王云光，鮑明澤，范 煦，章宏旭，巫熹子

(1.上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院，上海200093;2.上海醫(yī)療器械高等專科學(xué)校，上海200093)

0 引 言

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不僅是藥物開發(fā)必經(jīng)的過程，也是研究人體生理、病理、藥理的重要工具［1］。植入式無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小動(dòng)物的各項(xiàng)生理參數(shù)。植入部分可直接埋植于小動(dòng)物體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了生命體無拘束自然狀態(tài)下的、體內(nèi)的直接測(cè)量和控制。用這種方式得到的信號(hào)干擾少、質(zhì)量高，且被測(cè)動(dòng)物可以自由活動(dòng)，適合進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)［2］。

20 世紀(jì)80 年代，用于動(dòng)物模型研究的植入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)開始出現(xiàn)［1］。在過去的30 多年當(dāng)中，植入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，從單純的測(cè)量生理參數(shù)到完成基本的診斷和治療某些疾病的功能，甚至代替某些功能也已喪失的器官［2］。本文主要介紹一種針對(duì)小動(dòng)物心電和體溫信號(hào)檢測(cè)的植入式無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 檢測(cè)原理

植入式小動(dòng)物無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩部分組成:體內(nèi)植入式模塊和體外接收模塊，如圖1 所示。體內(nèi)部分是直接植入到小動(dòng)物體內(nèi)的，傳感器用于采集小動(dòng)物的心電和體溫信號(hào)，調(diào)理電路將采集到的生理信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理，脈沖位置調(diào)制(pulse position modulation，PPM)將處理后的生理信號(hào)進(jìn)行調(diào)制編碼，最后發(fā)射電路將調(diào)制后的信號(hào)發(fā)射出去。整個(gè)體內(nèi)部分由紐扣電池供電。體外部分一般置于小動(dòng)物籠子周圍，接收電路用于接收體內(nèi)部分發(fā)射出來的信號(hào)，調(diào)理電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、檢波等處理，調(diào)理好的信號(hào)一路直接輸入單片機(jī)，即是采集到的小動(dòng)物的各項(xiàng)生理參數(shù);另外一路通過活動(dòng)度檢測(cè)電路后再輸入單片機(jī)，活動(dòng)度檢測(cè)電路可以檢測(cè)小動(dòng)物在籠子內(nèi)的活動(dòng)量。

2 植入式模塊設(shè)計(jì)

植入式模塊是通過手術(shù)直接埋植于小動(dòng)物腹腔或皮下，術(shù)后要求小動(dòng)物能自由活動(dòng)，因此，植入式模塊的設(shè)計(jì)要滿足以下四方面的要求:a.體積小，不能超過動(dòng)物體積的1 0%，且越小越好;b.功耗低，以延長(zhǎng)使用壽命，減少二次手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)［3］;c.發(fā)射距離遠(yuǎn)，術(shù)后動(dòng)物是在籠子內(nèi)自由活動(dòng)的，因此，發(fā)射距離必須能覆蓋整個(gè)籠子;d.生物相容性好，避免動(dòng)物術(shù)后產(chǎn)生排異反應(yīng)、炎癥。

圖1 植入式無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of implantable wireless monitoring system

植入式小動(dòng)物無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的供電方式主要有2 種:射頻無線供電和電池供電。射頻無線供電即通過體外與體內(nèi)2 個(gè)線圈之間的電磁耦合輸送電能［4］。但這種供電方式需要在植入式部分中設(shè)計(jì)復(fù)雜的接收電路，增加了植入式部分的體積，且在能量傳輸期間無法監(jiān)測(cè)小動(dòng)物生理參數(shù)。電池供電時(shí)直接采用紐扣電池給植入式部分供電，這種供電方式簡(jiǎn)單易行，但要合理的設(shè)計(jì)電路，選用低功耗的元器件以達(dá)到低功耗的要求。

植入式無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般選用數(shù)字調(diào)制方式，幅度鍵控(amplitude shift keying，ASK)調(diào)制是比較常用的數(shù)字調(diào)制方式，其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單［5］，但功耗太大，不能滿足本文要求。為了進(jìn)一步降低功耗，本文選用PPM 方式。PPM 方式既能滿足功耗要求又能滿足發(fā)射距離要求。

