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用于植入式裝置的遙測系統(tǒng)設(shè)計
摘要：介紹一種采用脈沖位置調(diào)制（ＰＰＭ）的植入式裝置遙測技術(shù)，給出了遙測系統(tǒng)電路和數(shù)據(jù)傳送的幀結(jié)構(gòu)及遙測的原理，指出了實現(xiàn)該系統(tǒng)需注意的問題。關(guān)鍵詞：植入式裝置 遙測 編程器 脈沖位置調(diào)制
植入式裝置（例如植入式心臟起搏器、神經(jīng)電刺激器等）的體內(nèi)植入部分和體外程控器之間進(jìn)行遙測時，工作距離不超過４０ｍｍ，一般選用電磁耦合方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。由于體內(nèi)植入裝置的能量供應(yīng)受限制，為了延長其使用壽命，需要系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時的功耗盡量低。據(jù)此，本文設(shè)計了一種采用脈沖位置調(diào)制（ＰＰＭ）的植入式裝置遙測技術(shù)，包括控制單元、耦合單元、發(fā)射預(yù)處理單元和接收預(yù)處理單元。在發(fā)送數(shù)據(jù)時平均功耗很低，且電路簡單可靠，可以減小裝置的體積。
１ 硬件設(shè)計思路
硬件電路是采用ＰＰＭ方式進(jìn)行遙測的物理基礎(chǔ)，由于當(dāng)前的植入式裝置一般都具有雙向通信功能。因此本文對體內(nèi)植入部分和體外程控器采用相同的遙測電路結(jié)構(gòu)，如圖１所示。
（１）控制單元
由于體內(nèi)植入部分對功耗、工作電壓、裝置體積及電路復(fù)雜度等因素的嚴(yán)格要求，所以采用靜態(tài)功耗少、電壓低、功能多、體積小的單片機進(jìn)行控制。采用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的脈沖位置調(diào)制和解調(diào)過程。
（２）數(shù)據(jù)發(fā)射單元
來自控制單元的數(shù)據(jù)信號，驅(qū)動能力很弱，無法直接驅(qū)動耦合回路將數(shù)據(jù)發(fā)射出去。采用ＭＯＳ開關(guān)作為中間級，用來自控制單元的數(shù)據(jù)信號控制ＭＯＳ開關(guān)的開啟和閉合，驅(qū)動耦合單元發(fā)射瞬間的高壓脈沖。
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（３）數(shù)據(jù)接收單元
接收端接收到的信號由發(fā)射端天線的反沖電壓耦合到接收端天線上形成，具有衰減的振蕩拖尾。通過接收單元，把有衰減振蕩的脈沖波形變換成標(biāo)準(zhǔn)的方波信號，使控制單元能夠直接處理。
（４）耦合單元
脈沖信號的發(fā)射和接收效果與耦合單元性能有關(guān)，本文采用優(yōu)化的空心短圓柱線圈作為天線。
２ 工作原理
（１）模式切換
如圖１所示，開關(guān)Ｐ是Ｐ溝道ＭＯＳＦＥＴ，其柵極Ｇ由ＭＣＵ控制。當(dāng)柵極Ｇ被設(shè)置為低電平時，開關(guān)Ｐ導(dǎo)通，此時電路工作在數(shù)據(jù)脈沖的發(fā)射模式；當(dāng)柵極Ｇ被設(shè)置為高電平時，開關(guān)Ｐ關(guān)斷，這時電路工作在數(shù)據(jù)脈沖的接收模式。
（２）脈沖的發(fā)射
不同于電路比較復(fù)雜的諧振回路發(fā)射信號，本文中數(shù)據(jù)信號的發(fā)射基于電感升壓原理：當(dāng)發(fā)送端的開關(guān)Ｎ（Ｎ溝道ＭＯＳＦＥＴ）導(dǎo)通時，電流流經(jīng)線圈Ｌ１，電磁能量儲存在線圈Ｌ１中；當(dāng)Ｎ關(guān)斷時，回路截止，線圈Ｌ１感應(yīng)出瞬間的高壓窄脈沖，緊接著是衰減的振蕩拖尾信號，其中高壓窄脈沖被用作ＰＰＭ信號。接收端通過電磁耦合方式接收信號。
開關(guān)Ｎ關(guān)斷時線圈上產(chǎn)生自感電動勢（即反沖電壓）ε＝－Ｌ，而ｄｔ是Ｎ由導(dǎo)通到閉合的轉(zhuǎn)換時間，Ｎ確定則ｄｔ為定值，同時線圈固定則Ｌ也為定值，因此當(dāng)Ｎ導(dǎo)通時電流Ｉ越大則Ｎ關(guān)斷瞬間產(chǎn)生的反沖電壓就越大。另一方面，要求脈沖發(fā)射時能耗盡量少，因此Ｎ的導(dǎo)通時間設(shè)置為使Ｉ接近飽和。為了便于觀察，在回路中串接阻值小的電阻Ｒ２，如圖１所示。當(dāng)Ｎ導(dǎo)通時，根據(jù)Ｒ２上測得的電壓波形，就可以方便地看到Ｉ是否接近飽和，從而優(yōu)化Ｎ的導(dǎo)通時間。
（３）脈沖的接收
耦合到接收端線圈Ｌ１的脈沖信號經(jīng)過隔直電容Ｃ４，直流分量被濾掉，有用的信號（頻率）分量傳送到脈沖判別和脈寬延展電路。
