醫(yī)療信息通信昭示人體局域網(wǎng)時代的到來

盡管可植入射頻收發(fā)器芯片技術(shù)的進(jìn)步推動了體內(nèi)醫(yī)療通信技術(shù)的發(fā)展，但是超低功耗無線人體傳感器的快速發(fā)展卻促進(jìn)了體外通信技術(shù)的形成。進(jìn)而，構(gòu)成人體局域網(wǎng)（即BAN）平臺，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)/體外醫(yī)用傳感器與監(jiān)測工具的無線連接，實(shí)時提供病人的健康數(shù)據(jù)。

隨著寬帶移動電子技術(shù)與超低功耗消費(fèi)電子的結(jié)合，以及可植入半導(dǎo)體無線收發(fā)器芯片和傳感器日趨小型化，全球的醫(yī)療保健和健康診療手段正發(fā)生著快速的變化。

從而，支持遠(yuǎn)程實(shí)時醫(yī)療檢測和治療的新服務(wù)與應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)普及式醫(yī)療服務(wù)發(fā)展到一個全新的水平。去年，在美國檀香山召開的國際微波大會上，日本橫濱國立大學(xué)醫(yī)療信息通信技術(shù)研究所主任Ryuji Kohno教授在他的主題演講中指出了高級無線通信技術(shù)的一個全新的發(fā)展方向，并介紹了日本開展的醫(yī)療信息通信技術(shù)（ICT）研究項(xiàng)目和有關(guān)活動。通過一個名為“u-日本計劃”的五年計劃（2006年-2010年），日本政府將努力構(gòu)建一個安全而可靠的醫(yī)療服務(wù)普適網(wǎng)絡(luò)。

為了實(shí)現(xiàn)這種醫(yī)療衛(wèi)生保健服務(wù)，在日本開展的醫(yī)療信息通信技術(shù)（ICT）研究項(xiàng)目和有關(guān)活動將探索多種新技術(shù)，包括RFID、網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人、傳感網(wǎng)絡(luò)、基于先進(jìn)UWB（超寬帶）技術(shù)的移動通信系統(tǒng)、SDR（軟件無線電）和MIMO（多入多出）技術(shù)。因此，他補(bǔ)充道，我們需要在超低功耗放大器和LNA（低噪聲放大器）、軟件可重構(gòu)射頻技術(shù)、可植入芯片專用天線和可感知傳感機(jī)器人等領(lǐng)域展開進(jìn)一步的研究工作。此外，封裝技術(shù)對于可穿戴與可植入器件也是至關(guān)重要的。

日本橫濱國立大學(xué)醫(yī)療信息通信技術(shù)研究所主任Ryuji Kohno教授認(rèn)為，人用可植入器件技術(shù)的發(fā)展以及可植入無線芯片的出現(xiàn)促進(jìn)了體內(nèi)通信技術(shù)的發(fā)展，從而支持新的監(jiān)測、診斷和治療應(yīng)用。最后，Kohno教授介紹了一種由奧林巴斯公司研制的無線膠囊式內(nèi)窺鏡，利用這種器件可以以非侵入的方式檢測人體小腸。

可植入器件

對于可植入半導(dǎo)體芯片和體內(nèi)通信技術(shù)，Zarlink半導(dǎo)體公司不斷改進(jìn)其可植入超低功耗收發(fā)器ZL70101（參見“促成體內(nèi)通信的可植入超低功耗無線芯片”，《RF Design》，2007年6月，p.20），用于醫(yī)療遙測系統(tǒng)鏈接植入的醫(yī)療器件和監(jiān)測設(shè)備。實(shí)際上，Zarlink已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種器件，推出了醫(yī)療診斷用的藥片式攝像機(jī)。這種攝像機(jī)采用CMOS成像技術(shù)拍攝圖像，并以每秒4幀、2.7Mbps的數(shù)據(jù)速率將圖像傳輸給記錄儀。其傳輸數(shù)據(jù)時的功耗只有5.2mW左右，能夠工作8個小時以上。Zarlink 公司醫(yī)療通信部市場主管Peter Putnam指出，這種藥片式攝像機(jī)已經(jīng)獲得了FDA認(rèn)證，并在600,000名病人身上進(jìn)行過臨床實(shí)驗(yàn)。

