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Zarlink Semiconductor公司針對起搏器、神經(jīng)刺激器、藥泵以及其他此類(lèi)植入式應用醫療設備的一款超低功率RF收發(fā)器芯片，其數據傳輸率高、功耗低，具有獨特的喚醒電路。 本文討論了如何采用這款RF收發(fā)器實(shí)現體內通信系統的設計。 集成電路(IC)和醫療設備的開(kāi)發(fā)在過(guò)去30年同時(shí)得到了發(fā)展。電路技術(shù)的發(fā)展促使了日益復雜、高度集成和小型化醫療器械的發(fā)展。同時(shí)，保健成本的不斷增長(cháng)和人們生活的更加富裕，身體的更肥胖以及壽命的延長(cháng)，已經(jīng)產(chǎn)生對依靠與基站無(wú)線(xiàn)連接的植入式醫療設備的新應用和治療的需求。 傳統上，植入式醫療設備的通信系統采用極短距離磁耦合，這就要求在編程器和醫療設備之間進(jìn)行緊耦合，通常數據傳輸率低于50kbps。 為了克服距離的限制，402MHz ~ 405MHz醫療植入通信服務(wù)(MICS)頻帶在1999年啟用，隨后歐洲也出現類(lèi)似標準。該頻帶支持較長(cháng)距離 (通常2m)、相對高速的無(wú)線(xiàn)鏈接。由于信號在人體內的傳輸特性、與該頻帶內在業(yè)用戶(hù)工作的兼容(如氣象氣球等輔助氣象設備)及其全球可用性，402MHz ~ 405MHz頻帶非常適合這種服務(wù)。 用于植入式醫療應用的電子系統的低功率設計難度巨大。例如，絕大多數植入式起搏器壽命要求長(cháng)于7年，最大漏電流在10uA~ 20uA量級。由于需要支持起搏治療而對電流消耗的要求，通信系統的電流設計量在設備壽命范圍內總平均電流不超過(guò)總電流設計量的15%，即2uA~ 3uA�？芍踩胧结t療系統的收發(fā)器必須定期“查看”或者監控外部通信設備，在不查看時(shí)，保持在很低的功率狀態(tài)以?xún)Υ婺芰俊?br /> 1 設計考慮 為了能使用MICS頻帶，植入式醫療設備需要使用超低功率、高性能收發(fā)器。植入式設備收發(fā)器設計面臨眾多挑戰，包括： (1)400MHz通訊中為低功率。植入電池功率有限，并且植入電池的阻抗相對較高，這就限制了從電池吸入的電流。 (2)在通訊階段，對大多數可植入設備，應將電流限制在小于6mA。 (3)處于休眠和定期“查看”以喚醒信號時(shí)，處于低功率。 (4)外部元件最少且物理體積最小�？芍踩爰壴膬r(jià)格昂貴，高集成度可以降低成本并增加系統整體可靠性。 (5)數據傳輸率合理。目前，起搏器應用要求數據傳輸率大于20 kbps，將來(lái)設計數據傳輸率要高得多。 (6)系統和數據傳輸的可靠性要高。 (7)選擇性和干擾抑制能力，特別是歐洲TETRA無(wú)線(xiàn)電標準所要求的。 (8)距離一般要超過(guò)兩米。距離越長(cháng)則需要的靈敏度要越好，因為小天線(xiàn)和體損失影響鏈路預算和允許距離。天線(xiàn)、匹配、衰減和體損失的變化都很大，損失可能高達40dB~45dB。 ZL70101 MICS收發(fā)器在高數據傳輸率的情況下具有非常出色的低功耗特性。在高達800kbps的數據率下工作時(shí)，發(fā)射和接收電流都小于5 mA。電路具有獨特的工作在2.45 GHz的超低功率喚醒系統，平均休眠/監控電流小于250nA。