應(yīng)用于植入式醫(yī)療器械的低功耗控制器設(shè)計(jì)

周丁華，姜漢鈞，王月娟，呂曉娟，王志華

1.火箭軍總醫(yī)院 a.肝膽外科；b.信息化研究辦公室，北京 100088；2.清華大學(xué) 微電子研究所，北京 100084

應(yīng)用于植入式醫(yī)療器械的低功耗控制器設(shè)計(jì)

周丁華1a，姜漢鈞2，王月娟1b，呂曉娟1b，王志華2

1.火箭軍總醫(yī)院 a.肝膽外科；b.信息化研究辦公室，北京 100088；2.清華大學(xué) 微電子研究所，北京 100084

目的為了滿足植入式醫(yī)療設(shè)備（Implantable Medical Device，IMD）應(yīng)用的特殊要求，設(shè)計(jì)一種用于植入式醫(yī)療器械的低功耗、高效、靈活的微控制器（Micro Controller Units，MCU）以最優(yōu)化利用IMD的電池能量。方法基于對(duì)IMD主流技術(shù)分析，本研究通過對(duì)時(shí)鐘控制、功率控制、指令設(shè)計(jì)改進(jìn)和DMA數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化等技術(shù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)基于0.18 μm CMOS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的MCU。結(jié)果設(shè)計(jì)所得MCU芯片面積為1.4 mm×0.8 mm，芯片存儲(chǔ)器具有79.1 K等效門和6.6 K字節(jié)片上內(nèi)存。當(dāng)供電為0.9 V的時(shí)候，功耗165 μW，在空閑狀態(tài)時(shí)可降低到42 μW。結(jié)論實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可遠(yuǎn)程編程的低功耗、高效率的MCU，使得IMD更加節(jié)能和靈活，可在疾病監(jiān)測(cè)或治療中更好地執(zhí)行監(jiān)控或刺激等功能。

植入式醫(yī)療器械；微控制器；傳感器；低功耗；芯片

引言

隨著生物醫(yī)學(xué)工程的不斷進(jìn)步，植入式醫(yī)療器械被廣泛應(yīng)用于各種疾病的監(jiān)測(cè)和治療過程中，如膠囊式內(nèi)窺鏡、植入式心臟起搏器與除顫器、藥物泵、心電記錄儀等[1]。由于植入式醫(yī)療器械應(yīng)用環(huán)境的特殊性，它不能使用任何電線、電纜等，通常被封裝在小體積裝置中并采用電池供電方式。而電池的壽命是有限的，因此，植入式醫(yī)療器械在低功耗、高效能方面要求非常高[2-5]。

為了最優(yōu)化利用植入式醫(yī)療設(shè)備（Implantable Medical Device，IMD）的電池能量，IMD系統(tǒng)的所有模塊的配合必須最佳化。在IMD系統(tǒng)中，中央微控制器通過軟硬件任務(wù)分配，來控制所有子模塊。由于收發(fā)機(jī)模塊能耗較高，為了提高系統(tǒng)效率，不僅要求有能夠執(zhí)行好控制流和通訊流的微控制器（Micro Controller Units，MCU），還要有可以加速鏈接操作和減少能耗的硬件媒體訪問控制器（MediaAccess Controller，MAC）。

1 IMD常用控制流

通常按照用途的不同，IMD可以分為兩類[6-7]。一種是“監(jiān)控”類：這些IMD通常連續(xù)收集身體信息作為生命體征。在數(shù)據(jù)/信息采集過程中的工作流程一般為：感應(yīng)-處理-發(fā)送。另一種是“刺激”類：這些IMD通常提供生物電流脈沖刺激或者給藥。其工作流程通常是：發(fā)送-分析-刺激。IMD常用控制流，見圖1。一般情況下，我們?cè)跀?shù)據(jù)通信連接中采用半雙工信道。

IMD基于各自的使用目的會(huì)采用不同的傳感器設(shè)備。例如，用于采集心跳和心電圖信息的單一鉛電極，用溫度傳感的單一熱敏電阻，測(cè)量電壓的惠斯通電橋，測(cè)量葡萄糖和血液pH值的傳感器，用于腸道檢查的CMOS圖像傳感器等[8-9]。很多研究表明，采用不同傳感器的IMD控制流幾乎沒有區(qū)別。

