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作者: Reghu Rajan 平均來(lái)說(shuō)，我們的人生有99%以上是在醫院或診所外度過(guò)。因此，在醫院和臨床環(huán)境之外的醫療保健變得和在醫院內的一樣重要。此外，逐漸增加的醫療條件、老年人口和上升的醫療保健成本構成了推動(dòng)更好的醫療保健解決方案的因素。在改進(jìn)醫療保健和病人的生活質(zhì)量方面，無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)揮了很大的作用，同時(shí)降低了成本。 
圖1：醫療保健循環(huán) 醫療保健循環(huán)(見(jiàn)圖1)包括從嬰幼兒到老年人的預防保健護理監控、健康監測、醫院環(huán)境下的診斷護理、康復和崗位流程護理。通過(guò)更好的遠程監控能讓病人早些回家，可幫助減少治療成本，還可以改進(jìn)病人的生活質(zhì)量，并且在許多情況下幫助進(jìn)行早期診斷。監測生理參數已經(jīng)大幅演進(jìn)從使用電線(xiàn)束與病人連接的龐大床邊設備，到能夠從病人身體上捕捉重要的生理參數且不影響日�；顒�(dòng)的超小型無(wú)線(xiàn)傳感器。除了監測之外，某些設備還能夠提供治療。 為幫助了解醫療設備無(wú)線(xiàn)方面的要求，讓我們首先基于應用大致歸類(lèi)這些設備(參見(jiàn)圖2)。
圖2：無(wú)線(xiàn)醫療設備的類(lèi)別 無(wú)線(xiàn)醫療設備應用廣泛，依賴(lài)于需要測量的參數，有些應用只需傳輸數個(gè)字節，而另外一些應用需要傳輸高帶寬的的數據流，有些需要長(cháng)的電池壽命，特別是人體植入設備，更換電池意味著(zhù)手術(shù)。定點(diǎn)測量設備諸如溫度測量?jì)x對于無(wú)線(xiàn)電帶寬的要求比起心電監察儀等的設備較小，相比后者它使用頻率低，而后者經(jīng)常需要實(shí)時(shí)傳輸心電圖波形信息。 不同的應用對無(wú)線(xiàn)技術(shù)有不同的要求，因而不可能存在一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以同時(shí)滿(mǎn)足不同應用需求。 對于人體植入和可進(jìn)入消化道的無(wú)線(xiàn)電有著(zhù)共同的限制，無(wú)線(xiàn)電通信必須穿過(guò)機體組織進(jìn)行，而身體會(huì )顯著(zhù)減弱高頻率RF信號。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC) 已將用于植入用途(MICS和MEDS頻帶)的頻帶分配在400MHz范圍內，以便在體內時(shí)達到最佳性能。植入的無(wú)線(xiàn)電還需要極低的功耗、泄漏電流和有效的喚醒機制來(lái)啟動(dòng)通訊。美高森美的植入級無(wú)線(xiàn)電設計專(zhuān)門(mén)用于此類(lèi)應用。針對植入級無(wú)線(xiàn)電的一些應用如圖3所示：
圖3：植入應用示例 植入應用中的無(wú)線(xiàn)電周期性(duty-cycled) 工作，這意味著(zhù)通常處于睡眠模式。除了運行中的超低功耗，還要求具有極低的泄漏電流。對于植入無(wú)線(xiàn)電應用，數據速率要求并不高，雖然具有較高數據速率的無(wú)線(xiàn)電可幫助減少工作周期并延長(cháng)電池壽命。 可攝取應用包括藥丸攝影機(參見(jiàn)圖4)以傳輸數以千計的高質(zhì)量胃腸道圖片，以及胃腸道中的藥物輸送和酸度監控等其它應用。此類(lèi)應用還要求無(wú)線(xiàn)電和電路具有超低功耗，因為受限于電池尺寸，即便其設備的電池壽命可能比植入物更短。
圖4：使用美高森美無(wú)線(xiàn)電的Pillcam藥丸攝影機 除了超低功耗，此類(lèi)無(wú)線(xiàn)電還需要安全的高效通信協(xié)議。標準協(xié)議，比如低能耗藍牙(Bluetooth Low Energy)或 Zigbee，相比于專(zhuān)用協(xié)議，需要更高的通信協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)(protocol overhead)。大多數植入無(wú)線(xiàn)電因此使用專(zhuān)用協(xié)議來(lái)優(yōu)化功耗并改進(jìn)通信效率和安全性。 外部無(wú)線(xiàn)傳感器涵蓋了范圍廣泛的應用，從健康監測到特征生理參數監測。對于無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng) (wireless personal area network, WPAN) 和無(wú)線(xiàn)體域網(wǎng)(wireless body area network, WBAN)，今天的傳感和監測解決方案可在極低功耗下支持連續的數據流。這對于可穿戴的醫療系統尤為關(guān)鍵，因為它們都在要頻繁更換電池較為困難和昂貴的環(huán)境中使用。這些系統以往需要用AA或AAA電池，而現在則可以運行在微功率電池上。使之成為現實(shí)的是超低功耗短程無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器，它們的電路設計在一些關(guān)鍵參數上針對功率效率進(jìn)行了優(yōu)化。 WPAN占有個(gè)人周?chē)木W(wǎng)絡(luò )空間，覆蓋了附近的生活或工作空間( 通�？蛇_十米)，并采用藍牙和Zigbee等協(xié)議來(lái)實(shí)施。WBAN則占有更小的無(wú)線(xiàn)空間，在人體周?chē)蠹s一米，用于與人體相關(guān)的傳感器通信。應用已從大量的工作周期性點(diǎn)測擴展到更多數據密集的連續鏈接。在醫院和臨床設施、臨床家庭監護和非臥床應用、以及消費者健康和健身中，這項技術(shù)有著(zhù)多種應用(參見(jiàn)圖5)。