2.1 總體結(jié)構(gòu)

植入式模塊的總體設(shè)計(jì)如圖2 所示。心電電極/溫度傳感器將信號(hào)輸入系統(tǒng);調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理;PPM 電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、編碼;最后心電采集電路、溫度采集電路、PPM 電路經(jīng)線或后由發(fā)射電路發(fā)出。

圖2 植入式部分框圖Fig 2 Block diagram of the implantable part

2.2 PPM 原理

PPM 原理如圖3 所示。標(biāo)準(zhǔn)脈沖發(fā)生模塊用比較器A和放大器組成一個(gè)頻率為250 Hz 的標(biāo)準(zhǔn)方波-三角波發(fā)生器，方波作為PPM 的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，三角波作為比較信號(hào)輸入到比較器B 的負(fù)輸入端。有效信號(hào)部分中，心電/體溫信號(hào)經(jīng)過調(diào)理后輸入到比較器B 的正輸入端。比較器B 將輸出經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)方波調(diào)制后的有效方波，有效方波上升沿與標(biāo)準(zhǔn)方波上升沿的時(shí)間差(t1，t2，t3，…)代表了信號(hào)的強(qiáng)度。有效方波和標(biāo)準(zhǔn)方波經(jīng)過線或后由發(fā)射電路發(fā)出，接收電路對(duì)此信號(hào)進(jìn)行反向編碼即可得到被測(cè)生理信號(hào)的實(shí)時(shí)波形。

圖3 PPM 原理Fig 3 PPM principle

2.3 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

發(fā)射電路如圖4 所示，采用E 類功率放大電路。由于小動(dòng)物生理信號(hào)的頻率較低，不適合直接進(jìn)行無線傳輸，因此，本文選用500 kHz 作為發(fā)射頻率。由公式(1)可知，只要適當(dāng)選擇LC 的參數(shù)即可達(dá)到要求

方波信號(hào)經(jīng)過C1，R1微分電路后變?yōu)檎?fù)脈沖信號(hào)，二極管將負(fù)脈沖信號(hào)截止，正向脈沖經(jīng)過三極管放大后產(chǎn)生很多頻率的信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)發(fā)射電感線圈和C2組成的LC 并聯(lián)回路后選出500 kHz 的信號(hào)發(fā)射出去。標(biāo)準(zhǔn)方波和有效方波是經(jīng)線或后輸入到發(fā)射電路的，因此，只要有一個(gè)上升沿，發(fā)射電路就會(huì)發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)。

圖4 發(fā)射電路Fig 4 Transmission circuit

3 體外接收模塊設(shè)計(jì)

體外接收模塊的系統(tǒng)框圖如圖5 所示。接收線圈用于接收射頻信號(hào);檢波電路將接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、包絡(luò)檢測(cè)等處理;OPA 放大電路將檢出的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行放大后傳送給單片機(jī);自動(dòng)增益控制(automatic gain control ，AGC)電路使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度的變化而調(diào)整，使單片機(jī)接收到的信號(hào)不隨信號(hào)強(qiáng)度的變化而大幅變化;活動(dòng)度檢測(cè)電路用于監(jiān)測(cè)小動(dòng)物的活動(dòng)量;單片機(jī)將接收到的包絡(luò)信號(hào)進(jìn)行反編碼，同時(shí)記錄小動(dòng)物的活動(dòng)情況。

圖5 體外接收部分原理圖Fig 5 Principle diagram of in vitro receiving part

3.1 接收電路設(shè)計(jì)

體外接收模塊通常安放在籠子周圍，以均勻接收發(fā)射信號(hào)為原則［3］，因此，體外接收模塊中接收電路的設(shè)計(jì)尤為重要。

本文設(shè)計(jì)的體內(nèi)模塊只用來發(fā)射生理信號(hào)，不受體外模塊程控，因此，體內(nèi)發(fā)射線圈選用空心電感線圈;體外模塊主要用于接收信號(hào)，選用磁芯電感線圈。

圖6 為系統(tǒng)諧振電磁耦合電路模型，圖中L1，L2分別為發(fā)射、接收線圈自感;C1，C2分別為發(fā)射、接收調(diào)諧電容;R1為包括發(fā)射線圈繞組、發(fā)射電路的電阻;R2為接收線圈繞組;RL為等效負(fù)載電阻。為了簡(jiǎn)化分析過程，采用正弦激勵(lì)源V1代替實(shí)際采用的方波激勵(lì)源進(jìn)行分析。以此電路模型來驗(yàn)證通信距離與耦合面積、諧振頻率之間的關(guān)系。