圖1 IMD常用控制流

1.1 IMD的監(jiān)控功能

IMD的監(jiān)控控制流如圖1a所示。有了此控制流IMD可以在基站（Basic Station，BS）的監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)感應(yīng)-處理-通信-執(zhí)行功能。遠(yuǎn)程基站也可以通過這種控制流配置IMD的狀態(tài)和模式。

上行鏈路（從IMD～BS）是用于生物醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)的傳輸，下行鏈路（從BS～I(xiàn)MD）是用于配置命令和確認(rèn)（Acknowledgement，ACK）。正向偏差控制（Forward Error Correction，F(xiàn)EC）和自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（Automatic Repeat Request，ARQ）是用來確保通信的質(zhì)量。

為降低能耗，感應(yīng)階段工作周期通常較短。根據(jù)功能設(shè)定不同，在數(shù)據(jù)處理階段，IMD可將從感應(yīng)階段獲取的數(shù)據(jù)計(jì)算或直接存儲(chǔ)[10-11]。在通訊階段，建立連接后可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的收發(fā)。

在這種控制流中，當(dāng)觸發(fā)了“喚醒”事件IMD可醒來。比如，來自計(jì)時(shí)器的時(shí)鐘信號(hào)或者BS的遠(yuǎn)程信號(hào)等。

1.2 IMD的刺激功能

IMD的刺激控制流如圖1b所示。在這種簡(jiǎn)化的控制流下，IMD在大部分時(shí)間內(nèi)處于通道監(jiān)聽狀態(tài)。當(dāng)命令幀接受的時(shí)候，IMD回到工作狀態(tài)，解析命令，并且當(dāng)且僅當(dāng)其有效時(shí)采取行動(dòng)[12]。

在這種情況下，會(huì)優(yōu)先選用下行鏈路，上行鏈路使用率較低。基于省電模式設(shè)置，IMD可以定期或隨需展開工作。

在通訊階段，IMD從外部接受命令；通過適當(dāng)?shù)闹噶罱馕雒顜?；通過推動(dòng)相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行干預(yù)。

2 MCU設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文提出的MCU結(jié)構(gòu)，見圖2。MCU包括一個(gè)基本的可兼容8051 MCU、MAC、無線領(lǐng)域項(xiàng)目仲裁（Wireless Field Program Arbiter，WFPA）、預(yù)處理加速器、DMA控制器、存儲(chǔ)器、計(jì)時(shí)器、多用外圍接口和調(diào)試接口等。

圖2 MCU結(jié)構(gòu)

2.1 優(yōu)化

如前所述，IMD的最重要的要求是低功耗、高能效、靈活性和魯棒性好。

執(zhí)行監(jiān)控功能的IMD要求具有周期性的工作模式，及相對(duì)繁忙的上行鏈路和空閑的下行鏈路有較高數(shù)據(jù)速率。執(zhí)行刺激功能的IMD只要求下行鏈路接收脈沖刺激或者給藥行為的參數(shù)。而這種不平衡可以通過一種自定義的MAC協(xié)議解決[13-14]。

圖3 保留寄存器圖示

系統(tǒng)通過塊級(jí)和細(xì)粒度門技術(shù)來消除不活躍模塊和DFFs的多余能耗，以降低能耗。

為了使程序代碼更加緊湊，將內(nèi)存訪問加速指令添加到現(xiàn)有的指令集中，高效DMA控制器也提高了系統(tǒng)的能效，尤其是大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸和處理情況。此外，硬件MAC集成了信道編碼、解碼、加擾、時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（Clock Data Recovery，CDR）和框架控制。

通過WFPA模塊，IMD可以在需要時(shí)通過BS隨時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程重編。并且，多用途外圍接口可以支持通用異步/同步接收器和發(fā)射器，像是SPI，I2C，RS-232[15-16]。

2.2 微控制器MCU

MCU核心有基本的可兼容8051指令集，這足以使適用于IMD星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單跳網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。因此該MCU采用一種通用的非流水線式的哈佛架構(gòu)。

對(duì)于典型的IMD功能，在全部操作中內(nèi)存操作超過40%。最常見操作的如下所示：

...

for(addr=0;addr＜tnum;addr++)

{tbuf=datamem[offset+addr];

While(TBUF_ALMOST_FULL);

}

...

編譯后，匯編代碼至少需要20個(gè)指令。此外，根據(jù)區(qū)塊的不同，相應(yīng)的二進(jìn)制代碼可以執(zhí)行大約20*tnum個(gè)操作。

為提高代碼長(zhǎng)度和執(zhí)行效率，我們將一些加速指令添加到指令集。這樣在相同的存儲(chǔ)器訪問質(zhì)量下，原來的20*tnum個(gè)操作可以減少到3個(gè)操作。

...