此外，Putnam還指出，這種產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在一種在產(chǎn)的心臟起搏器上。但是，Zarlink公司對此不打算授權(quán)OEM廠商。這種產(chǎn)品的其他目標(biāo)應(yīng)用包括神經(jīng)刺激器、藥物泵、ICD（可植入式心率除顫器）和某些生理監(jiān)護(hù)儀。

此外，Zarlink還以ZL70101可植入收發(fā)器為基礎(chǔ)，推出了一種開發(fā)工具包，能夠?qū)闪酥踩胧结t(yī)療器件與監(jiān)測和編程設(shè)備的無線遙測系統(tǒng)進(jìn)行更快速的設(shè)計和評估。

ZLE70101 ADK（應(yīng)用開發(fā)套件）展示了ZL70101收發(fā)器支持的高速、超低功耗、可靠通信鏈路。這種高度集成的射頻芯片具有最高800kbps的數(shù)據(jù)速率，工作在MICS（醫(yī)療植入通信服務(wù)）專用的402-405MHz頻段。該芯片在完全工作模式下的電源電流只有5mA，結(jié)合一種獨(dú)特的“喚醒”接收器，該芯片在休眠模式下只有極低的250nA電流。

在植入和基站平臺上采用常用的微控制器能夠快速集成到用戶的專用系統(tǒng)設(shè)計中。運(yùn)行于Windows環(huán)境的GUI（圖形用戶界面）通過USB2.0接口連接MICS射頻板。該開發(fā)套件還包括一種應(yīng)用開發(fā)平臺（ADP100）板，它通過USB2.0接口連接PC機(jī)和植入或基站夾層板。應(yīng)用植入夾層（AIM100）板用于實(shí)現(xiàn)所有與MICS相關(guān)的植入式通信。該電路板包括ZL70101收發(fā)器、用于常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸和喚醒操作的匹配網(wǎng)絡(luò)離散電路、通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI總線連接ZL70101的專用微控制器，以及用于連接PCB環(huán)形天線的SMA連接器（如圖1所示）。

此外，基站夾層（BSM100）板用于實(shí)現(xiàn)所有與MICS相關(guān)的基站/監(jiān)測設(shè)備通信處理工作。該電路板與AIM100具有相同的功能，此外還包括一個喚醒發(fā)射子系統(tǒng)和一個用于實(shí)現(xiàn)CCA（clear-channel assessment，空閑信道評估）的RSSI（received-signal-strength indicator，接收信號強(qiáng)度指示）濾波器。BSM100板還包括一個針對MICS波段進(jìn)行了性能優(yōu)化并支持喚醒信號功能的雙波段天線。為了最大限度地縮短開發(fā)時間，ADP100、AIM100和BSM100板提供了源碼詳細(xì)注釋的嵌入式固件，以幫助開發(fā)人員快速掌握芯片的編程需求，同時支持固件重用。

同時，Zarlink公司還與位于英國的歐盟Healthy Aims（健康目標(biāo)）項(xiàng)目合作。研究人員正在研究有關(guān)醫(yī)療技術(shù)，包括集成無線功能的可植入式器件。其中一個應(yīng)用是FES（functional electrical stimulation，功能性電刺激），它利用植入器件的信號刺激肌肉促進(jìn)肢體的運(yùn)動。Zarlink公司還針對這一應(yīng)用開展了體內(nèi)天線的研發(fā)工作。

Cambridge Consultants公司憑借其在醫(yī)療保健和無線通信方面的技術(shù)實(shí)力，開發(fā)出了一種用于體內(nèi)醫(yī)療診斷和治療的控制與通信架構(gòu)，稱為SubQore。Cambridge Consultants公司的外科與介入產(chǎn)品主管Mark Manasas談到，SubQore的設(shè)計兼容MICS波段，當(dāng)植入皮下時無線傳輸范圍可達(dá)2m。他還提到，“它采用了一種可定制的架構(gòu)，用戶可以將其變成定制ASIC。我雖然不太清楚該架構(gòu)的模擬進(jìn)展，但是該設(shè)計集成了多個預(yù)先開發(fā)的低功耗硅模塊，這些模塊在以前的設(shè)計中都得到了驗(yàn)證。”

此外，Zarlink公司還不斷努力降低可植入收發(fā)器芯片的功耗。圍繞這一目標(biāo)，70102將采用支持最新射頻架構(gòu)和調(diào)制技術(shù)的0.18 ?m射頻CMOS工藝，并有望在今年下半年推向市場。

