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1 前言 在醫療和保健領(lǐng)域，人體植/侵入式或配帶式超低功耗和小型化無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片與傳感器大量使用，必將推動(dòng)人體域無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )(BAN)迅速發(fā)展，為醫療信息通信提供一個(gè)必要的平臺，實(shí)時(shí)地傳送人體的生理參數，實(shí)現遠程診斷和治療。例如，日本政府正在實(shí)施一個(gè)“u-Japan”計劃，旨在建立一個(gè)獨特的ad-hoc網(wǎng)絡(luò )，用于安全又可靠的醫療服務(wù)。 醫療信息通信技術(shù)(ICT)將充分借助和涉及現有眾多的高新技術(shù)，諸如傳感器網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)絡(luò )機器人、RFID以及基于超寬帶(UWB)、軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SRD)與多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的先進(jìn)移動(dòng)通信系統;進(jìn)一步研發(fā)超低功率放大器、軟件結構RF以及片上天線(xiàn);此外，封裝技術(shù)對經(jīng)久耐用的植/侵入式器件也是至關(guān)重要的。 下面主要介紹體內植/侵入式無(wú)線(xiàn)收發(fā)器和數字電子疹診療貼的設計，介紹人體域網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展情況。 2 體內植/侵入式器件無(wú)線(xiàn)通信 Zarlink Semiconductor公司致力于開(kāi)發(fā)植/侵入式半導體芯片和體內通信，它的超低功耗收發(fā)器ZL70101用于鏈接植/侵入式醫療器件和監測設備的遙測系統。新一代采用0.18?m RFCMOS工藝并具有新型無(wú)線(xiàn)結構和調制技術(shù)的70102亦即將面世。據該公司報道，ZL70101已用于診斷用藥丸式攝像機中，拍攝圖像，并按每秒4幀、2.7Mbps數據速率傳送至記錄儀。發(fā)射時(shí)消耗5.2mW功率，設計工作時(shí)間超過(guò)8小時(shí)。 ZL70101(圖1)是一個(gè)超低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，為醫療植/侵入式應用提供高性能半雙工RF通信鏈接。高集成度器件包括10個(gè)MICS信道與2個(gè)ISM信道400MHz收發(fā)器和提供器件控制和RF消息編譯的媒體接入控制器(MAC)，和一個(gè)標準SPI接口提供方便的連接。一個(gè)備選的2.45GHz ISM帶接收器提供附加的喚醒功能。它采用Reed-solomen編碼方案，結合CRC誤碼檢測以達到十分可靠鏈接。對數據塊，最大誤碼率(BER)小于1.5×10-10。 圖1 ZL70101方框圖 ZL70101收發(fā)器既可用于植/侵入式設備，也可用于基站。鑒于兩個(gè)系統對功耗有不同的要求，收發(fā)器定義了兩種基本的啟動(dòng)工作方式： 植/侵入式醫療設備(IMD)方式：在此方式，收發(fā)器通常處于休眠狀態(tài)，也就是處于極低電流狀態(tài)。使用時(shí)，IMD可通過(guò)2.45GHz鏈路喚醒，或通過(guò)IMD處理順直接用WU-EN引腳喚醒。 基站方式：在此方式，可增加一些外部元件以求獲得最佳的性能，如圖2。 圖2 ZL70101外接元件圖 為了方便用戶(hù)使用，該公司還推出了ZLE應用開(kāi)發(fā)套件(ADK)。配置了植/侵入式應用中間件(AIM100)板與基站中間件BSM100)板。前者包括ZL70101收發(fā)器，用了正常數據傳輸和喚醒操作的分立電路、通過(guò)工業(yè)標準SPI總線(xiàn)連接的應用微控制器、以及接口至PCB基環(huán)天線(xiàn)的SMA連接器;后者在前者的基礎上，增添了喚醒發(fā)射子系統和執行清除信道接入(CCA)的接收信號強度指示器。此外，還配置了使性能更佳的雙帶天線(xiàn)。套件還配置了應用開(kāi)發(fā)平臺(ADP100)板，使計算機可通過(guò)USB2.0接口至AIM100板或BSM100板。 