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1、复旦大学 硕士学位论文 植入式装置与体外程控装置双向传输技术的研究 姓名：孙亚辉 申请学位级别：硕士 专业：生物医学工程 指导教师：孙友法 20040527 复A 大学硕士学位论文 摘 要 自1 9 5 2 年首次成功使用心脏起搏技术，至今已有五十年的历史。在这五十 年里，心脏起搏技术得到了很大的发展。1 9 5 8 年，埋藏式起搏器的问世，虽然 使起搏的应用范围大为扩展，但起搏器一经埋藏，便不能再改变其起搏参数， 带来临床应用的诸多不便， 特别是在病情发生变化( 如心衰或发生起搏综合症) 时，往往需要手术更换起搏器。因此，利用体外程控技术，无创伤地调节埋藏 起搏器工作状态，是人们的重点研究课
2、题。 而如何降低功耗，进一步延长起搏 器的使用寿命，来减少病人因电池耗尽而不得不更换起搏器的次数，从而更好 地为病人服务，这也是发展的一个方向。 本文在立足起搏程控遥测系统的基础上，对影响植入式装置程控遥测系统 的关键技术作了大量基础性的 研究工作。目 标是通过对双向 传输技术的 研究为 将来的实用化的起搏器程控遥测系统提供理论保证并设计测试试验平台和测试 评估系统的研究。 文章对于双向传输技术的研究是从线圈物理性质的研究开始的。通过以 基 于L S K原理建立的近藕合线圈的电路模型的研究和分析， 提出了线圈祸合系数 的测量与研究方法， 并针对隔离T i 壳的近祸合线圈得出了祸合电路能量传输的
3、 最低功率估计;随后，我们在参考了大量文献的基础上， 研究了现代双向 传输 技术实现的基本原理，对功放电 路、负载调制电路原理进行了 深入地研究， 并 设计了用于起搏器程控遥测装置的可调制的具有反馈环的E 类放大器以 及起搏 器植入部分的调制和解调电路;在对实际电路的调试过程中，遇到了大量的问 题， 诸如载波的选择、 数据编码方式、 能量传输方式等等， 我们选择了在2 7 0 k H z 作为电路传输的载波频率，以A S K / L S K为调制方式，并通过P C串口 和5 1 单 片机实现了非归零编码/ 曼彻斯特编码/ 脉冲宽度编码， 在此基础上作了大量的编 码抗千扰性试验，结合实测的数据比
4、较了双向传输中各种编码的抗干扰性能; 最后我们实现了与基于P I C单片机的S S I 起搏器的联调。所有测试数据都已 制 表作为附录加在文末。 关键词 程控遥测 C l a s s - E功率放大器 负载调制 L S K曼彻斯特编码 脉冲 宽度编码 复旦 大学硕十学位论文 A B S T R A C T I t h a s b e e n f i ft y y e a r s s i n c e t h e f i r s t p a c e m a k e r w as u s e d s u c c e s s f u l l y , d u r i n g t h e s e f i
5、f t y y e a r s , t h e t e c h n o l o g y o f p a c e m a k e r h a s a c h i e v e d h i g h d e v e l o p m e n t . I t s l o n g e v i t y a n d r e l i a b i l i t y a l s o d e v e l o p e d w i t h t h e t e c h n i c a l p r o g r e s s o f a ir p r o o f , e n e r g y a n d e l e c t r o n
6、 i c s . I n 1 9 5 8 , w it h t h e i m p l a n t a b l e p a c e m a k e r c o m e f o r t h , t h e t e c h n o l o g y o f p a c e m a k e r c o u l d b e u s e d i n m o r e f i e l d t h a n b e f o r e . B u t o n e i n c o n v e n i e n c e o f i m p l a n t a b l e p a c e m a k e r w a s t
7、h a t i f i t w a s i m p l a n t e d in b o d y , t h e p a c i n g p a r a m e t e r w o u l d n o t b e c h a n g e d a n y m o r e . O n c e a p a t i e n t s s t a t e o f a n i l l n e s s c h a n g e d , s u c h as h e a rt f a i l u r e o r p a c e m a k e r s y n d r o m e , t h e p a t i e
8、 n t h a d t o b e p e r f o r m e d a n o p e r a t io n t o c h a n g e a p a c e m a k e r . I t i s a n i m p o rt a n t s u b j e c t t o d e v e l o p p r o g r a m m a b l e p a c e m a k e r s o t h a t t h e p a c in g p a r a m e t e r c a n b e c h a n g e d w i t h o u t o p e r a t i o