體外通信

在Zarlink和Cambridge Consultants致力于研究用于人體連網(wǎng)的體內(nèi)通信技術(shù)的同時，英國的Toumaz技術(shù)公司正在尋找體外通信的解決方案，以改進(jìn)醫(yī)療保健和生活方式的管理水平。圍繞這一目標(biāo)，Toumaz公司研制出了一種稱為Sensium的超低功耗無線人體監(jiān)測片上系統(tǒng)。然后利用Sensium研制出了一種標(biāo)貼了數(shù)字橡皮膏的可穿著傳感器。當(dāng)病人穿著這種傳感器時，其中的數(shù)字橡皮膏（如圖2所示）能夠連續(xù)監(jiān)測多種健康指標(biāo)，例如心律、體溫、脈搏速率和呼吸頻率，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給安裝了醫(yī)療記錄儀的基站。

簡而言之，Sensium是一個超低功耗傳感器接口和收發(fā)器平臺，其中包括一個可重構(gòu)傳感器接口、一個帶8051處理器的數(shù)字模塊、一個射頻收發(fā)器模塊和一個片上溫度傳感器。此外，它的片上編程功能和內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲器能夠?qū)崿F(xiàn)信號的本地處理。一塊或多塊基于Sensium的數(shù)字橡皮膏能夠連續(xù)監(jiān)測人體的一些關(guān)鍵生理參數(shù)，將結(jié)果報告給接插在PDA或者智能電話上的基站Sensium。應(yīng)用軟件可以進(jìn)一步過濾和處理這些數(shù)據(jù)。據(jù)開發(fā)人員所稱，一個Sensium利用一塊30mAhr的電池能夠工作一年。

在這種應(yīng)用中，系統(tǒng)架構(gòu)可以分成三個部分：目標(biāo)站、基站和Web服務(wù)器/中心數(shù)據(jù)庫?？纱┐鞯膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)（目標(biāo)站）支持多種傳感器，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率可達(dá)50kbps。所有來自傳感器的低級模擬信號首先都經(jīng)過芯片的預(yù)處理，然后作為射頻信號傳輸給基站?；咀疃嗫涉溄?個目標(biāo)站，每個目標(biāo)站負(fù)責(zé)監(jiān)測人體上的多個生理信號。

這款型號為TZ1030的高集成度醫(yī)療芯片憑借其獲得專利的AMx（advanced mixed-signal，高級混合信號）技術(shù)，采用英飛凌的130nm射頻CMOS工藝流片。實(shí)際上，這款芯片借鑒了倫敦皇家學(xué)院在超低功耗射頻電路和信號處理方面的先進(jìn)技術(shù)（如圖3所示）。Toumaz公司的COO和聯(lián)合創(chuàng)辦人Keith Errey認(rèn)為，該芯片經(jīng)過最初的功能測試已經(jīng)達(dá)到了所有的目標(biāo)精度和性能參數(shù)。他同時指出，這款超低功耗1V SoC芯片很快將投入批量生產(chǎn)。

同時，研發(fā)人員還努力推動相關(guān)產(chǎn)品的戰(zhàn)略研發(fā)以及面向美國主要醫(yī)療保健服務(wù)供應(yīng)商的推廣工作。盡管還沒有找到OEM合作伙伴，但是Toumaz認(rèn)為其美國合作伙伴將在獲得管理授權(quán)、制造、營銷和推廣方面提供幫助。

目前，該芯片在1V電壓下的工作電流只有3mA。研發(fā)人員希望今后繼續(xù)大幅度降低該芯片的功耗。因此，正在研究新的無線架構(gòu)和其他的調(diào)制技術(shù)。此外，該芯片采用了FSK（frequency-shift keying，頻移鍵控）技術(shù)，載波頻率為868/915MHz，采用了80腿的BGA封裝。研發(fā)人員還力爭在不犧牲功耗的情況下，將其數(shù)據(jù)速率從50kbps提高到150kbps。

據(jù)Errey所稱，供應(yīng)商不斷改進(jìn)數(shù)字橡皮膏的性能，這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行之中。有待解決的問題包括尋找具有生物親和性、能夠透水透氣、制造成本低廉的柔性材料。

人體局域網(wǎng)