圖5：外部感測用例和技術(shù) 針對WPAN和WBAN的無(wú)線(xiàn)電要求 選擇能夠在WPAN和WBAN中優(yōu)化功率效率的短程無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器時(shí)，還必須考慮許多問(wèn)題。針對低功率無(wú)線(xiàn)電的某些關(guān)鍵注意事項如圖6所示。
圖6：ULP無(wú)線(xiàn)電要求 其中，電源電壓尤其重要。大多數傳感器使用單電池(電壓依賴(lài)化學(xué)反應)單元運行,因而更宜采用低于2V的電源電壓。這意味著(zhù)短程無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器必須設計用于低電壓運行——最理想是降至1.1 V，以便優(yōu)化設計靈活性并減少功率管理的限制。 另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是峰值電流。幾乎所有基于無(wú)線(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò )都會(huì )依賴(lài)于某種程度的工作周期性來(lái)節省能源并限制無(wú)線(xiàn)電空間的使用，它們通常會(huì )在傳感器的電流消耗曲線(xiàn)上產(chǎn)生峰值。無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器中的低峰值電流消耗減少了無(wú)線(xiàn)傳感器電源電壓方面的限制。 輸出阻抗也是重要的，因為它主要影響功率放大器(power amplifier, PA)的功耗。匹配網(wǎng)絡(luò )來(lái)連接無(wú)線(xiàn)電和天線(xiàn)有助于使插入損耗達到幾個(gè)dB。 載波頻率的選擇也會(huì )影響功耗。在醫療(ISM)無(wú)線(xiàn)電頻帶中的兩種可用選擇為2.4GHz或sub-GHz頻率。最常用的2.4GHz協(xié)議有Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee。然而，在低功率和較低數據速率無(wú)線(xiàn)醫療監控應用中，sub-GHz無(wú)線(xiàn)系統提供了幾大優(yōu)勢，包括降低功耗，以及由于較低的自由空間傳播損耗，對于給定功率具有更長(cháng)的距離。更安靜的頻譜意味著(zhù)更容易傳輸和更少重試，這不但更高效，而且節省了電池電能。 對于網(wǎng)絡(luò )級的平均功率分配，通信協(xié)議也有著(zhù)重大的影響。Zigbee 和藍牙提供了高度復雜的鏈接和網(wǎng)絡(luò )層，但這些協(xié)議棧會(huì )占用大百分比的無(wú)線(xiàn)電功耗，以及較高的資源開(kāi)銷(xiāo)。對于超低功率系統，“一刀切”標準化選項罕有最佳解決方案。相反，設計人員為超低功耗應用而開(kāi)發(fā)的解決方案應該考慮使用最適合其需求的協(xié)議。 最后，在周期性工作的無(wú)線(xiàn)鏈接中，鏈接數據速率是影響功耗的最重要因素之一。平均功率幾乎與鏈接數據速率成反比；例如，對于相同的有效負載，100kbps無(wú)線(xiàn)電的功耗幾乎是50kbps無(wú)線(xiàn)電的一半。在比較RF收發(fā)器時(shí)，“每比特能量” (energy per bit) 是比電流消耗更好的功率效率指標。但高數據速率無(wú)線(xiàn)電常常具有較高的峰值電流，對于大多數小型電池來(lái)說(shuō)，這些是非常不受歡迎的，因為它們會(huì )需要大型電容器。 前面提及的每個(gè)因素對于需要低功率優(yōu)勢且有效負載大于10 比特/每秒的應用都是至關(guān)重要的，然而，先前的可穿戴式無(wú)線(xiàn)傳感器僅僅能夠用于緩慢變化的參數，而新的RF技術(shù)可以用于幫助觀(guān)察更快變化的生理參數，比如心臟和大腦電氣活動(dòng)或血氧，它們需要大約0.5至5 kbit/s的數據速率，以便提取有意義的波形。 小心平衡這些取舍的一個(gè)示例就是美高森美的ZL70250收發(fā)器(參見(jiàn)圖7)，該器件在尺寸大約2mm x 3mm的芯片級封裝內，具有標準的2線(xiàn)和SPI接口，可使用任何標準微控制器進(jìn)行控制和數據傳送。該微控制器的模數轉換器(ADC)連接至超低功耗模擬前端器件，連同ZL70250收發(fā)器，所構成的解決方案可用于開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)ECG解決方案，采用CR系列紐扣電池可以連續運行長(cháng)達一周時(shí)間。此類(lèi)器件，比如用于病患呼吸測量的3軸加速計或脈搏血氧計(pulse-oximeter)、以及各種其它可穿戴式健康監控平臺，都可以達到類(lèi)似的功率效率。此類(lèi)器件使低成本紐扣電池或小型鋰離子電池在更換前能夠支持長(cháng)達兩周時(shí)間的連續WPAN和WBAN數據流。
圖7：基于ZL70250的可穿戴式無(wú)線(xiàn)傳感器裝置 隨著(zhù)微功率電池的出現和超低功耗收發(fā)器技術(shù)的進(jìn)步，構建智能化的靈活智能無(wú)線(xiàn)傳感器已經(jīng)成為可能。要解決各種關(guān)鍵設計問(wèn)題，選擇合適的收發(fā)器是至關(guān)重要的，以便通過(guò)使用單一小型電池，可穿戴式無(wú)線(xiàn)醫療設備能夠實(shí)現生物信號的長(cháng)期連續監測。今天的超低功耗收發(fā)器提供了性能和功率效率的組合，通過(guò)平衡一些技術(shù)使用相關(guān)的折衷，從低電流中獲取最大的可能益處。 |
