應用RFID技術(shù)實現(xiàn)醫(yī)用植入裝置的通信

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：PICC相當于“植入體”，而PCD則相當于“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、應用廣泛、器件豐富，若能夠?qū)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/RFID">RFID技術(shù)應用于醫(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，電路應盡量簡潔和便于實現(xiàn)。
目前的RFID主要應用在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，因而為擴展應用提供了可能。成功的應用取決于針對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?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。