小動物監(jiān)測的植入式低功耗無線系統(tǒng)研究

陳衛(wèi)紅，楊益民，葉樹明

（浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程及儀器科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310027）

0 引言

動物模型是研究人體生理、病理、藥理的常用工具［1］。植入式無線監(jiān)測系統(tǒng)是研究動物模型的常用方法。植入式系統(tǒng)植入到動物體內(nèi)工作，通過無線方式傳輸數(shù)據(jù)，不限制被測者活動，因此，可獲得被測者更自然狀態(tài)下的數(shù)據(jù)［2］。通過對特定生理參數(shù)長期監(jiān)測，可以為器官建模、病理和藥理研究提供有效的參考。

20世紀(jì)80年代，植入式電子學(xué)的概念已被提出［2］。經(jīng)過30多年的發(fā)展，有大量研究文獻(xiàn)報道了該領(lǐng)域的發(fā)展情況，也有文獻(xiàn)詳細(xì)介紹過該領(lǐng)域的各種典型系統(tǒng)模型［3］。本文針對小動物監(jiān)測植入式系統(tǒng)設(shè)計的難點(diǎn)展開，在分析了系統(tǒng)使用環(huán)境要求和相關(guān)研究情況后，提出了用模擬電路實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制方式和四路信號分時復(fù)用發(fā)射部分的設(shè)計方案。該方案解決了功耗和體積的矛盾，且通過模擬心電信號和大鼠體外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

植入式無線系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示，系統(tǒng)包括體內(nèi)植入式模塊（工作在動物體內(nèi)），體外接收模塊（通常放在動物生活環(huán)境附近）和PC（personal computer）機(jī)。體內(nèi)模塊采集動物的生理信號，并對信號進(jìn)行調(diào)理、調(diào)制和發(fā)射;體外接收部分接收無線信號，并對其進(jìn)行解調(diào)、調(diào)理、采樣以及與PC通信。PC機(jī)通過程序分析信號特征、顯示信號波形等。該系統(tǒng)中，體內(nèi)部分是整個系統(tǒng)的核心部件，其目標(biāo)是小體積，長使用壽命，且不影響被測者正常生理活動［3］。體外部分設(shè)計思路很大程度上依賴體內(nèi)部分，因此，體內(nèi)部分的設(shè)計尤為重要。

圖1 植入式無線系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of implantable wireless system

1.1 方案選擇

該系統(tǒng)的設(shè)計有2個關(guān)鍵問題:體積和功耗需要滿足嚴(yán)格限制。植入部分通常工作在動物腹腔或皮下，體積不能超過動物體積的1/10，且越小越好。植入式系統(tǒng)通常需要長期監(jiān)測動物的生理參數(shù)，因此，系統(tǒng)功耗需要很低以延長使用壽命，減少二次手術(shù)風(fēng)險。本系統(tǒng)主要針對大鼠和更小動物設(shè)計，成年大鼠體重一般為250～280 g，分析知植入部分體積不能大于5 cm3。植入式系統(tǒng)使用壽命通常要在2個月以上或更久。

目前用于動物監(jiān)測的植入式無線系統(tǒng)主要采用數(shù)字方案實(shí)現(xiàn)植入部分設(shè)計，但功耗較大［4～6］，不能滿足使用壽命的要求。國內(nèi)學(xué)者采用ASK—PPM或微控制器實(shí)現(xiàn)PPM調(diào)制［7］，降低了系統(tǒng)功耗，但體積較大，不能用于大鼠和小鼠等小型動物監(jiān)測。

植入式無線系統(tǒng)常用供電方式有2種:RF供電和電池供電。采用RF供電，需要在植入部分設(shè)計接收線圈，增加了植入電路的復(fù)雜性，且受接收線圈和發(fā)射線圈耦合方向性影響較大，有采用此方案的系統(tǒng)，在充電期間不能工作，影響了系統(tǒng)性能［8］。電池供電系統(tǒng)設(shè)計簡單，但對電池使用壽命有嚴(yán)格要求。大容量、小體積電池是選擇的目標(biāo)。本文介紹的系統(tǒng)使用兩節(jié)鈕扣電池供電，借鑒PPM調(diào)制原理，使用模擬電路靈活設(shè)計，通過電路參數(shù)優(yōu)化、發(fā)射電路分時復(fù)用設(shè)計，降低了系統(tǒng)功耗和體積，實(shí)現(xiàn)了多通道多參數(shù)監(jiān)測。

