植入式装置的体内外双向通信方式

植入式装置的体内外双向通信方式【摘要】植入式装置包过体外控制部分和体内功能部分。随着微电子，集成化等技术的发展，植入式体内体外通信技术的发展也越来越迅速，种类也越来越多。目前已出现很多种应用于植入式装置的无线通信方式。本文就对几种常用的医用植入式无线通信方式进行简单的分析，并详细的比较它们的特点。【关键词】植入式；无线；通信1.引言植入式装置是一种埋置在生物体或人体内的电子设备，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[9]。随着微电子技术和信号处理技术的飞速发展，植入式电子装置在临床医学中得到越来越广泛的应用。为了确保植入式装置功能的发挥和诊疗信息的可靠，要求体外控制装置和体内功能装置之间有可靠的数据交换。无线通信则是传输体内、体外数据的关键技术，随着电子技术的发展无线通信的方式也越来越多，本文将对几种常用于医用植入式通信的方法进行比较，通过比较得出一种最可靠、最简单、最实用的医用植入式通信方式。2.植入式装置的研究现状植入式电子装置是一种用来测量生命体内生理生化参数的长期变化，诊断、治疗某些疾病，也可用来代替功能已丧失的器官的埋置在生物体或人体内的电子设备。由于其在临床应用上表现出很大的作用，植入式装置已成为临床上很多疾病治疗的首选方案。植入式装置主要有以下优点：(1)可保证在生物体自然条件对体内的各生理参数进行实时监测；(2)采用植入式测量装置后，可以大大降低体外对其产生的干扰，因此可得到更加精确的数据；(3)可以用来治疗某些神经系统疾病，比如癫痫、瘫痪等；(4)用来代替某些器官的功能，比如肾脏、四肢、耳蜗等[1]。植入式电子装置主要包括：植入式刺激器，如植入式心脏起搏器与除颤器；植入式测量系统，如胶囊式内窥镜；植入式药疗装置；植入式人工器官及辅助装置，如人工心脏[1]。植入式人工心脏起搏器是一种很精巧的、可靠程度很高的电脉冲刺激器，是应用一定型式的起搏脉冲发生器，与特制的导线（即：起搏导管电极）连接，和起搏电极发送电脉冲刺激心脏，使激动不能或传导不好的心脏应激而起搏的植入式电子装置。人工心脏起搏器是人工制成的一种精密仪器。它能按一定形式的人工脉冲电流刺激心脏，使心脏产生有节律地收缩，不断泵出血液以供应人体的需要。人工心脏起搏器可以随时监测患者心脏工作的情况，一旦出现异常情况，它可以“领导”心脏进行有规律地跳动，从而帮助患者免除各种心脏疾病（心动过缓、停搏等）导致的心悸、胸闷、头晕甚至猝死等病症。3.几种常用的医用植入式无线通信方式3.1电磁耦合方式植入式装置中，数据交换可以通过电磁耦合实现，一对共振于射频段的线圈成为体内、体外数据交换的通道。电磁耦合方式有很多种包括：脉冲位置调制(PPM)的电磁耦合，幅度键控调制(ASK)系统等。目前使用普遍的是脉冲位置调制（PPM），它是一种经皮无线通信方式，基于谐振电磁耦合理论，设计体外程控器线圈和体内医疗仪器线圈，这样可以提升通信效果的可靠性，通过位置容差试验表明脉冲位置调制（PPM）通信系统具有抗线圈失配能力强的特点，通过对通信距离和耦合系数、位置容差和谐振频率的关系进行了实验分析，实验结果表明，体内PPM通信系统平均功耗仅为99ttW，约为常用幅度键控调制(ASK)系统的1/300。因此脉冲位置调制（PPM）具有低功耗，传输可靠性高的优点。但由于PPM调制方式用于植入式医疗仪器设计通信距离为4cm，受设计限制现在未能实现复杂模式、多参数、大数据量的数据传输。电磁耦合方式在设计线圈中要考虑到电路的传输效率、电路的易于实现[2]DonaldsonNN等[3]首先对电磁耦合的数据交换应用进行了理论分析。他们以两个空心线圈组成的谐振电路为模型，对空心线圈组成的应用于经皮耦合的谐振电路的各项性能指标进行了理论分析，DonaldsonNN的理论成为以后众多植入式装置设计时的理论基础[2]。然而，随着临床应用范围的扩大对植入的深度、遥测的距离提出了新的要求。为了解决这些问题，TroykPR[5]等人提出了E类功率放大器的理论和设计方案：发射端使用一种E类功率放大器来驱动发射线圈，可以实现较低的耦合系数时较高的传输效率。为了提高体内植入部分发射端的发射距离，HemicsZ[6]也把E类功率放大器应用于该部分的发射端。耦合线圈两端也可能会存在由频率或线圈负载的变化引起的频率失配，这会减弱信息和能量的传输效率或产生对发射端的损害。ZieiaB[8]提出了在体外部分的发射端使用具有反馈环的E类功放电路，解决了以上问题。无论是DonaldsonNN的理论分析，还是TroykPR的实践设计，都以空心线圈作为信息传输的物理基础[2]。3.2近红外线通信方式红外通讯技术利用红外线来传递数据，是无线通讯技术的一种。采用红外线通信的方法也是植入式装置完成体内体外通信的一种方式。它的特点是不需要实体连线，简单易用且实现成本较。但是由于红外线的直射特性，红外信号通过皮肤会产生衰减，而且使用这种通信方式要求接收电路必须比较严格地与发射器件对准，而在人体某些部位对准不容易做到，例如腹部，这时信号传输的可靠性就大大下降。因此，采用近红外线通信方式存在着许多的问题。3.3射频识别（RFID）方式射频识别即RFID（RadioFrequencyIDentification）技术是一种新兴的自动识别技术，又称电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频识别主要包括：标签(Tag)：由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象；阅读器(Reader)：读取(有时还可以写入)标签信息的设备，可设计为手持式或固定式；天线(Antenna)：在标签和读取器间传递射频信号。