MOV DMADDR,offset

MOV DMANUM,tnum

DMAOP

對(duì)這些指令集的優(yōu)化可以提高效率。

即使在IMD最大化省電模式下，保留寄存器也是必須的，以便MCU關(guān)機(jī)時(shí)保存設(shè)置和數(shù)據(jù)。這些寄存器直接由電池驅(qū)動(dòng)，而MCU的其他的模塊是DC-DC電源供電。一種典型的保留寄存器，見圖3。

2.3 媒體訪問控制器MAC

執(zhí)行監(jiān)控功能及刺激功能的IMD在以上分析過程中都有考慮到。MAC模塊包含發(fā)射和接收兩個(gè)獨(dú)立的控制器，見圖4。

圖4 MAC的框圖

Tx路徑來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀和數(shù)據(jù)流，包括CRC、Reed-Solomon編碼、白化等信道編碼。Tx控制器用來設(shè)置/重置邏輯模塊和啟用/禁用射頻前后端模塊。

本文采用的CRC-24編碼方式，其多項(xiàng)式為：

X24+X23+X18+X17+X14+X11+X10+X7+X6+X5+X4+X3+X+1。

一個(gè)心有主見的人，是不會(huì)被這樣庸俗和膚淺的誘惑所俘虜?shù)模幌喾?，他一定具有自己的處世原則，并以這樣的原則來嚴(yán)格約束自己。元代大學(xué)者許衡一日與眾友出游，因?yàn)樘鞖庋谉?，口渴難耐。正好路邊有一棵梨樹，果實(shí)已成熟，眾人紛紛摘梨解渴，只有許衡一人不為所動(dòng)。有人問他：“怎么不去摘一個(gè)梨子吃解解渴？”許衡回答說：“梨子不是自家的，怎么可以隨便摘吃？”對(duì)方笑其迂腐：“路邊之食，并無主人，摘吃一個(gè)又有何妨？”許衡的回答是：“梨雖無主，我心有主?！?/p>

RS（31,25）編碼方式，5bits/符號(hào)，多項(xiàng)式基元是X5+ X2+1。

加擾（白化）是用于避免連續(xù)的0 s和1 s，多項(xiàng)式為X3+X2+1。

Rx路徑首先實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)CDR，然后同步比特和框架。去白化和CRC模塊對(duì)應(yīng)于Tx路徑。對(duì)于IMD來說Rx鏈接和Tx鏈接不同：Rx不需要高速和大量處理數(shù)據(jù)，因此沒有必要在鏈接中使用Rx編碼，并且在Rx路徑中不會(huì)出現(xiàn)RS譯碼器。

2.4 WFPA和DMA控制器

WFPA模塊支持遠(yuǎn)程重編功能。對(duì)于IMD來說這是非常實(shí)用和必須的，因?yàn)椋阂坏㊣MD被植入體內(nèi)就很難被取出，即便是它的軟件需要更新的時(shí)候。WFPA支持遠(yuǎn)程在線配置和軟件更新，適用于內(nèi)存程序如E2PROM, FLASH等和特殊功能寄存器的重寫SFP。

DMA控制器通過如下方式完成大規(guī)模數(shù)據(jù)訪問：

（1）Tx數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器到射頻MAC。

（2）Rx數(shù)據(jù)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從射頻MAC到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

（3）WFPA數(shù)據(jù)路徑，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器到指令存儲(chǔ)器。

數(shù)據(jù)路徑示意圖，見圖5。用于遠(yuǎn)程更新的程序代碼應(yīng)該在前面的通信中存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。一旦DMA控制器給WFPA分配了信道，WFPA可以通過數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器覆蓋全部?jī)?nèi)存指令。每次MCU激活重新開始工作時(shí)CRC-8驗(yàn)證應(yīng)該保證和恢復(fù)它所有的關(guān)鍵狀態(tài)。

圖5 具有WFPA和DMAC的數(shù)據(jù)通路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本設(shè)計(jì)的MCU以標(biāo)準(zhǔn)0.18 μm CMOS工藝制作，芯片面積為1.4 mm×0.8 mm，芯片存儲(chǔ)器具有79.1 K等效門和6.6 K字節(jié)片上內(nèi)存，其中2.6 KB用于存儲(chǔ)程序、4 KB用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其模具圖，見圖6。