1.2 植入模塊設(shè)計

1.2.1 電路設(shè)計

植入模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它工作在動物體內(nèi)或皮下，必須滿足體積、使用壽命和使用環(huán)境限制，圖2是植入部分的縮略圖。

圖2 植入部分略圖Fig 2 Sketch of the implantable part

植入部分工作原理:傳感器/電極模塊將信號輸入系統(tǒng);信號調(diào)理模塊對信號進(jìn)行濾波、放大等處理;調(diào)制/編碼部分對信號進(jìn)行PPM調(diào)制、編碼;發(fā)射天線將編碼后信號調(diào)制到可以發(fā)射的頻率發(fā)射出去。植入部分電路實(shí)現(xiàn)（圖3給出了單路信號監(jiān)測電路示意圖）:用放大器和比較器設(shè)計250Hz方波—三角波發(fā)生電路，方波作為PPM調(diào)制的標(biāo)準(zhǔn)信號，三角波作為參考輸入比較器?一端，將經(jīng)過調(diào)理的生理信號（心電、體溫或者血壓，頻率在5 Hz以內(nèi)）輸入比較器?的另一端，比較器?的輸出結(jié)果作為有效方波信號，其與標(biāo)準(zhǔn)方波信號上升沿的時間間隔（t1，t2，t3…）代表了信號的強(qiáng)度，對此時間變化作圖，可生成被測生理信號的實(shí)時波形。比較器產(chǎn)生的方波上升沿打開發(fā)射電路開關(guān)，之后發(fā)射電路產(chǎn)生一個自衰減的振蕩波（中心頻率500 kHz）并通過天線發(fā)射出去。直到下一個方波上升沿到來，再次開啟振蕩和發(fā)射電路。此設(shè)計方案使發(fā)射電路多數(shù)時間處于關(guān)閉狀態(tài)，有效降低了功耗。

圖3 植入模塊電路略圖Fig 3 Sketch of circuit for implantable module

本文設(shè)計的系統(tǒng)最多可同時監(jiān)測三路生理參數(shù)，增加信號通道數(shù)則只需增加有效信號部分電路。理論上可監(jiān)測更多通道的參數(shù)（通過給圖3中比較器不同參考電壓，可控制比較器翻轉(zhuǎn)的時間點(diǎn)），但受后端發(fā)射電路限制，當(dāng)2個方波信號上升沿時間間隔過小（小于開關(guān)電路反應(yīng)時間），將導(dǎo)致檢波分辨脈沖難度增大，或2個發(fā)射波疊在一起，丟失有效信號。

植入模塊的溫度傳感器采用美信公司MAX6605溫度芯片采集溫度參數(shù)，心電電極線采用普通銀導(dǎo)線暫時模擬。植入手術(shù)中的心電電極線需要特殊設(shè)計。

1.2.2 植入模塊 PCB設(shè)計

受植入模塊體積限制，PCB電路板體積嚴(yán)格受限。設(shè)計中先采用0805封裝的電阻器、電容器以及SC70，SOT23封裝的放大器、比較器設(shè)計單塊雙層板作為測試板，驗(yàn)證系統(tǒng)性能。而植入動物體內(nèi)的植入模塊則采用相同參數(shù)0402封裝電阻器、電容器和QFN封裝系列的相同芯片進(jìn)行。單路心電檢測小系統(tǒng)PCB布板后體積僅為Φ12 mm×0.6 mm，單塊，雙面四層板;多路信號監(jiān)測系統(tǒng)將采用合理分割設(shè)計為兩塊或三塊雙面四層板（圓形或方形）實(shí)現(xiàn)電路布局，經(jīng)過復(fù)雜工藝封裝后均可用于大鼠、小鼠等小動物實(shí)驗(yàn)。

