醫(yī)療信息通信設(shè)計(jì)和人體域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展介紹

　　醫(yī)療信息通信技術(shù)(ICT)將充分借助和涉及現(xiàn)有眾多的高新技術(shù)，諸如傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人、RFID以及基于超寬帶(UWB)、軟件定義無(wú)線電(SRD)與多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)的先進(jìn)移動(dòng)通信系統(tǒng);進(jìn)一步研發(fā)超低功率放大器、軟件結(jié)構(gòu)RF以及片上天線;此外，封裝技術(shù)對(duì)經(jīng)久耐用的植/侵入式器件也是至關(guān)重要的。

　　在醫(yī)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)線收發(fā)芯片與傳感器大量使用，必將推動(dòng)人體域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(BAN)迅速發(fā)展，為醫(yī)療信息通信提供一個(gè)必要的平臺(tái)，實(shí)時(shí)地傳送人體的生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和治療。例如，日本政府正在實(shí)施一個(gè)“u-Japan”計(jì)劃，旨在建立一個(gè)獨(dú)特的ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，用于安全又可靠的醫(yī)療服務(wù)。

　　下面主要介紹體內(nèi)植/侵入式無(wú)線收發(fā)器和數(shù)字電子疹診療貼的設(shè)計(jì)，介紹人體域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況。

體內(nèi)植/侵入式器件無(wú)線通信

　　Zarlink Semiconductor公司致力于開(kāi)發(fā)植/侵入式半導(dǎo)體芯片和體內(nèi)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(cè)設(shè)備的遙測(cè)系統(tǒng)。新一代采用0.18?m RFCMOS工藝并具有新型無(wú)線結(jié)構(gòu)和調(diào)制技術(shù)的70102亦即將面世。據(jù)該公司報(bào)道，ZL70101已用于診斷用藥丸式攝像機(jī)中，拍攝圖像，并按每秒4幀、2.7Mbps數(shù)據(jù)速率傳送至記錄儀。發(fā)射時(shí)消耗5.2mW功率，設(shè)計(jì)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)線收發(fā)器，為醫(yī)療植/侵入式應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(jié)合CRC誤碼檢測(cè)以達(dá)到十分可靠鏈接。對(duì)數(shù)據(jù)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(shè)備，也可用于基站。鑒于兩個(gè)系統(tǒng)對(duì)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(yī)療設(shè)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

　　為了方便用戶使用，該公司還推出了ZLE應(yīng)用開(kāi)發(fā)套件(ADK)。配置了植/侵入式應(yīng)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(jù)傳輸和喚醒操作的分立電路、通過(guò)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI總線連接的應(yīng)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(chǔ)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(hào)強(qiáng)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(yīng)用開(kāi)發(fā)平臺(tái)(ADP100)板，使計(jì)算機(jī)可通過(guò)USB2.0接口至AIM100板或BSM100板。

數(shù)字電子診療貼

　　當(dāng)加拿大Zarlink公司致力于人體網(wǎng)絡(luò)的體內(nèi)通信時(shí)，英國(guó)的Toumaz Technology公司另辟蹊徑，提供一個(gè)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(gè)高集成度、超低功耗傳感器接口和收發(fā)器平臺(tái)(圖3)，內(nèi)置可重構(gòu)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(gè)或多個(gè)啟用Sensium數(shù)字電子電子貼連續(xù)地監(jiān)測(cè)人體的重要生理參數(shù)，并報(bào)告給插入PDA或智能手機(jī)中的Sensium基站。

圖3 數(shù)字電子診療貼

???? 在這類應(yīng)用中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖4)可分為三個(gè)單元：傳感器節(jié)點(diǎn)目標(biāo)站、基站和因特網(wǎng)服務(wù)/中心數(shù)據(jù)庫(kù)。目標(biāo)站支持多種數(shù)據(jù)速率高達(dá)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(hào)可用片上程序和數(shù)據(jù)內(nèi)存進(jìn)行預(yù)處理?；咀疃嗫涉溄?個(gè)目標(biāo)站，每個(gè)監(jiān)測(cè)一個(gè)人體的生理參數(shù)，諸如溫度、心速、呼吸、血壓等。數(shù)據(jù)進(jìn)一步得到過(guò)濾和處理，然后通過(guò)無(wú)線或因特網(wǎng)傳送至中心數(shù)據(jù)庫(kù)，為保健或醫(yī)療提供依據(jù)。

圖4 TZ1030方框圖

????? 器件的核心是用130nm RFCMOS工藝和具有專利的先進(jìn)混合信號(hào)(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(nèi)、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(jù)變喚、數(shù)據(jù)壓縮、調(diào)制的預(yù)處理功能;收發(fā)器的發(fā)射功率為-10dBm，接收靈敏度達(dá)-97dBm(0.1%誤碼率)，采用雙向FSK調(diào)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(dá)3米。

圖5 無(wú)線人體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

人體局域網(wǎng)(BAN)

　　超低功耗收發(fā)器和醫(yī)療傳感器的飛速發(fā)展，構(gòu)建高速、短程的BAN就顯得十分迫切。事實(shí)上，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，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(nèi)的短程、無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。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(xiàng)E);

????? 10個(gè)300KHz信道;

????? 自適應(yīng)頻率校準(zhǔn);

????? 25?W EIRP;

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

????? 無(wú)線醫(yī)療遙測(cè)服務(wù)(WMTS)頻帶：608/614MHz(TV37頻道)、1395-1400MHz、1427-1432MHz;

????? 工業(yè)、科學(xué)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(yīng)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(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)，是非相干檢測(cè)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，使用截?cái)嗳遣ㄕ{(diào)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(gè)應(yīng)用市場(chǎng)：醫(yī)療保健、殘疾人援助設(shè)施、人體間相互作用與娛樂(lè)設(shè)施。

　　可備帶、可植/侵主的健康醫(yī)療器件已大量涌現(xiàn)，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(cè)量?jī)x、可植入身份識(shí)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(dú)地工作，通信資源就不能充分地利用，因此BAN的研發(fā)勢(shì)在必行。當(dāng)然，BAN是一種獨(dú)特的局域網(wǎng)，人體組織對(duì)無(wú)線電波有吸收作用，因此BAN物理層需要?jiǎng)?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(cè)手段技術(shù)的多樣性也比其它局域網(wǎng)復(fù)雜。這些問(wèn)題有待于解決。