圖6 制備的MCU模塊模具圖

通常在1.8 V DC-DC電壓，13 MHz時(shí)鐘，2.5 Mbps平均吞吐量的條件下按1:8的工作周期監(jiān)控體溫下消耗電流為510 μA。當(dāng)供電為0.9 V的時(shí)候，功耗只有165 μW；在空閑狀態(tài)時(shí)其功耗甚至可以降低到42 μW。驗(yàn)證用的外圍傳感器設(shè)備和射頻模塊工作正常。

將該模塊組裝入一個(gè)直徑11 mm，長(zhǎng)度26 mm的膠囊胃鏡測(cè)試樣機(jī)，見圖7。在測(cè)試過程中，膠囊內(nèi)窺鏡樣機(jī)被置于一個(gè)直徑30 cm灌注了生理鹽水的玻璃杯中，以模擬膠囊的實(shí)際工作環(huán)境。樣機(jī)的主要性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果，見表1。

圖7 測(cè)試用膠囊內(nèi)鏡樣機(jī)

表1 樣機(jī)主要性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文討論通過指令優(yōu)化和DMA信道等幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化來獲得更緊湊的代碼和更高效的操作，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可遠(yuǎn)程編程的低功耗，高效率的MCU。所得到的MCU使得IMD更加靈活，可以與普通I/O總線接口兼容，通過BS實(shí)現(xiàn)軟件的遠(yuǎn)程更新。產(chǎn)品已經(jīng)通過FPGA測(cè)試，其組裝規(guī)模為79.1 K等效門數(shù)（存儲(chǔ)器除外）。采用該MCU的膠囊內(nèi)鏡樣機(jī)相比較于市場(chǎng)上主流的M2A，PillCam以及國(guó)內(nèi)OMOM膠囊內(nèi)窺鏡在體積上都有不同程度的縮小[17]，為應(yīng)用者在使用期間提供更高舒適性；雙向通訊功能可以根據(jù)采集到的人體信息更改指令；工作時(shí)間從主流的8 h延長(zhǎng)至11 h為使用者提供了更長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)時(shí)間，以更好地執(zhí)行監(jiān)控和刺激這兩項(xiàng)主要的功能。

本設(shè)計(jì)的MCU在降低能耗、減小產(chǎn)品體積方面有明顯改進(jìn)，但是，在針對(duì)患者個(gè)性化需求方面仍有局限性。IMD入體后無法明確定位，在體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式大多是被動(dòng)式的，如膠囊內(nèi)窺鏡進(jìn)入腸道后依靠腸道的蠕動(dòng)前進(jìn)，不能完成特定位置的拍攝等。面對(duì)上述挑戰(zhàn)，醫(yī)療芯片的設(shè)計(jì)仍有很大研究和改進(jìn)空間。

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Design of Low Power Consumption Controller Applied to Implantable Medical Device

ZHOU Ding-hua1a, JIANG Han-jun2, WANG Yue-juan1b, LV Xiao-juan1b, WANG Zhi-hua2
1.a.Department of Hepatobiliary; b.Infor-mation Research Office, General Hospital of the PLA Rocket Force, Beijing 100088, China; 2.Institute of Microelectronics, Tsinghua University, Beijing 100084, China

ObjectiveTo meet the special requirement of Implantable Medical Device (IMD), this study designed flexible Micro Control Units (MCU) of low-power consumption and high efficiency to achieve optimal use of battery power.MethodsBased on the analysis of IMD mainstream technology, the design of MCU based on 0.18 μm CMOS technical standard was optimized by clock gating, power gating, instruction set improvement, DMA optimization for data paths, etc.ResultsThe die area of the designed MCU was 1.4 mm×0.8 mm, and chip memory owned 79.1 K equivalent gates and 6.6 K on-chip memory. Given a 0.9 V power supply, MCU power consumption was 165 μW, and it could be reduced to 42 μW in idle state.ConclusionThe designed MCU can be remotely programmed with low power consumption and high efficiency, which makes the IMD more flexible and energy saving to well perform its monitoring or stimulating function during disease surveillance or treatment.

implantable medical device; micro controller units; sensor; low power consumption; chip

TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.005

1674-1633(2017)03-0018-04

2016-06-03

2016-08-08

軍隊(duì)“十一五”杰出人才課題（06J003）；國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008AA0107102)。

作者郵箱：zhoudh@sina.com