小动物监测的植入式低功耗无线系统研究

陈卫红，杨益民，叶树明

（浙江大学生物医学工程及仪器科学学院，浙江杭州 310027）

0 引言

动物模型是研究人体生理、病理、药理的常用工具［1］。植入式无线监测系统是研究动物模型的常用方法。植入式系统植入到动物体内工作，通过无线方式传输数据，不限制被测者活动，因此，可获得被测者更自然状态下的数据［2］。通过对特定生理参数长期监测，可以为器官建模、病理和药理研究提供有效的参考。

20世纪80年代，植入式电子学的概念已被提出［2］。经过30多年的发展，有大量研究文献报道了该领域的发展情况，也有文献详细介绍过该领域的各种典型系统模型［3］。本文针对小动物监测植入式系统设计的难点展开，在分析了系统使用环境要求和相关研究情况后，提出了用模拟电路实现PPM调制方式和四路信号分时复用发射部分的设计方案。该方案解决了功耗和体积的矛盾，且通过模拟心电信号和大鼠体外实验验证了系统的性能。

1 系统设计

植入式无线系统的整体框图如图1所示，系统包括体内植入式模块（工作在动物体内），体外接收模块（通常放在动物生活环境附近）和PC（personal computer）机。体内模块采集动物的生理信号，并对信号进行调理、调制和发射;体外接收部分接收无线信号，并对其进行解调、调理、采样以及与PC通信。PC机通过程序分析信号特征、显示信号波形等。该系统中，体内部分是整个系统的核心部件，其目标是小体积，长使用寿命，且不影响被测者正常生理活动［3］。体外部分设计思路很大程度上依赖体内部分，因此，体内部分的设计尤为重要。

图1 植入式无线系统框图Fig 1 Block diagram of implantable wireless system

1.1 方案选择

该系统的设计有2个关键问题:体积和功耗需要满足严格限制。植入部分通常工作在动物腹腔或皮下，体积不能超过动物体积的1/10，且越小越好。植入式系统通常需要长期监测动物的生理参数，因此，系统功耗需要很低以延长使用寿命，减少二次手术风险。本系统主要针对大鼠和更小动物设计，成年大鼠体重一般为250～280 g，分析知植入部分体积不能大于5 cm3。植入式系统使用寿命通常要在2个月以上或更久。

目前用于动物监测的植入式无线系统主要采用数字方案实现植入部分设计，但功耗较大［4～6］，不能满足使用寿命的要求。国内学者采用ASK—PPM或微控制器实现PPM调制［7］，降低了系统功耗，但体积较大，不能用于大鼠和小鼠等小型动物监测。

植入式无线系统常用供电方式有2种:RF供电和电池供电。采用RF供电，需要在植入部分设计接收线圈，增加了植入电路的复杂性，且受接收线圈和发射线圈耦合方向性影响较大，有采用此方案的系统，在充电期间不能工作，影响了系统性能［8］。电池供电系统设计简单，但对电池使用寿命有严格要求。大容量、小体积电池是选择的目标。本文介绍的系统使用两节钮扣电池供电，借鉴PPM调制原理，使用模拟电路灵活设计，通过电路参数优化、发射电路分时复用设计，降低了系统功耗和体积，实现了多通道多参数监测。

1.2 植入模块设计

1.2.1 电路设计

植入模块是系统的关键部分，它工作在动物体内或皮下，必须满足体积、使用寿命和使用环境限制，图2是植入部分的缩略图。

图2 植入部分略图Fig 2 Sketch of the implantable part

植入部分工作原理:传感器/电极模块将信号输入系统;信号调理模块对信号进行滤波、放大等处理;调制/编码部分对信号进行PPM调制、编码;发射天线将编码后信号调制到可以发射的频率发射出去。植入部分电路实现（图3给出了单路信号监测电路示意图）:用放大器和比较器设计250Hz方波—三角波发生电路，方波作为PPM调制的标准信号，三角波作为参考输入比较器❋一端，将经过调理的生理信号（心电、体温或者血压，频率在5 Hz以内）输入比较器❋的另一端，比较器❋的输出结果作为有效方波信号，其与标准方波信号上升沿的时间间隔（t1，t2，t3…）代表了信号的强度，对此时间变化作图，可生成被测生理信号的实时波形。比较器产生的方波上升沿打开发射电路开关，之后发射电路产生一个自衰减的振荡波（中心频率500 kHz）并通过天线发射出去。直到下一个方波上升沿到来，再次开启振荡和发射电路。此设计方案使发射电路多数时间处于关闭状态，有效降低了功耗。

图3 植入模块电路略图Fig 3 Sketch of circuit for implantable module

本文设计的系统最多可同时监测三路生理参数，增加信号通道数则只需增加有效信号部分电路。理论上可监测更多通道的参数（通过给图3中比较器不同参考电压，可控制比较器翻转的时间点），但受后端发射电路限制，当2个方波信号上升沿时间间隔过小（小于开关电路反应时间），将导致检波分辨脉冲难度增大，或2个发射波叠在一起，丢失有效信号。

