應用RFID技術(shù)實(shí)現醫用植入裝置的通信

對比本文關(guān)注的“醫用植入裝置”和“無(wú)線(xiàn)IC卡系統”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(shí)現醫用植入裝置的通信。這樣做具有顯而易見(jiàn)的好處：以往的醫用植入裝置的設計往往采用專(zhuān)用集成電路，因而具有較高的成本和較長(cháng)的研發(fā)周期。而RFID技術(shù)成熟、應用廣泛、器件豐富，若能夠將RFID技術(shù)應用于醫用植入裝置，醫用植入裝置中的通信環(huán)節即可以“商用現貨”的形式實(shí)現，進(jìn)而大大降低成本和研發(fā)周期。
本文的核心就是基于對醫用植入裝置特殊技術(shù)要求和無(wú)線(xiàn)IC卡系統現有技術(shù)特點(diǎn)的分析，提出對RFID技術(shù)進(jìn)行裁剪和擴展方案，成功地實(shí)現了RFID技術(shù)在醫用植入裝置上的應用。
1 技術(shù)分析
不同的醫用植入裝置對射頻通信系統的要求也各不相同，這主要體現在傳輸能量的大小、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(shí)例，提出對射頻通信系統的具體要求。
一個(gè)完整的人工耳蝸系統包括植入體（包含刺激器與電極）和體外語(yǔ)音處理器，它們之間射頻通信的技術(shù)要求是：體外語(yǔ)音處理器需通過(guò)電磁波連續不斷地向植入體提供工作能量；體外語(yǔ)音處理器與植入體之間需要具有非雙工的雙向數據通信能力；為了具有較高的“刺激速率”，下行通信（體外語(yǔ)音處理器到植入體）速率應達到數百kb/s以上；上行通信（植入體到體外語(yǔ)音處理器）主要用于系統測試和參數調整，故通信速率達到幾十kb/s便可以滿(mǎn)足要求；考慮到實(shí)用性，整個(gè)系統必須是微小型化設計和超低功耗設計，電路應盡量簡(jiǎn)潔和便于實(shí)現。
目前的RFID主要應用在3個(gè)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(mǎn)足數據通信速率的要求；而在超高頻段人體對電磁波的吸收比高頻段高1～2個(gè)數量級。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，這對系統的設計和實(shí)現最為有利。
13.56 MHz的RFID主要有2個(gè)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(lèi)型。在這2種標準協(xié)議中，下行通信都采用了最簡(jiǎn)單的直接ASK調制方式，區別主要是數據編碼和調制度的不同；系統的通信速率相對“較低”，最高只有106 kb/s，相對設計目標有比較大的差距；在上行通信中采用編碼數據調制副載波，然后再用已調副載波對13.56 MHz的載波進(jìn)行負載調制，不同協(xié)議的區別在于數據編碼和副載波調制方式。
通過(guò)以上分析可知，RFID現有標準協(xié)議不能完全滿(mǎn)足設計目標要求。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(jiǎn)單，期望不用副載波而是由數據直接對13.56 MHz的載波進(jìn)行負載調制。因此需對RFID的“標準技術(shù)”進(jìn)行裁剪和擴展，設計一種技術(shù)方案并尋求合適的器件，實(shí)現上述設計目標。
2 設計與實(shí)現
系統整體框圖如圖2所示，全系統由體外語(yǔ)音處理器和植入體組成。

由于人工耳蝸的體外語(yǔ)音處理器需要承擔計算量較大的語(yǔ)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(shí)接收來(lái)自DSP的數據，對載波進(jìn)行ASK調制；在上行通信時(shí)接收由植入體負載調制的載波，并進(jìn)行解調將結果輸出到DSP。
植入體內包括用于從射頻載波獲取電源的高頻整流、濾波和穩壓電路，用于恢復數據的ASK解調和數據解碼電路，用于上行通信的LSK電路，為耳蝸聽(tīng)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(hù)以“直接模式”進(jìn)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計。
在本系統中，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(guò)功率放大后由TX引腳輸出，再經(jīng)過(guò)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )傳輸到天線(xiàn)線(xiàn)圈；接收信號則經(jīng)過(guò)適當的衰減后由RX引腳輸入；芯片內的模擬電路部分實(shí)現通信中的調制和解調；其中MOD引腳的電阻將影響ASK調制深度，為了最大限度保持為植入體提供穩定的能量，在保證可靠數據通信的前提下，盡量減小調制度。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，系統在10%的調制度下即可正常工作。