得到如图8 所示结果。结果证明系统能够较好地监测正弦信号。

对温度信号的验证方法如下:将温度传感器置入不同温度的水中，可以看到输出信号有明显的变化，由此可验证系统可以监测温度信号。

5 结束语

图8 模拟实验数据Fig 8 Datas of simulation experiment

本文介绍了一种针对小动物实验的植入式无线监测系统，植入式模块采用模拟电路和电池供电大大地降低了系统的体积和功耗，体外接收模块采用模拟电路作为接收电路明显提高了有效通信距离。通过模拟实验验证了系统能够进行心电和温度监测。

系统目前只进行了模拟验证实验，还需进行实际的动物实验来充分验证其可行性。参考文献:

［1］ Meindl J D，Ford A J.Implantable telemetry in biomedical research［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1984，31(12);817 －823.

［2］ 谢 翔，张 春，王志华.生物医学中的植入式电子系统的现状与发展［J］.电子学报，2004，32(3):462 －467.

［3］ 陈卫红，杨益民，叶树明.小动物监测的植入式低功耗无线系统研究［J］.传感器与微系统，2012，32(4):60 －62.

［4］ 陈 亮，王慧楠，钟 元.医疗植入式电子系统供电方式的研究进展［J］.生物医学工程研究，2006，25:285 －289.

［5］ 王伟明，马伯志，郝红伟，等.用于植入式医疗仪器的无线通信系统研究［J］.中国生物医学工程学报，2009，28(3):408 －414.

［6］ Yu Hong，Bashirullah R.A low power ASK clock and data recovery circuit for wireless implantable electronics［C］∥Proc of IEEE 2006 Custom Integrated Circuits Conference (CICC)，2006:249 －252.

［7］ Donaldson N N，Perkins T A.Analysis of resonant coupled coils in the design of radio frequency transcutaneous links［J］.Med ＆Biol Eng ＆ Comput，1983，12:612 －627.

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