3 數字電子診療貼 當加拿大Zarlink公司致力于人體網(wǎng)絡(luò )的體內通信時(shí)，英國的Toumaz Technology公司另辟蹊徑，提供一個(gè)體外通信的解決方案，稱(chēng)為Sensium數字電子診療貼。顧名思義，電子貼與傷口貼一樣能粘貼在人體的表皮上，不同的是，它是一個(gè)高集成度、超低功耗傳感器接口和收發(fā)器平臺(圖3)，內置可重構的傳感器接口、帶8051處理器的數字積木塊、RF收發(fā)器和片上溫度傳感器。一個(gè)或多個(gè)啟用Sensium數字電子電子貼連續地監測人體的重要生理參數，并報告給插入PDA或智能手機中的Sensium基站。 圖3 數字電子診療貼 在這類(lèi)應用中，系統結構(圖4)可分為三個(gè)單元：傳感器節點(diǎn)目標站、基站和因特網(wǎng)服務(wù)/中心數據庫。目標站支持多種數據速率高達50kbps的傳感器，用30mAhr電池可工作一年。傳感器產(chǎn)生的極低電平信號可用片上程序和數據內存進(jìn)行預處理�；咀疃嗫涉溄�8個(gè)目標站，每個(gè)監測一個(gè)人體的生理參數，諸如溫度、心速、呼吸、血壓等。數據進(jìn)一步得到過(guò)濾和處理，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)或因特網(wǎng)傳送至中心數據庫，為保健或醫療提供依據。 圖4 TZ1030方框圖 器件的核心是用130nm RFCMOS工藝和具有專(zhuān)利的先進(jìn)混合信號(AMX)技術(shù)制作的高集成芯片TZ1030(圖5)。器件的工作電壓為1-1.5V(鋅空氣電池兼容);具有多種傳感器接口：內、外溫度傳感器接口、單引線(xiàn)ECG接口、3軸加速度接口、電流型接口、電流型傳感器接口;備有放大、濾波、數據變喚、數據壓縮、調制的預處理功能;收發(fā)器的發(fā)射功率為-10dBm，接收靈敏度達-97dBm(0.1%誤碼率)，采用雙向FSK調制，帶寬200KHz;載波頻率：歐洲ISM862-870KHz，病因ISM902-928MHz;收發(fā)器在連續Tx/Rx模式消耗3mA電流，發(fā)射距離達3米。 圖5 無(wú)線(xiàn)人體監測系統結構 4 人體局域網(wǎng)(BAN) 超低功耗收發(fā)器和醫療傳感器的飛速發(fā)展，構建高速、短程的BAN就顯得十分迫切。事實(shí)上，為了實(shí)現這個(gè)目標，IEEE802在2007年12月就 立了一個(gè)制訂IEEE802.15的工作組6(TG6)。該工作組將定義一個(gè)人體范圍內的短程、無(wú)線(xiàn)通信標準。一個(gè)備選方案的基本要點(diǎn)是： MICS頻帶：402-405MHz(FCC47CFR95.601-95.673子項E); 10個(gè)300KHz信道; 自適應頻率校準; 25W EIRP; 醫療無(wú)線(xiàn)電FCC建議頻帶：401-402MHz與405-406MHz; 無(wú)線(xiàn)醫療遙測服務(wù)(WMTS)頻帶：608/614MHz(TV37頻道)、1395-1400MHz、1427-1432MHz; 工業(yè)、科學(xué)與醫療(ISM)頻帶：868/915MHz、2.4GHz、5.8GHz。 UWB頻帶; RFID鏈接：135KHz、6.78MHz、13.56MHz(ERC Rec.70-03); 感應鏈接頻帶：9-315KHz; 電容性無(wú)載波基帶傳輸。 研究人員也在研發(fā)BAN用新的物理層(PHY)協(xié)議。一種是超低功率UWB信號設計技術(shù)，是非相干檢測的開(kāi)關(guān)信號，使用截斷三角波調制正弦函數作為PHY用脈沖波形。BAN的工作距離范圍在2-5米之間，1米距離功耗約為1mW/Mbps。2-5米IEEE802.15.6旨在下列3個(gè)應用市場(chǎng)：醫療保健、殘疾人援助設施、人體間相互作用與娛樂(lè )設施。 5 結語(yǔ) 可備帶、可植/侵主的健康醫療器件已大量涌現，如常見(jiàn)的指尖式血氧傳感器、腕表型血糖傳感器、腕表型睡眠器質(zhì)測量?jì)x、可植入身份識別組件等，而新一代超低功耗收發(fā)器將技術(shù)水平提高到一個(gè)新的高度，若這些器件只能單獨地工作，通信資源就不能充分地利用，因此BAN的研發(fā)勢在必行。當然，BAN是一種獨特的局域網(wǎng)，人體組織對無(wú)線(xiàn)電波有吸收作用，因此BAN物理層需要創(chuàng )新的技術(shù)，同時(shí)還要考慮人體安全性的因素，此外，檢測手段技術(shù)的多樣性也比其它局域網(wǎng)復雜。這些問(wèn)題有待于解決。 |