9、n . A n d t h e p a c e m a k e r c a n s e n d o u t t h e p a r a m e t e r s o r d a t a s e n s e d b y l e a d s o f t h e s y s t e m f o r m e d i c a l r e s e a r c h . O n t h e o t h e r h a n d , a p a c e m a k e r n e e d s t o b e t a k e n o u t o f t h e b o d y o n l y w h e n t h
10、e b a tt e r y w a s e x h a u s t e d , s o h o w t o r e d u c e p o w e r c o n s u m i n g t o p r o l o n g p a c e m a k e r s l i f e i s a l s o a g o o d m e t h o d f o r p a t i e n t t o r e d u c e s u ff e r i n g . We h a v e f i n i s h e d a g r e a t d e a l o f b a s i s r e s e a
11、 r c h w o r k s a b o u t s e v e r a l k e y - t e c h o n p r o g r a m a n d t e l e m e t ry s y s t e m b a s e d o n P a c e m a k e r s y s t e m s . My t h e s i s s t a r g e t i s d e s i g n a m o r e d e p e n d a b l e , s a f e s y s t e m o f p r o g r a m m a b i l i t y a n d t e l
12、 e m e t r y . C h a p t e r 1 p r o v i d e s t h e b a c k g r o u n d a n d d e v e l o p m e n t h i s t o r y o f p a c e m a k e r . C h a p t e r 2 e x p la i n s t h e t h e o ry o f p r o g r a m m a b i l i t y a n d t e l e m e t ry s y s t e m , e s p e c i a l l y t h e L S K t h e o ry
13、. B a s e o n L S K t h e o ry , t h e m o d e l o f c o i l s t r a n s f e r c i r c u i t r e b u i l t , a m e t h o d f o r e s t i m a t i o n t h e k o f c o i l s i s p r o v i d e d i n C h a p t e r 2 . A t t h e s a m e t i m e w e s e l e c t t h e 2 7 0 k H z c a r r i e r w a v e , A S
14、 K / L S K m o d u la t e m o d e , C la s s - E a m p l i f i e r / t r a n s m i t t e r t o d e s i g n t h e t e l e m e t ry a n d p r o g r a m s y s t e m. B e f o r e o u r t e s t i n g o n Ma n c h e s t e r / N R Z / P WM c o d e , w e o v e r c o m e l o t s o f d i ff i c u l t i e s o
15、n h a r d w a r e d e s i g n . A n d t h e b i d i r e c t i o n a l d a t a t r a n s f e r s y s t e m c a n w o r k w e l l w i t h t h e d e s i g n e d S S I p a c e m a k e r s y s t e m b a s e d o n P I C m i c r o p r o c e s s o r . K e y w o r d s T e l e m e t ry , C l as s - E a m p l
16、i f i e r , L S K , M a n c h e s t e r c o d e , P u l s e w i d t h c o d e 复旦大学硕上 学位论文 第一章 引言 ， . ，植入式装置简介 随着体积小、功耗低、可靠性高的集成电路的发展，生物材料尤其是无毒 性生物相容材料研究的深入，体内 供电 方法的改进，以 及外科手术尤其是显微 外科手术水平的不断提高，许多测量与控制用的电 子装置越来越多的植入人体 和动物体内，或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。电子装置植入人体内部，保证了电子装置与生物体间的良 好匹配， 可直接检测体外难以检测的各种人体参数，尤其是生物体处在无拘束的自 然状 态下，对更接近于实际环境的各种生理生活量进行连续和实时的检测时，利用 植入体内的测量方法更具有无与伦比的优越性。 植入式装置系统一般都由两部分组成: 体外的程控部分与体内的功能装置。 体外的程控部分主要按照一定的模式实现对植入部分的参数控制或能量供给， 把信息或能量传递给植入部分， 并接收植入部分的反馈信息， 完成信息的处理 后，重新设置发送给