射频识别技术的应用范围十分广泛，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，它们利用射频方式进行非接触双向通信。射频识别技术应用于植入式装置时，PICC相当于“植入体”，而PCD则相当于“体外部分”。因此，可以利用RFID技术实现医用植入装置的通信[11]。射频识别通信方式按照按信号的变换方式可以分为模拟式和数字式两类。模拟式是将被测的生理参数变换成模拟(连续)信号进行传输的遥控体制。数字式是将被测理参数最终变换成数字(离散)信号进行传送的遥控体制。由于后者有较强的抗干扰能力，传输精度高，容量大而且可直接与计算机接口，因此植入式电子系统中常采用数字式的通信方法。植入式装置现在应用的数字式的射频识别通信方式有很多种比如：目前提出的一种基于NRF24L01无线传输系统应用比较多。它主要是通过NRF24L01芯片与单片机连接实现无线通信，可以在多种工作模式下进行通信，具有低功耗，工作稳定，可靠性高等优点。采用射频识别的方法的特点是：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，将RFID技术应用于医用植入装置，可以大大降低成本和研发周期，而且射频识别技术传输的可靠性高[11]。但射频磁感应的方法可能会对外界产生干扰，或是被外界磁场干扰，而且射频磁感应的方法难于实现高速的大容量的信号传输。射频识别技术是一种成熟的技术，但是其应用于医用植入式装置时间并不久，相对来说也是一项新的技术，在很多方面都有很大的发展空间，以后在临床上还有更加广泛的应用空间，具有很大的应用价值。4.小结极短距离的电磁耦合作为一种发展较成熟的技术是植入式医疗设备经常采用的通信方式，从DonaldsonNN等人对共振线圈在射频数据交换中的应用进行了理论分析到TroykPR等人提出了E类功率放大器的理论和设计方案，还有HemicsZ、ZieiaB等人的进一步的研究。他们都是以空心线圈作为信息传输的物理基础。这就要求在编程器和医疗设备之间进行紧耦合，通常数据传输率低于50kbps。红外线通讯方式是发展最成熟的无线通信技术，在各个领域都有比较广泛的应用。也比较早的运用于植入式装置的无线通信简单易用且使用成本低，但是由于其受到障碍物时易衰减这样它的传输可靠性就大大地降低，不能很好的满足于目前植入式装置的要求。射频识别技术作为一种新型的技术，目前正处于发展阶段，慢慢的走向成熟，有很多的研究价值和发展空间。它作为医用植入式装置的通信方式也是一种新的运用。目前已有很多的医用植入式装置在使用射频识别技术，取得了很好的效果，它的发展前景十分的诱人。对于医用的植入式装置其要求微功耗，微型化，体内体外信息和数据的传输效率好可靠性高，电磁耦合方式可靠性差，红外线技术干扰大，而射频识别技术则可以满足其要求，而且目前射频设别的技术其设计方法越来越多，能够更加满足医用植入式装置的各种设计要求。射频技术是目前植入式装置体内体外通信方式的一个发展趋势。参考文献[1]武文君.植入式电子装置经皮感应充电系统设计[D]天津大学,2006.[2]曹妮妮,金捷,孙卫新.植入式装置与体外程控装置数据交换技术的进展[J].国外医学生物医学工程分册,2002,25(4):156-160.[3]DonaldsonNN,PerklinsTA.Analysisofresonantcoupledcoilsinthedesignofrediofrenquecytranscrtaneouslinks[J].MedBiolEngComput,1983,12:612-627.[4]王锋,金捷.用于植入式装置的遥测系统设计[J].电子技术应用,2003,11:46-47.[5]TroykPR,SchwanMA.ClassEdriverfortranscutaneouspoweranddatalinkforimplantedelectronicdevice[J].MedBiolEngComput,1992,30:69-75.[6]HamiciZ,IttiR,ChampierJ.Ahigh-efficeiencypoweranddatatransmissionsystemforbiomedicalimpantedelectronicdevices[J].MeasScieTechnol,1996,7:192-201.[7]王文兴,颜国正,熊祥.一种微型低功耗生物遥测双向射频通讯系统[J].北京生物医学工程,2004,23(5):91-93.[8]ZiaieB,MarkD,AnthonyN,etal.Asingle-channelimplantablemicrostimulatorforfunctionalneuomuscularstimulation[J].IEEETransBME,1997,44(10):909-910.[9]孙亚辉.植入式装置与体外程控装置双向传输技术的研究[D].复旦大学,2004.[10]王伟明,马伯志,郝红伟.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.[11][12]王一枫,朱泽碌,邬小玫.心脏起搏器程控与遥测系统的研究[J].生物医学T程学进展,2011,32(1):1-5.[13]冯正权.植入式神经肌肉电刺激器的电路研究[D].重庆大学,2007.[14]邱可可,刘景全,郭忠元.基于CC2430的无线可植入微刺激器电路研究[J].计算机测量与控制,2011,19(4):898-901.[15]