運放Ａ１和電阻Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７，以及電容Ｃ２、Ｃ３組成脈沖判別和脈寬延展電路：其中Ｃ２起濾波作用，使接收到的脈沖信號振蕩減弱。可變電阻Ｒ７用來調(diào)節(jié)門限。運放Ａ１平時輸出為高電平，當(dāng)Ａ１反相輸入端接收到脈沖幅度大于門限時，輸出反轉(zhuǎn)，變?yōu)榈碗娖�。電容Ｃ３起正反饋作用，延展�?fù)脈沖寬度，以使單片機能夠識別處理。延展后的負(fù)脈沖作為外部中斷觸發(fā)單片機，請求響應(yīng)。
（４）電源的穩(wěn)定
如圖１所示，ＶＤＤ是裝置的直流電源電壓。為了能在線圈Ｌ１發(fā)射數(shù)據(jù)信號時提供足夠能量，并且不使電源受到數(shù)據(jù)發(fā)射時電感上感應(yīng)電動勢的波動影響，由電阻Ｒ１和電容Ｃ１組成去耦電路。數(shù)據(jù)發(fā)射周期Ｔ必須大于時間常數(shù)τ１＝Ｒ１·Ｃ１，一般要求滿足Ｔ＞?３～５）·τ１。
在做植入式裝置遙測實驗時，通過ＭＣＵ控制電阻Ｒ８與發(fā)光二極管ＬＥＤ組成的指示電路，可以直觀地了解通信狀況。
３ 軟件設(shè)計
本文研究植入式裝置的數(shù)據(jù)遙測，綜合考慮信息傳輸速率和平均功率消耗等因素，采用４－ＰＰＭ方式。即每兩位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號調(diào)制成一個４－ＰＰＭ（四進(jìn)制）信號。數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)，以及４－ＰＰＭ信號以幀格式發(fā)送和接收都由軟件控制。
定義傳輸一個４－ＰＰＭ信號的基本時間單位為一幀（ｆｒａｍｅ），如圖２所示，Ａ～Ｆ構(gòu)成一幀。把一幀的持續(xù)時間平均分成８份，每一小份時間段代表一個時隙（ｓｌｏｔ），則一幀由ｓｌｏｔ０～ｓｌｏｔ７組成。每一幀里的８個時隙組成４個固定的時區(qū)，在每一個時區(qū)內(nèi)包括一定的變化脈沖位置：
（１）第一個固定時區(qū)由時隙ｓｌｏｔ０和ｓｌｏｔ１組成，如圖２中的Ａ、Ｂ。在每一幀里的預(yù)定脈沖位置產(chǎn)生一個幀同步信號，從而使接收端確定這是一幀的開始，使幀同步。幀同步信號位于每一幀的第一個固定時區(qū)內(nèi)，而且是唯一的同步信號。如圖２所示，幀起始由脈沖Ｐ１確定，它所在的時隙則定義為ｓｌｏｔ０，幀同步脈沖Ｐ２位于幀的第一個固定時區(qū)內(nèi)的固定位置--時隙ｓｌｏｔ１。當(dāng)接收端在接收到Ｐ１之后（設(shè)為ｓｌｏｔ０），若接著在ｓｌｏｔ１接收到Ｐ２，則可以確定正在接收一幀，即發(fā)送端和接收端之間實現(xiàn)幀同步。
（２）第二個固定時區(qū)由時隙ｓｌｏｔ２組成，如圖２中Ｃ。這個時區(qū)是一個保護(hù)帶，因為保護(hù)帶的存在，使幀同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖在一起不會被當(dāng)作新的幀同步脈沖，從而唯一地確定一幀，防止數(shù)據(jù)交迭。
（３）第三個固定時區(qū)由時隙ｓｌｏｔ３～ｓｌｏｔ６組成，圖２中的Ｃ～Ｅ區(qū)間。在這個時區(qū)內(nèi)的脈沖位置產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)量值信號，表示被發(fā)送信息的數(shù)值，４個時隙唯一地表示兩位二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息：ｓｌｏｔ３表示“００”，ｓｌｏｔ４表示“０１”，ｓｌｏｔ５表示“１０”，ｓｌｏｔ６表示“１１”。例如，圖２中的數(shù)據(jù)脈沖Ｐ３，它位于時隙ｓｌｏｔ４，因此表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)是“０１”。
（４）第四個固定時區(qū)由時隙ｓｌｏｔ７組成? 如圖２中的Ｆ。這個時區(qū)也是一個保護(hù)帶。Ｓｌｏｔ７標(biāo)志這一幀數(shù)據(jù)結(jié)束，從ｓｌｏｔ８（０）（即ｓｌｏｔ７之后的一個時隙）起，將開始另一幀數(shù)據(jù)信號，ｓｌｏｔ８也就是下一幀的時隙ｓｌｏｔ０。
本文介紹了一種采用低功耗脈沖位置調(diào)制方式的植入式裝置遙測技術(shù)，設(shè)計了系統(tǒng)軟、硬件。脈沖發(fā)射采用電感升壓的原理，電路比較簡單，且發(fā)送脈沖在時間上有尖銳的定位，能較好地抑制噪聲干擾，提高了裝置遙測可靠性。數(shù)據(jù)傳送的幀格式能夠方便地實現(xiàn)幀同步。適用于需要近距離低功耗遙測的系統(tǒng)，如各種遙測數(shù)據(jù)量不大的植入式裝置。
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