應用于植入式醫療器械的低功耗控制器設計

周丁華，姜漢鈞，王月娟，呂曉娟，王志華

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

應用于植入式醫療器械的低功耗控制器設計

周丁華1a，姜漢鈞2，王月娟1b，呂曉娟1b，王志華2

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

目的為了滿足植入式醫療設備（Implantable Medical Device，IMD）應用的特殊要求，設計一種用于植入式醫療器械的低功耗、高效、靈活的微控制器（Micro Controller Units，MCU）以最優化利用IMD的電池能量。方法基于對IMD主流技術分析，本研究通過對時鐘控制、功率控制、指令設計改進和DMA數據路徑優化等技術來優化設計基于0.18 μm CMOS技術標準的MCU。結果設計所得MCU芯片面積為1.4 mm×0.8 mm，芯片存儲器具有79.1 K等效門和6.6 K字節片上內存。當供電為0.9 V的時候，功耗165 μW，在空閑狀態時可降低到42 μW。結論實現了一個可遠程編程的低功耗、高效率的MCU，使得IMD更加節能和靈活，可在疾病監測或治療中更好地執行監控或刺激等功能。

植入式醫療器械；微控制器；傳感器；低功耗；芯片

引言

隨著生物醫學工程的不斷進步，植入式醫療器械被廣泛應用于各種疾病的監測和治療過程中，如膠囊式內窺鏡、植入式心臟起搏器與除顫器、藥物泵、心電記錄儀等[1]。由于植入式醫療器械應用環境的特殊性，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，植入式醫療器械在低功耗、高效能方面要求非常高[2-5]。

為了最優化利用植入式醫療設備（Implantable Medical Device，IMD）的電池能量，IMD系統的所有模塊的配合必須最佳化。在IMD系統中，中央微控制器通過軟硬件任務分配，來控制所有子模塊。由于收發機模塊能耗較高，為了提高系統效率，不僅要求有能夠執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“監控”類：這些IMD通常連續收集身體信息作為生命體征。在數據/信息采集過程中的工作流程一般為：感應-處理-發送。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：發送-分析-刺激。IMD常用控制流，見圖1。一般情況下，我們在數據通信連接中采用半雙工信道。

IMD基于各自的使用目的會采用不同的傳感器設備。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，測量電壓的惠斯通電橋，測量葡萄糖和血液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控制流幾乎沒有區別。

圖1 IMD常用控制流

1.1 IMD的監控功能

IMD的監控控制流如圖1a所示。有了此控制流IMD可以在基站（Basic Station，BS）的監控下實現感應-處理-通信-執行功能。遠程基站也可以通過這種控制流配置IMD的狀態和模式。

上行鏈路（從IMD～BS）是用于生物醫學信息數據的傳輸，下行鏈路（從BS～IMD）是用于配置命令和確認（Acknowledgement，ACK）。正向偏差控制（Forward Error Correction，FEC）和自動重發請求（Automatic Repeat Request，ARQ）是用來確保通信的質量。

為降低能耗，感應階段工作周期通常較短。根據功能設定不同，在數據處理階段，IMD可將從感應階段獲取的數據計算或直接存儲[10-11]。在通訊階段，建立連接后可以實現存儲器中數據的收發。

在這種控制流中，當觸發了“喚醒”事件IMD可醒來。比如，來自計時器的時鐘信號或者BS的遠程信號等。

1.2 IMD的刺激功能

IMD的刺激控制流如圖1b所示。在這種簡化的控制流下，IMD在大部分時間內處于通道監聽狀態。當命令幀接受的時候，IMD回到工作狀態，解析命令，并且當且僅當其有效時采取行動[12]。

在這種情況下，會優先選用下行鏈路，上行鏈路使用率較低。基于省電模式設置，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；通過適當的指令解析命令幀；通過推動相應的輸出驅動模塊進行干預。

2 MCU設計與實現

本文提出的MCU結構，見圖2。MCU包括一個基本的可兼容8051 MCU、MAC、無線領域項目仲裁（Wireless Field Program Arbiter，WFPA）、預處理加速器、DMA控制器、存儲器、計時器、多用外圍接口和調試接口等。

圖2 MCU結構

2.1 優化

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。

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

圖3 保留寄存器圖示

系統通過塊級和細粒度門技術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，將內存訪問加速指令添加到現有的指令集中，高效DMA控制器也提高了系統的能效，尤其是大規模數據傳輸和處理情況。此外，硬件MAC集成了信道編碼、解碼、加擾、時鐘數據恢復（Clock Data Recovery，CDR）和框架控制。

通過WFPA模塊，IMD可以在需要時通過BS隨時進行遠程重編。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星形拓撲結構單跳網絡協議實現。因此該MCU采用一種通用的非流水線式的哈佛架構。

對于典型的IMD功能，在全部操作中內存操作超過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個指令。此外，根據區塊的不同，相應的二進制代碼可以執行大約20*tnum個操作。

為提高代碼長度和執行效率，我們將一些加速指令添加到指令集。這樣在相同的存儲器訪問質量下，原來的20*tnum個操作可以減少到3個操作。

...