圖6 系統(tǒng)電磁耦合電路模型Fig 6 Model of electromagnetic coupling circuit of system

圖7 中方案一為在發(fā)射頻率、信號(hào)強(qiáng)度相同的條件下，發(fā)射線圈軸心與接收線圈軸芯置于同一直線上，發(fā)射線圈以30°為步進(jìn)角順時(shí)針自轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量接收信號(hào)下降至20 mV時(shí)的通信距離;方案二為在發(fā)射頻率、信號(hào)強(qiáng)度相同的條件下，發(fā)射線圈軸心與接收線圈軸心平行，發(fā)射線圈以30°為步進(jìn)角順時(shí)針繞接收線圈中心旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量接收信號(hào)下降至20 mV 時(shí)的通信距離;方案三為在發(fā)射頻率、信號(hào)強(qiáng)度相同的條件下，發(fā)射線圈軸心與接收線圈軸心呈60°，發(fā)射線圈以30°為步進(jìn)角順時(shí)針自轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量接收信號(hào)下降至20 mV時(shí)的通信距離。由圖7 分析可知，當(dāng)發(fā)射頻率、信號(hào)強(qiáng)度等其他條件不變時(shí)，接收線圈和發(fā)射線圈的耦合面積越大有效通信距離就越遠(yuǎn)。

在天線尺寸、發(fā)射強(qiáng)度、耦合面積等條件都不變的情況下，在不同諧振頻率下測(cè)試結(jié)果如表1 所示。表1 的結(jié)果表明采用發(fā)射電路和接收電路諧振頻率接近的方法可明顯提高通信距離。

圖7 通信距離與耦合面積關(guān)系Fig 7 Relation between communication distance and coupling area

表1 諧振頻率與通信距離的關(guān)系Tab 1 Relation between resonant frequency and communication distance

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，本文最終選用磁芯電感線圈作為接收線圈。為了使小動(dòng)物在籠內(nèi)各個(gè)部位時(shí)都能得到較強(qiáng)的信號(hào)，本文將2 個(gè)磁芯電感線圈設(shè)計(jì)成“T”型擺放在籠子底部中央，有效地增加了不同位置處的耦合面積。2 路接收線圈接收到的信號(hào)疊加后再進(jìn)行后續(xù)處理。

3.2 其他電路設(shè)計(jì)

檢波電路選用ZN414Z 芯片來進(jìn)行包絡(luò)檢測(cè);放大器選用OPA491;單片機(jī)選用C8051F040，它可直接采集方波脈沖的上升沿。自動(dòng)增益控制(AGC)電路是通過一個(gè)正向?qū)ǖ碾妷焊S器將放大器(OPA)放大后的直流分量截取出來再反饋給OPA 來實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，AGC 截取的直流分量經(jīng)過活動(dòng)度檢測(cè)電路后傳送給單片機(jī)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波來模擬小動(dòng)物的心電信號(hào):輸入信號(hào)幅度為0.2 mV，頻率為180 次/min(3 Hz)。信號(hào)由植入式模塊發(fā)射，體外接收模塊接收到信號(hào)并做相應(yīng)處理后得到如圖8 所示結(jié)果。結(jié)果證明系統(tǒng)能夠較好地監(jiān)測(cè)正弦信號(hào)。

對(duì)溫度信號(hào)的驗(yàn)證方法如下:將溫度傳感器置入不同溫度的水中，可以看到輸出信號(hào)有明顯的變化，由此可驗(yàn)證系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)溫度信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

圖8 模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig 8 Datas of simulation experiment

本文介紹了一種針對(duì)小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的植入式無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，植入式模塊采用模擬電路和電池供電大大地降低了系統(tǒng)的體積和功耗，體外接收模塊采用模擬電路作為接收電路明顯提高了有效通信距離。通過模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠進(jìn)行心電和溫度監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)目前只進(jìn)行了模擬驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，還需進(jìn)行實(shí)際的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來充分驗(yàn)證其可行性。參考文獻(xiàn):

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