1.3 接收模塊設(shè)計

接收模塊縮略圖如圖4所示。

圖4 接收模塊略圖Fig 4 Sketch of the receiving module

接收模塊設(shè)計思路由發(fā)射模塊決定，接收模塊通常放在動物籠子周圍，以均勻接收發(fā)射信號為原則。通常是籠子底部中心位置。此模塊由兩部分組成:模擬電路部分和數(shù)字電路部分。模擬電路部分由天線、信號調(diào)理電路、檢波芯片、整形電路組成。其中天線中心頻率設(shè)定為500kHz（與發(fā)射頻率匹配），信號調(diào)理電路將天線接收到的信號進(jìn)行放大、濾波等處理，檢波芯片檢出發(fā)射脈沖的包絡(luò)線，整形電路將包絡(luò)線還原為方波。數(shù)字電路部分主要由C8051F040微控制器完成，主要功能為:將檢出的方波信號輸入微控制器的可編程計數(shù)器陣列（programmable counter array，PCA）模塊，PCA設(shè)定為上升沿觸發(fā)方式，將采集到方波上升沿的時間序列依次記錄并由串口傳輸給上位機(jī)處理;AD采樣模塊用來監(jiān)測天線接收信號強(qiáng)度變化，通過兩路天線接收信號強(qiáng)度變化情況，使用定位算法可判斷動物的活動狀態(tài)。

接收天線采用T型天線設(shè)計，每根天線的信號做相同處理后疊加在一起，由后續(xù)電路作相應(yīng)處理。此設(shè)計有效改善了單根天線接收方向性問題，拓展了接收范圍。將此天線置于大鼠籠子底部，可以較均勻接收來自各個方向的發(fā)射信號。

1.4 PC 端處理

PC端完成與C8051F040處理器通信以及對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理工作。PC端程序使用Visual C++編寫，通過串口與下位機(jī)通信，通信波特率與C8051F040發(fā)送波特率一致。串口通信中，發(fā)送數(shù)據(jù)包格式固定，通過增加頭標(biāo)志和尾標(biāo)志，降低了通信誤碼率。該程序通過模板匹配可自動識別標(biāo)準(zhǔn)方波信號的起始時間點(diǎn)，能自動識別被測生理信號的通道數(shù)目，并通過算法對各通道數(shù)據(jù)分類處理，并將信號波形顯示在程序界面不同位置。該程序可對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時保存，并根據(jù)需要回放。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)使用美國Fluke公司的心電信號發(fā)生器MPS450模擬大鼠心電信號，經(jīng)過系統(tǒng)處理后得到信號如圖5（a）所示。圖5（a）中，模擬輸入的心電信號頻率為300次/min，幅度為0.2 mV，較好地模擬了大鼠心電頻率和幅度。對溫度信號的驗(yàn)證采用如下辦法:通過熱吹風(fēng)給植入部分加熱，可看出溫度信號的明顯變化，由此驗(yàn)證了系統(tǒng)監(jiān)測溫度信號的有效性。使用該系統(tǒng)對麻醉狀態(tài)下大鼠進(jìn)行體外監(jiān)測，將心電電極線從大鼠體內(nèi)引出，接入該系統(tǒng)進(jìn)行處理，也得到了較好的心電信號圖5（b）。改變大鼠測量位點(diǎn)可得到不同形態(tài)的心電波形。

圖5 MPS450模擬和大鼠體外實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig 5 Simulated experimental data of MPS450 and in vitro experimental data of rat

3 結(jié)論

本文介紹了用于小動物實(shí)驗(yàn)的植入式微系統(tǒng)研究情況。通過靈活的電路設(shè)計，大大降低了植入模塊的體積和功耗。實(shí)測證實(shí)，該系統(tǒng)功耗滿足長期監(jiān)測要求。心電模擬信號和大鼠體外監(jiān)測實(shí)驗(yàn)表明:該系統(tǒng)可用于監(jiān)測心電、溫度信號，并能正確反映這些生理信號的變化情況。

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