应用RFID技术实现医用植入装置的通信

随着科学技术的进步，医用植入装置已经得到广泛的临床应用，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[1])、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[2]、无线血糖传感器[3])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，它们也是技术上最为复杂的一个类型。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。
射频识别是一种新兴的自动识别技术，它最典型的应用就是无线IC卡。无线IC卡系统由一个读卡器(PCD)和IC卡(PICC)构成，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：PICC相当于“植入体”，而PCD则相当于“体外部分”。由此，有可能利用RFID技术实现医用植入装置的通信。这样做具有显而易见的好处：以往的医用植入装置的设计往往采用专用集成电路，因而具有较高的成本和较长的研发周期。而RFID技术成熟、应用广泛、器件丰富，若能够将RFID技术应用于医用植入装置，医用植入装置中的通信环节即可以“商用现货”的形式实现，进而大大降低成本和研发周期。
本文的核心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
不同的医用植入装置对射频通信系统的要求也各不相同，这主要体现在传输能量的大小、通信方向、是否双工通信及通信速率上。下面以人工耳蜗作为应用实例，提出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”，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；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；考虑到实用性，整个系统必须是微小型化设计和超低功耗设计，电路应尽量简洁和便于实现。
目前的RFID主要应用在3个频段上：低频（典型为125 kHz)、高频(13.56 MHz)和超高频(860 MHz以上)。其中低频段不能满足数据通信速率的要求；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。因此综合技术需求、能量效率和人体健康等各方面因素，确定采用13.56 MHz的工作频率。而且目前该频率的RFID技术成熟、应用广泛，这对系统的设计和实现最为有利。
13.56 MHz的RFID主要有2个被广泛采纳的标准：ISO 14443和ISO 15693[4]，其中ISO 14443又定义了TYPE A和TYPE B 2种类型。在这2种标准协议中，下行通信都采用了最简单的直接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”，最高只有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。
通过以上分析可知，RFID现有标准协议不能完全满足设计目标要求。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。

由于人工耳蜗的体外语音处理器需要承担计算量较大的语音信号处理任务，故选用了低功耗的DSP芯片TMS320VC5502作为核心处理和控制，但其射频分系统的核心则是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。植入体的控制核心是一片微功耗单片机。