隨著超低功耗可植入器件與體外射頻器件和傳感器的發(fā)展，人體局域網(wǎng)（BAN）通過高速、短距離的無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)植入的醫(yī)療器件和體外傳感器的無線互連，并利用監(jiān)測工具實(shí)時提供病人的健康數(shù)據(jù)。實(shí)際上，針對這一目標(biāo)，IEEE 802委員會于2007年12月批準(zhǔn)成立了第6工作組（TG6），著手制訂IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)，并任命Arthur W.Astrin 擔(dān)任該工作組的主席。Astrin是位于加州帕洛阿爾托的Astrin Radio公司的CEO。

該工作組將制訂一個在人體附近或體內(nèi)進(jìn)行短距離無線通信的標(biāo)準(zhǔn)，使用由國際醫(yī)療管理局授權(quán)的頻段。實(shí)際上，2006年在芬蘭奧盧市召開的第二屆國際醫(yī)療信息與通信技術(shù)大會（ISMICT’07）上，Astrin在其發(fā)表的一篇論文中指出，下列頻段是這一應(yīng)用的候選頻段：

MICS頻段：402-405MHz：美國、歐盟、韓國、日本（FCC 47 CFR 95.601-95.673 E元件）；

醫(yī)療無線通信FCC提議頻段：401-402MHz和405-406MHz；

無線醫(yī)療遙測服務(wù)（WMTS）頻段：608-614MHz (TV ch. 37)、1395-1400MHz、1427-1432MHz；

工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段：868/915MHz、2.4GHz、5.8GHz；

UWB頻段；

RFID鏈路：135kHz、6.78MHz、13.56MHz (ERC Rec. 70-03)；

感應(yīng)鏈路頻段：9 kHz-315kHz (ECC Report 12)；

電容性無載波基帶傳輸。

該論文還指出了BAN的基本需求。按照該文的說法，BAN的信號覆蓋距離為2－5m，在1m距離內(nèi)的功耗約為1mW/Mbps。對于BAN節(jié)點(diǎn)的供電問題，Astrin在論文中建議采用可充電的鋰電池、感應(yīng)式再充電和能量采集技術(shù)作為體內(nèi)器件的電源。同樣，對于體外傳感器，可以考慮采用溫度差、不可再充電電池（干鋅電池、鋰電池和氧化銀電池）或者可再充電的鋰離子電池作為電源。

為了推進(jìn)這一進(jìn)程，IEEE 802.15.6工作組已經(jīng)于今年元月份在臺灣臺北市召開了首次會議。其實(shí)，在2－5m的覆蓋距離上，802.15.6將主要面向三類市場應(yīng)用：醫(yī)療衛(wèi)生保健服務(wù)、殘疾人輔助、人體交互與娛樂。但是，最終確定這一標(biāo)準(zhǔn)并沒有正式的官方時間表。

此外，位于日本神奈川的NICT（National Institute of Communications and Information Technologies，國立通信與信息技術(shù)研究所）醫(yī)療信息與通信技術(shù)小組的研究員Marco Hernandez和Ryuji Kohno已經(jīng)為BAN研制出了一種新的物理層（PHY），并將其推薦給了IEEE標(biāo)準(zhǔn)工作組802.11.6.

由于BAN需要極低的功耗，研究人員從信息理論的角度研究了一套極低功耗狀態(tài)下的信號傳輸理論。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時，Hernandez和Kohno實(shí)現(xiàn)了真實(shí)系統(tǒng)能耗的下界，包括發(fā)射器和收發(fā)器上的功耗。Hernandez談到，當(dāng)收發(fā)器貼近人體工作時（某些情況下在人體身上實(shí)現(xiàn)），被人體組織吸收的輻射量大小尤其值得注意。為此，研究人員為BAN設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、能效高、風(fēng)險低、組織加熱的UWB信號。為此，他們將實(shí)際收發(fā)器的影響和信息理論結(jié)果考慮在內(nèi)，設(shè)定了能效指標(biāo)，作為低功耗系統(tǒng)設(shè)計的起點(diǎn)。此外，他們還預(yù)估了在偶極天線的進(jìn)場和遠(yuǎn)場中基于SAR的安全性指標(biāo)。

實(shí)際上，根據(jù)已經(jīng)取得的研究成果，Marco和Kohno提出了帶非相干檢測的開關(guān)信號產(chǎn)生方案，采用截角調(diào)制正弦函數(shù)作為PHY的脈沖波形。為了驗(yàn)證這一方案的可行性，兩位研究人員已經(jīng)基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了低功耗UWB收發(fā)器。這一研究成果已經(jīng)作為論文“Ultralow-power UWB signal design for body area networks”發(fā)表在ISMICT’07大會上。