系統集成度高，只需要3個(gè)外部元件(晶振和兩個(gè)去耦電容)和一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )。 醫療設備可以劃分為使用內部非可再充電電池(如起搏器)類(lèi)和感應耦合功率類(lèi)(如人工耳蝸)。前者極力挖掘系統占空比潛力，目的是節省功率。收發(fā)器大部分時(shí)間都處于關(guān)閉狀態(tài)，因此，關(guān)閉狀態(tài)電流和周期性查找通訊設備需要的電流必須特別低(<1-2uA)。同時(shí)，兩種情況下的發(fā)射和接收功率都要低(電流<6mA)。 在2.1V~ 3.5V電源電壓下工作時(shí)， ZL70101的峰值接收/發(fā)射電流損耗<5mA，這個(gè)包括基本射頻收發(fā)器和MAC電流。MAC確保用戶(hù)能接收到高完整性數據，自動(dòng)完成所需的大部分鏈路維護工作。此外，MAC協(xié)議提供有一個(gè)節省功率的定時(shí)器，傳輸一個(gè)數據包之后，該定時(shí)器將植入設備的接收器關(guān)閉一段編程好的時(shí)間。 要使以焦耳/位為單位定義的總功耗最小，在滿(mǎn)足應用接收靈敏度要求的情況下，建議可植入收發(fā)器使用盡可能高的數據率。需要低數據傳輸率(甚至達到低kHz范圍)的系統應該對數據進(jìn)行緩沖，工作在盡可能高的數據率下，降低占空比以降低平均電流損耗。以短脈沖發(fā)送數據能節省功率，降低產(chǎn)生干擾的時(shí)間窗。此外，對高電池阻抗系統，由于從電容放電的脈沖更短，電源對去耦的要求可能更低。 收發(fā)器允許用戶(hù)隨接收器靈敏度的不同，從多種數據率(200 kbps, 400 kbps, 800 kbps)中進(jìn)行選擇。為便于實(shí)現這一靈活性，系統采用2 FSK或4 FSK調制，每秒200或400千字符，頻率偏差可變(見(jiàn)表1)。通過(guò)采用片外數字濾波，可以達到更低的數據傳輸率和相應更高的接收器靈敏度。收發(fā)器具有一個(gè)MAC旁路工作模式，在該模式下射頻完全可用。在這種配置下，用戶(hù)可以開(kāi)發(fā)定制協(xié)議和數據傳輸率。 2 總體系統架構 ZL70101工作于植入設備和外部基站(見(jiàn)圖2)�；景òl(fā)射2.45 GHz喚醒信號的附加電路。系統一旦通過(guò)2.45 GHz喚醒信號啟動(dòng)，就通過(guò)402MHz到405MHz MICS頻帶收發(fā)器交換數據。 ZL70101 MICS芯片(見(jiàn)圖3)包含3個(gè)主要的子系統：一個(gè)400MHz收發(fā)器，一個(gè)2.45 GHz喚醒接收器及一個(gè)媒體存取控制器(MAC)。根據輸入引腳的狀態(tài)確定芯片用作植入醫療設備，或者基站編程器的收發(fā)器。 收發(fā)器采用一種中頻(IF)低的帶鏡像抑制混頻器的超外差架構。低的中頻可使濾波器和調制器功耗最小，沒(méi)有與高數據率、零中頻架構相關(guān)的閃爍噪聲和直流偏移問(wèn)題。FSK調制方案降低了發(fā)射放大器線(xiàn)性要求，因而降低了功耗，并可以使用更簡(jiǎn)單的限制接收器。 如圖3中標為半雙工RF發(fā)射器的400MHz發(fā)射子系統，包含有一個(gè)中頻調制器、一混頻器和一功率放大器。IF調制器將一個(gè)一位(兩個(gè)FSK)或兩位(4個(gè)FSK)異步數字輸入數據流轉換為中頻。上變頻混頻器將中頻轉換成RF頻率。