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1 前言 在醫療和保健領域，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)迅速發展，為醫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，實現遠程診斷和治療。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療服務。 醫療信息通信技術(ICT)將充分借助和涉及現有眾多的高新技術，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;進一步研發超低功率放大器、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/侵入式無線收發器和數字電子疹診療貼的設計，介紹人體域網絡的發展情況。 2 體內植/侵入式器件無線通信 Zarlink Semiconductor公司致力于開發植/侵入式半導體芯片和體內通信，它的超低功耗收發器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數據速率傳送至記錄儀。發射時消耗5.2mW功率，設計工作時間超過8小時。 ZL70101(圖1)是一個超低功耗無線收發器，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MICS信道與2個ISM信道400MHz收發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。對數據塊，最大誤碼率(BER)小于1.5×10-10。 圖1 ZL70101方框圖 ZL70101收發器既可用于植/侵入式設備，也可用于基站。鑒于兩個系統對功耗有不同的要求，收發器定義了兩種基本的啟動工作方式： 植/侵入式醫療設備(IMD)方式：在此方式，收發器通常處于休眠狀態，也就是處于極低電流狀態。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收發器，用了正常數據傳輸和喚醒操作的分立電路、通過工業標準SPI總線連接的應用微控制器、以及接口至PCB基環天線的SMA連接器;后者在前者的基礎上，增添了喚醒發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。套件還配置了應用開發平臺(ADP100)板，使計算機可通過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收發器和片上溫度傳感器。一個或多個啟用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 在這類應用中，系統結構(圖4)可分為三個單元：傳感器節點目標站、基站和因特網服務/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。傳感器產生的極低電平信號可用片上程序和數據內存進行預處理。基站最多可鏈接8個目標站，每個監測一個人體的生理參數，諸如溫度、心速、呼吸、血壓等。數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、數據變喚、數據壓縮、調制的預處理功能;收發器的發射功率為-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;收發器在連續Tx/Rx模式消耗3mA電流，發射距離達3米。 圖5 無線人體監測系統結構 4 人體局域網(BAN) 超低功耗收發器和醫療傳感器的飛速發展，構建高速、短程的BAN就顯得十分迫切。事實上，為了實現這個目標，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; 25W EIRP; 醫療無線電FCC建議頻帶：401-402MHz與405-406MHz; 無線醫療遙測服務(WMTS)頻帶：608/614MHz(TV37頻道)、1395-1400MHz、1427-1432MHz; 工業、科學與醫療(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; 電容性無載波基帶傳輸。 研究人員也在研發BAN用新的物理層(PHY)協議。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：醫療保健、殘疾人援助設施、人體間相互作用與娛樂設施。 5 結語 可備帶、可植/侵主的健康醫療器件已大量涌現，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。 |
