醫(yī)療信息通信系統(tǒng)

　　在醫(yī)療和保健領域，人體植/侵入式或配帶式超低功耗和小型化無線收發(fā)芯片與傳感器大量使用，必將推動人體域無線網絡(BAN)迅速發(fā)展，為醫(yī)療信息通信提供一個必要的平臺，實時地傳送人體的生理參數(shù)，實現(xiàn)遠程診斷和治療。例如，日本政府正在實施一個“u-Japan”計劃，旨在建立一個獨特的ad-hoc網絡，用于安全又可靠的醫(yī)療服務。

　　醫(yī)療信息通信技術(ICT)將充分借助和涉及現(xiàn)有眾多的高新技術，諸如傳感器網絡、網絡機器人、RFID以及基于超寬帶(UWB)、軟件定義無線電(SRD)與多輸入多輸出(MIMO)技術的先進移動通信系統(tǒng);進一步研發(fā)超低功率放大器、軟件結構RF以及片上天線;此外，封裝技術對經久耐用的植/侵入式器件也是至關重要的。

　　下面主要介紹體內植/侵入式無線收發(fā)器和數(shù)字電子疹診療貼的設計，介紹人體域網絡的發(fā)展情況。

　　體內植/侵入式器件無線通信

　　Zarlink Semiconductor公司致力于開發(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(yī)療器件和監(jiān)測設備的遙測系統(tǒng)。新一代采用0.18?m RFCMOS工藝并具有新型無線結構和調制技術的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(shù)據速率傳送至記錄儀。發(fā)射時消耗5.2mW功率，設計工作時間超過8小時。

                                     圖1 ZL70101方框圖

　　ZL70101(圖1)是一個超低功耗無線收發(fā)器，為醫(yī)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MICS信道與2個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)，和一個標準SPI接口提供方便的連接。一個備選的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(shù)據塊，最大誤碼率(BER)小于1.5×10-10。

　　ZL70101收發(fā)器既可用于植/侵入式設備，也可用于基站。鑒于兩個系統(tǒng)對功耗有不同的要求，收發(fā)器定義了兩種基本的啟動工作方式：

　　·植/侵入式設備(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，IMD可通過2.45GHz鏈路喚醒，或通過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

　　為了方便用戶使用，該公司還推出了ZLE應用開發(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(shù)據傳輸和喚醒操作的分立電路、通過工業(yè)標準SPI總線連接的應用微控制器、以及接口至PCB基環(huán)天線的SMA連接器;后者在前者的基礎上，增添了喚醒發(fā)射子系統(tǒng)和執(zhí)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。套件還配置了應用開發(fā)平臺(ADP100)板，使計算機可通過USB2.0接口至AIM100板或BSM100板。

　　數(shù)字電子診療貼

　　當加拿大Zarlink公司致力于人體網絡的體內通信時，英國的Toumaz Technology公司另辟蹊徑，提供一個體外通信的解決方案，稱為Sensium數(shù)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(shù)字積木塊、RF收發(fā)器和片上溫度傳感器。一個或多個啟用Sensium數(shù)字電子電子貼連續(xù)地監(jiān)測人體的重要生理參數(shù)，并報告給插入PDA或智能手機中的Sensium基站。

圖3 數(shù)字電子診療貼

　圖4 TZ1030方框圖

　　在這類應用中，系統(tǒng)結構(圖4)可分為三個單元：傳感器節(jié)點目標站、基站和因特網服務/中心數(shù)據庫。目標站支持多種數(shù)據速率高達50kbps的傳感器，用30mAhr電池可工作一年。傳感器產生的極低電平信號可用片上程序和數(shù)據內存進行預處理。基站最多可鏈接8個目標站，每個監(jiān)測一個人體的生理參數(shù)，諸如溫度、心速、呼吸、血壓等。數(shù)據進一步得到過濾和處理，然后通過無線或因特網傳送至中心數(shù)據庫，為保健或醫(yī)療提供依據。

　                                           圖5 無線人體監(jiān)測系統(tǒng)結構

　　器件的核心是用130nm RFCMOS工藝和具有專利的先進混合信號(AMX)技術制作的高集成芯片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(shù)據變喚、數(shù)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(xù)Tx/Rx模式消耗3mA電流，發(fā)射距離達3米。

　　人體局域網(BAN)

　　超低功耗收發(fā)器和醫(yī)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。事實上，為了實現(xiàn)這個目標，IEEE802在2007年12月就 立了一個制訂IEEE802.15的工作組6(TG6)。該工作組將定義一個人體范圍內的短程、無線通信標準。一個備選方案的基本要點是：

　　·MICS頻帶：402-405MHz(FCC47CFR95.601-95.673子項E);

　　·10個300KHz信道;

　　·自適應頻率校準;

　　·25?W EIRP;

　　·醫(yī)療無線電FCC建議頻帶：401-402MHz與405-406MHz;

　　·無線醫(yī)療遙測服務(WMTS)頻帶：608/614MHz(TV37頻道)、1395-1400MHz、1427-1432MHz;

　　·工業(yè)、科學與醫(yī)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，是非相干檢測的開關信號，使用截斷三角波調制正弦函數(shù)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個應用市場：醫(yī)療保健、殘疾人援助設施、人體間相互作用與娛樂設施。

結語

　　可備帶、可植/侵主的健康醫(yī)療器件已大量涌現(xiàn)，如常見的指尖式血氧傳感器、腕表型血糖傳感器、腕表型睡眠器質測量儀、可植入身份識別組件等，而新一代超低功耗收發(fā)器將技術水平提高到一個新的高度，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，人體組織對無線電波有吸收作用，因此BAN物理層需要創(chuàng)新的技術，同時還要考慮人體安全性的因素，此外，檢測手段技術的多樣性也比其它局域網復雜。這些問題有待于解決。(東華)