植入模块的温度传感器采用美信公司MAX6605温度芯片采集温度参数，心电电极线采用普通银导线暂时模拟。植入手术中的心电电极线需要特殊设计。

1.2.2 植入模块 PCB设计

受植入模块体积限制，PCB电路板体积严格受限。设计中先采用0805封装的电阻器、电容器以及SC70，SOT23封装的放大器、比较器设计单块双层板作为测试板，验证系统性能。而植入动物体内的植入模块则采用相同参数0402封装电阻器、电容器和QFN封装系列的相同芯片进行。单路心电检测小系统PCB布板后体积仅为Φ12 mm×0.6 mm，单块，双面四层板;多路信号监测系统将采用合理分割设计为两块或三块双面四层板（圆形或方形）实现电路布局，经过复杂工艺封装后均可用于大鼠、小鼠等小动物实验。

1.3 接收模块设计

接收模块缩略图如图4所示。

图4 接收模块略图Fig 4 Sketch of the receiving module

接收模块设计思路由发射模块决定，接收模块通常放在动物笼子周围，以均匀接收发射信号为原则。通常是笼子底部中心位置。此模块由两部分组成:模拟电路部分和数字电路部分。模拟电路部分由天线、信号调理电路、检波芯片、整形电路组成。其中天线中心频率设定为500kHz（与发射频率匹配），信号调理电路将天线接收到的信号进行放大、滤波等处理，检波芯片检出发射脉冲的包络线，整形电路将包络线还原为方波。数字电路部分主要由C8051F040微控制器完成，主要功能为:将检出的方波信号输入微控制器的可编程计数器阵列（programmable counter array，PCA）模块，PCA设定为上升沿触发方式，将采集到方波上升沿的时间序列依次记录并由串口传输给上位机处理;AD采样模块用来监测天线接收信号强度变化，通过两路天线接收信号强度变化情况，使用定位算法可判断动物的活动状态。

接收天线采用T型天线设计，每根天线的信号做相同处理后叠加在一起，由后续电路作相应处理。此设计有效改善了单根天线接收方向性问题，拓展了接收范围。将此天线置于大鼠笼子底部，可以较均匀接收来自各个方向的发射信号。

1.4 PC 端处理

PC端完成与C8051F040处理器通信以及对接收数据进行处理工作。PC端程序使用Visual C++编写，通过串口与下位机通信，通信波特率与C8051F040发送波特率一致。串口通信中，发送数据包格式固定，通过增加头标志和尾标志，降低了通信误码率。该程序通过模板匹配可自动识别标准方波信号的起始时间点，能自动识别被测生理信号的通道数目，并通过算法对各通道数据分类处理，并将信号波形显示在程序界面不同位置。该程序可对数据进行实时保存，并根据需要回放。

2 实验结果

本系统使用美国Fluke公司的心电信号发生器MPS450模拟大鼠心电信号，经过系统处理后得到信号如图5（a）所示。图5（a）中，模拟输入的心电信号频率为300次/min，幅度为0.2 mV，较好地模拟了大鼠心电频率和幅度。对温度信号的验证采用如下办法:通过热吹风给植入部分加热，可看出温度信号的明显变化，由此验证了系统监测温度信号的有效性。使用该系统对麻醉状态下大鼠进行体外监测，将心电电极线从大鼠体内引出，接入该系统进行处理，也得到了较好的心电信号图5（b）。改变大鼠测量位点可得到不同形态的心电波形。

图5 MPS450模拟和大鼠体外实验数据Fig 5 Simulated experimental data of MPS450 and in vitro experimental data of rat

3 结论

本文介绍了用于小动物实验的植入式微系统研究情况。通过灵活的电路设计，大大降低了植入模块的体积和功耗。实测证实，该系统功耗满足长期监测要求。心电模拟信号和大鼠体外监测实验表明:该系统可用于监测心电、温度信号，并能正确反映这些生理信号的变化情况。

［1］Meindl J D，Ford A J.Implantable telemetry in biomedical research［J］.IEEE Transactions on Biomedical Engineering，1984，31（12）:817－823.

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［3］谢 翔，张 春，王志华.生物医学中的植入式电子系统的现状与发展［J］.电子学报，2004，32（3）:462 －467.

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［5］Cong Peng，Nattapon C，Ko W H et al.A wireless and batteryless 10 bit implantable blood pressure sensing microsystem with adaptive RF powering for real-time laboratory mice monitoring［J］.IEEE Journal of Solid-State Circuits，2009，44（12）:3631 －3644.

［6］Xu Wangren，Luo Zhenying，Sameer S.Fully digital BPSK demodulator and multilevel LSK back telemetry for biomedical implant transceivers［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems-I:Regular Papers，2009，56（9）:714 －718.

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［8］Budgett D M，Hu A P，Si Ping，et al.Novel technology for the provision of power to implantable physiological devices［J］.Journal of Applied Physiological，2007，102:1658 －1663.