基于超低功RF收發(fā)器的植入式醫(yī)療設(shè)備通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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集成電路(IC)和醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)在過去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(fù)雜、高度集成和小型化醫(yī)療器械的發(fā)展。同時(shí)，保健成本的不斷增長(zhǎng)和人們生活的更加富裕，身體的更肥胖以及壽命的延長(zhǎng)，已經(jīng)產(chǎn)生對(duì)依靠與基站無(wú)線連接的植入式醫(yī)療設(shè)備的新應(yīng)用和治療的需求。
傳統(tǒng)上，植入式醫(yī)療設(shè)備的通信系統(tǒng)采用極短距離磁耦合，這就要求在編程器和醫(yī)療設(shè)備之間進(jìn)行緊耦合，通常數(shù)據(jù)傳輸率低于50kbps。
為了克服距離的限制，402MHz ~ 405MHz醫(yī)療植入通信服務(wù)(MICS)頻帶在1999年啟用，隨后歐洲也出現(xiàn)類似標(biāo)準(zhǔn)。該頻帶支持較長(zhǎng)距離 (通常2m)、相對(duì)高速的無(wú)線鏈接。由于信號(hào)在人體內(nèi)的傳輸特性、與該頻帶內(nèi)在業(yè)用戶工作的兼容(如氣象氣球等輔助氣象設(shè)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(yī)療應(yīng)用的電子系統(tǒng)的低功率設(shè)計(jì)難度巨大。例如，絕大多數(shù)植入式起搏器壽命要求長(zhǎng)于7年，最大漏電流在10uA~ 20uA量級(jí)。由于需要支持起搏治療而對(duì)電流消耗的要求，通信系統(tǒng)的電流設(shè)計(jì)量在設(shè)備壽命范圍內(nèi)總平均電流不超過總電流設(shè)計(jì)量的15%，即2uA~ 3uA?？芍踩胧结t(yī)療系統(tǒng)的收發(fā)器必須定期“查看”或者監(jiān)控外部通信設(shè)備，在不查看時(shí)，保持在很低的功率狀態(tài)以儲(chǔ)存能量。
設(shè)計(jì)考慮
為了能使用MICS頻帶，植入式醫(yī)療設(shè)備需要使用超低功率、高性能收發(fā)器。植入式設(shè)備收發(fā)器設(shè)計(jì)面臨眾多挑戰(zhàn)，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(duì)較高，這就限制了從電池吸入的電流。
(2)在通訊階段，對(duì)大多數(shù)可植入設(shè)備，應(yīng)將電流限制在小于6mA。
(3)處于休眠和定期“查看”以喚醒信號(hào)時(shí)，處于低功率。
(4)外部元件最少且物理體積最小?？芍踩爰?jí)元件的價(jià)格昂貴，高集成度可以降低成本并增加系統(tǒng)整體可靠性。
(5)數(shù)據(jù)傳輸率合理。目前，起搏器應(yīng)用要求數(shù)據(jù)傳輸率大于20 kbps，將來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸率要高得多。
(6)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸摺?BR>(7)選擇性和干擾抑制能力，特別是歐洲TETRA無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)所要求的。
(8)距離一般要超過兩米。距離越長(zhǎng)則需要的靈敏度要越好，因?yàn)樾√炀€和體損失影響鏈路預(yù)算和允許距離。天線、匹配、衰減和體損失的變化都很大，損失可能高達(dá)40dB~45dB。
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ZL70101 MICS收發(fā)器在高數(shù)據(jù)傳輸率的情況下具有非常出色的低功耗特性。在高達(dá)800kbps的數(shù)據(jù)率下工作時(shí)，發(fā)射和接收電流都小于5 mA。電路具有獨(dú)特的工作在2.45 GHz的超低功率喚醒系統(tǒng)，平均休眠/監(jiān)控電流小于250nA。系統(tǒng)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(yī)療設(shè)備可以劃分為使用內(nèi)部非可再充電電池(如起搏器)類和感應(yīng)耦合功率類(如人工耳蝸)。前者極力挖掘系統(tǒng)占空比潛力，目的是節(jié)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(shè)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確保用戶能接收到高完整性數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成所需的大部分鏈路維護(hù)工作。此外，MAC協(xié)議提供有一個(gè)節(jié)省功率的定時(shí)器，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包之后，該定時(shí)器將植入設(shè)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，在滿足應(yīng)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(shù)據(jù)率。需要低數(shù)據(jù)傳輸率(甚至達(dá)到低kHz范圍)的系統(tǒng)應(yīng)該對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，工作在盡可能高的數(shù)據(jù)率下，降低占空比以降低平均電流損耗。以短脈沖發(fā)送數(shù)據(jù)能節(jié)省功率，降低產(chǎn)生干擾的時(shí)間窗。此外，對(duì)高電池阻抗系統(tǒng)，由于從電容放電的脈沖更短，電源對(duì)去耦的要求可能更低。