MOV DMADDR,offset

MOV DMANUM,tnum

DMAOP

對這些指令集的優化可以提高效率。

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關機時保存設置和數據。這些寄存器直接由電池驅動，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

執行監控功能及刺激功能的IMD在以上分析過程中都有考慮到。MAC模塊包含發射和接收兩個獨立的控制器，見圖4。

圖4 MAC的框圖

Tx路徑來實現數據幀和數據流，包括CRC、Reed-Solomon編碼、白化等信道編碼。Tx控制器用來設置/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，其多項式為：

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

一個心有主見的人，是不會被這樣庸俗和膚淺的誘惑所俘虜的；相反，他一定具有自己的處世原則，并以這樣的原則來嚴格約束自己。元代大學者許衡一日與眾友出游，因為天氣炎熱，口渴難耐。正好路邊有一棵梨樹，果實已成熟，眾人紛紛摘梨解渴，只有許衡一人不為所動。有人問他：“怎么不去摘一個梨子吃解解渴？”許衡回答說：“梨子不是自家的，怎么可以隨便摘吃？”對方笑其迂腐：“路邊之食，并無主人，摘吃一個又有何妨？”許衡的回答是：“梨雖無主，我心有主。”

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

加擾（白化）是用于避免連續的0 s和1 s，多項式為X3+X2+1。

Rx路徑首先實現時鐘數據恢復CDR，然后同步比特和框架。去白化和CRC模塊對應于Tx路徑。對于IMD來說Rx鏈接和Tx鏈接不同：Rx不需要高速和大量處理數據，因此沒有必要在鏈接中使用Rx編碼，并且在Rx路徑中不會出現RS譯碼器。

2.4 WFPA和DMA控制器

WFPA模塊支持遠程重編功能。對于IMD來說這是非常實用和必須的，因為：一旦IMD被植入體內就很難被取出，即便是它的軟件需要更新的時候。WFPA支持遠程在線配置和軟件更新，適用于內存程序如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模數據訪問：

（1）Tx數據路徑進行數據通信，從數據存儲器到射頻MAC。

（2）Rx數據路徑進行數據通信，從射頻MAC到數據存儲器。

（3）WFPA數據路徑，從數據存儲器到指令存儲器。

數據路徑示意圖，見圖5。用于遠程更新的程序代碼應該在前面的通信中存儲在數據存儲器中。一旦DMA控制器給WFPA分配了信道，WFPA可以通過數據存儲器覆蓋全部內存指令。每次MCU激活重新開始工作時CRC-8驗證應該保證和恢復它所有的關鍵狀態。

圖5 具有WFPA和DMAC的數據通路

3 實驗結果

本設計的MCU以標準0.18 μm CMOS工藝制作，芯片面積為1.4 mm×0.8 mm，芯片存儲器具有79.1 K等效門和6.6 K字節片上內存，其中2.6 KB用于存儲程序、4 KB用于存儲數據，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時鐘，2.5 Mbps平均吞吐量的條件下按1:8的工作周期監控體溫下消耗電流為510 μA。當供電為0.9 V的時候，功耗只有165 μW；在空閑狀態時其功耗甚至可以降低到42 μW。驗證用的外圍傳感器設備和射頻模塊工作正常。

將該模塊組裝入一個直徑11 mm，長度26 mm的膠囊胃鏡測試樣機，見圖7。在測試過程中，膠囊內窺鏡樣機被置于一個直徑30 cm灌注了生理鹽水的玻璃杯中，以模擬膠囊的實際工作環境。樣機的主要性能參數測試結果，見表1。

圖7 測試用膠囊內鏡樣機

表1 樣機主要性能參數測試結果

4 結論

本文討論通過指令優化和DMA信道等幾個關鍵技術的優化來獲得更緊湊的代碼和更高效的操作，實現了一個可遠程編程的低功耗，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實現軟件的遠程更新。產品已經通過FPGA測試，其組裝規模為79.1 K等效門數（存儲器除外）。采用該MCU的膠囊內鏡樣機相比較于市場上主流的M2A，PillCam以及國內OMOM膠囊內窺鏡在體積上都有不同程度的縮小[17]，為應用者在使用期間提供更高舒適性；雙向通訊功能可以根據采集到的人體信息更改指令；工作時間從主流的8 h延長至11 h為使用者提供了更長的監測時間，以更好地執行監控和刺激這兩項主要的功能。

本設計的MCU在降低能耗、減小產品體積方面有明顯改進，但是，在針對患者個性化需求方面仍有局限性。IMD入體后無法明確定位，在體內的運動方式大多是被動式的，如膠囊內窺鏡進入腸道后依靠腸道的蠕動前進，不能完成特定位置的拍攝等。面對上述挑戰，醫療芯片的設計仍有很大研究和改進空間。

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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“十一五”杰出人才課題（06J003）；國家863計劃資助項目（2008AA0107102)。

作者郵箱：zhoudh@sina.com