注意，發(fā)射和接收模式的本振頻率相同，這樣就使接收和發(fā)送數據包之間的死區時(shí)間最短。 可通過(guò)寄存器自-4.5dBm~-17dBm(500 Ω負載)，以小于3dB的步長(cháng)編程發(fā)射功放的輸出功率。所有RF輸入的內部天線(xiàn)匹配電容組都可以細調匹配網(wǎng)絡(luò )，對給定的功率設置，實(shí)現輸出功率最大，接收器噪聲指數最佳。天線(xiàn)調諧為自動(dòng)刻度，其中采用了一種與ADC耦合的峰值檢測器，同時(shí)帶一校準控制狀態(tài)機。 400MHz接收器子系統將MICS頻帶信號放大，將載波頻率下變換到中頻。低噪聲放大器(LNA)增益為9dB~35dB可編程。對植入醫療設備收發(fā)器，建議采用更高的增益設置，而相對低一些的增益設置可以用于選擇采用外部LNA的基站收發(fā)器。LNA和混頻器偏置電流的可編程性使優(yōu)化為理想的線(xiàn)性(IIP3)、功耗和噪聲指數的靈活性進(jìn)一步提高。 采用多相IF濾波器抑制鏡像頻率和鄰近信道干擾，限制噪聲帶寬。多相濾波器之后接限制器和一接收器信號強度指示器(RSSI)模塊。RSSI測量由一個(gè)5位ADC轉換，可以通過(guò)工業(yè)標準SPI接口讀取。這對MICS無(wú)干擾信道評估程序有利。注意，首先必須通過(guò)MICS標準定義的一種無(wú)干擾信道評估程序，用一外部?jì)x器確定一個(gè)合適的可用信道。 為此，還開(kāi)發(fā)了一種為高可靠性醫療應用定制的專(zhuān)用協(xié)議由MAC處理，包括下列主要特征： (1)采用Reed-Solomon前向誤差校正(FEC)和周期冗余碼(CRC)誤差檢測技術(shù)進(jìn)行誤差校正和檢測。假設原無(wú)線(xiàn)電BER為10-3，則FEC和CRC之后的有效BER優(yōu)于1.5×10-10。 (2)故障情況下數據塊能夠自動(dòng)再傳輸，并實(shí)現了流程控制以避免緩沖溢出。 (3)能夠發(fā)送MICS緊急命令和高優(yōu)先級信息。 (4)能處理鏈路看門(mén)狗，確保在通信沒(méi)有成功5秒之后斷開(kāi)鏈路。 (5)提供鏈路質(zhì)量診斷和自動(dòng)校準控制。 3 超低功率喚醒接收器 由于儲存電池能量最重要，所以大多數植入應用都很少使用MICS RF鏈路。在極低功率應用中，大部分時(shí)間內，收發(fā)器處于一種電流極低的休眠狀態(tài)。除了在發(fā)送緊急命令外，采用MICS頻帶的系統必須在無(wú)干擾信道評估程序之后，等待基站啟動(dòng)通訊。植入收發(fā)器應該周期性查詢(xún)基站是否要進(jìn)行通訊。 喚醒系統采用一種工作在2.45GHz SRD頻帶的超低功率RF接收器，檢測并解碼一種專(zhuān)用數據包，該數據包由基站發(fā)射，然后接通芯片其余電源。芯片也可以由引腳控制直接啟動(dòng)，如基站啟動(dòng)、植入設備發(fā)送緊急命令或者采用選擇性喚醒系統的植入設備就需要這種方式。 4 本文小結 超低功率無(wú)線(xiàn)技術(shù)對許多植入醫療設備很關(guān)鍵，包括起搏器、除顫器、神經(jīng)刺激器、藥物灌注系統、診斷傳感器和迅速增長(cháng)的植入式糖尿病監測器。然而，隨著(zhù)植入通訊系統發(fā)展為支持高級診斷和治療，無(wú)線(xiàn)性能對植入醫療設備的電池壽命不產(chǎn)生影響很關(guān)鍵。 |