收發(fā)器允許用戶隨接收器靈敏度的不同，從多種數(shù)據(jù)率(200 kbps, 400 kbps, 800 kbps)中進(jìn)行選擇。為便于實(shí)現(xiàn)這一靈活性，系統(tǒng)采用2 FSK或4 FSK調(diào)制，每秒200或400千字符，頻率偏差可變(見表1)。通過采用片外數(shù)字濾波，可以達(dá)到更低的數(shù)據(jù)傳輸率和相應(yīng)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，用戶可以開發(fā)定制協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸率。
總體系統(tǒng)架構(gòu)
ZL70101工作于植入設(shè)備和外部基站(見圖2)?；景òl(fā)射2.45 GHz喚醒信號(hào)的附加電路。系統(tǒng)一旦通過2.45 GHz喚醒信號(hào)啟動(dòng)，就通過402MHz到405MHz MICS頻帶收發(fā)器交換數(shù)據(jù)。
ZL70101 MICS芯片(見圖3)包含3個(gè)主要的子系統(tǒng)：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(jù)輸入引腳的狀態(tài)確定芯片用作植入醫(yī)療設(shè)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(gòu)。低的中頻可使濾波器和調(diào)制器功耗最小，沒有與高數(shù)據(jù)率、零中頻架構(gòu)相關(guān)的閃爍噪聲和直流偏移問題。FSK調(diào)制方案降低了發(fā)射放大器線性要求，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(biāo)為半雙工RF發(fā)射器的400MHz發(fā)射子系統(tǒng)，包含有一個(gè)中頻調(diào)制器、一混頻器和一功率放大器。IF調(diào)制器將一個(gè)一位(兩個(gè)FSK)或兩位(4個(gè)FSK)異步數(shù)字輸入數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為中頻。上變頻混頻器將中頻轉(zhuǎn)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)射數(shù)據(jù)包之間的死區(qū)時(shí)間最短。
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可通過寄存器自-4.5dBm~-17dBm(500 Ω負(fù)載)，以小于3dB的步長(zhǎng)編程發(fā)射功放的輸出功率。所有RF輸入的內(nèi)部天線匹配電容組都可以細(xì)調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)，對(duì)給定的功率設(shè)置，實(shí)現(xiàn)輸出功率最大，接收器噪聲指數(shù)最佳。天線調(diào)諧為自動(dòng)刻度，其中采用了一種與ADC耦合的峰值檢測(cè)器，同時(shí)帶一校準(zhǔn)控制狀態(tài)機(jī)。
400MHz接收器子系統(tǒng)將MICS頻帶信號(hào)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(duì)植入醫(yī)療設(shè)備收發(fā)器，建議采用更高的增益設(shè)置，而相對(duì)低一些的增益設(shè)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)化為理想的線性(IIP3)、功耗和噪聲指數(shù)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(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)模塊。RSSI測(cè)量由一個(gè)5位ADC轉(zhuǎn)換，可以通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI接口讀取。這對(duì)MICS無(wú)干擾信道評(píng)估程序有利。注意，首先必須通過MICS標(biāo)準(zhǔn)定義的一種無(wú)干擾信道評(píng)估程序，用一外部?jī)x器確定一個(gè)合適的可用信道。
為此，還開發(fā)了一種為高可靠性醫(yī)療應(yīng)用定制的專用協(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(cè)技術(shù)進(jìn)行誤差校正和檢測(cè)。假設(shè)原無(wú)線電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(shù)據(jù)塊能夠自動(dòng)再傳輸，并實(shí)現(xiàn)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(jí)信息。
(4)能處理鏈路看門狗，確保在通信沒有成功5秒之后斷開鏈路。
(5)提供鏈路質(zhì)量診斷和自動(dòng)校準(zhǔn)控制。
超低功率喚醒接收器
由于儲(chǔ)存電池能量最重要，所以大多數(shù)植入應(yīng)用都很少使用MICS RF鏈路。在極低功率應(yīng)用中，大部分時(shí)間內(nèi)，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(tǒng)必須在無(wú)干擾信道評(píng)估程序之后，等待基站啟動(dòng)通訊。植入收發(fā)器應(yīng)該周期性查詢基站是否要進(jìn)行通訊。
喚醒系統(tǒng)采用一種工作在2.45GHz SRD頻帶的超低功率RF接收器，檢測(cè)并解碼一種專用數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)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(shè)備發(fā)送緊急命令或者采用選擇性喚醒系統(tǒng)的植入設(shè)備就需要這種方式。
本文小結(jié)
超低功率無(wú)線技術(shù)對(duì)許多植入醫(yī)療設(shè)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(tǒng)、診斷傳感器和迅速增長(zhǎng)的植入式糖尿病監(jiān)測(cè)器。然而，隨著植入通訊系統(tǒng)發(fā)展為支持高級(jí)診斷和治療，無(wú)線性能對(duì)植入醫(yī)療設(shè)備的電池壽命不產(chǎn)生影響很關(guān)鍵。
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