医疗信息通信昭示人体局域网时代的到来

2008-08-01 21:17:49来源: 电子系统设计 关键字:射频  收发器  功耗  无线  宽带  传感

 

  尽管可植入射频收发器芯片技术的进步推动了体内医疗通信技术的发展,但是超低功耗无线人体传感器的快速发展却促进了体外通信技术的形成。进而,构成人体局域网(即BAN)平台,实现体内/体外医用传感器与监测工具的无线连接,实时提供病人的健康数据。

  随着宽带移动电子技术与超低功耗消费电子的结合,以及可植入半导体无线收发器芯片和传感器日趋小型化,全球的医疗保健和健康诊疗手段正发生着快速的变化。从而,支持远程实时医疗检测和治疗的新服务与应用不断涌现,进而促进普及式医疗服务发展到一个全新的水平。

  2007年,在美国檀香山召开的国际微波大会上,日本横滨国立大学医疗信息通信技术研究所主任Ryuji Kohno教授在他的主题演讲中指出了高级无线通信技术的一个全新的发展方向,并介绍了日本开展的医疗信息通信技术(ICT)研究项目和有关活动。通过一个名为“u-日本计划”的五年计划(2006年-2010年),日本政府将努力构建一个安全而可靠的医疗服务普适网络。

  为了实现这种医疗卫生保健服务,在日本开展的医疗信息通信技术(ICT)研究项目和有关活动将探索多种新技术,包括RFID、网络机器人、传感网络、基于先进UWB(超宽带)技术的移动通信 系统、SDR(软件无线电)和MIMO(多入多出)技术。因此,他补充道,我们需要在超低功耗放大器和LNA(低噪声放大器)、软件可重构射频技术、可植入芯片专用天线和可感知传感机器人等领域展开进一步的研究工作。此外,封装技术对于可穿戴与可植入器件也是至关重要的。

  日本横滨国立大学医疗信息通信技术研究所主任Ryuji Kohno教授认为,人用可植入器件技术的发展以及可植入无线芯片的出现促进了体内通信技术的发展,从而支持新的监测、诊断和治疗应用。最后,Kohno教授介绍了一种由奥林巴斯公司研制的无线胶囊式内窥镜,利用这种器件可以以非侵入的方式检测人体小肠。

  可植入器件

  对于可植入半导体芯片和体内通信技术,Zarlink半导体公司不断改进其可植入超低功耗收发器ZL70101(参见“促成体内通信的可植入超低功耗无线芯片”,《RF Design》,2007年6月,p.20),用于医疗遥测系统链接植入的医疗器件和监测设备。实际上,Zarlink已经实现了这种器件,推出了医疗诊断用的药片式摄像机。这种摄像机采用CMOS成像技术拍摄图像,并以每秒4帧、2.7Mbps的数据速率将图像传输给记录仪。其传输数据时的功耗只有5.2mW左右,能够工作8个小时以上。Zarlink 公司医疗通信部市场主管Peter Putnam指出,这种药片式摄像机已经获得了FDA认证,并在600,000名病人身上进行过临床实验。

  此外,Putnam还指出,这种产品已经成功应用在一种在产的心脏起搏器上。但是,Zarlink公司对此不打算授权OEM厂商。这种产品的其他目标应用包括神经刺激器、药物泵、ICD(可植入式心率除颤器)和某些生理监护仪。

  此外,Zarlink还以ZL70101可植入收发器为基础,推出了一种开发工具包,能够对集成了植入式医疗器件与监测和编程设备的无线遥测系统进行更快速的设计和评估。

  ZLE70101 ADK(应用开发套件)展示了ZL70101收发器支持的高速、超低功耗、可靠通信链路。这种高度集成的射频芯片具有最高800kbps的数据速率,工作在MICS(医疗植入通信服务)专用的402-405MHz频段。该芯片在完全工作模式下的电源电流只有5mA,结合一种独特的“唤醒”接收器,该芯片在休眠模式下只有极低的250nA电流。

  在植入和基站平台上采用常用的微控制器能够快速集成到用户的专用系统设计中。运行于Windows环境的GUI(图形用户界面)通过USB2.0接口连接MICS射频板。该开发套件还包括一种应用开发平台(ADP100)板,它通过USB2.0接口连接PC机和植入或基站夹层板。应用植入夹层(AIM100)板用于实现所有与MICS相关的植入式通信。该电路板包括ZL70101收发器、用于常规数据传输和唤醒操作的匹配网络离散电路、通过工业标准SPI总线连接ZL70101的专用微控制器,以及用于连接PCB环形天线的SMA连接器(如图1所示)。

医疗信息通信昭示人体局域网时代的到来

  此外,基站夹层(BSM100)板用于实现所有与MICS相关的基站/监测设备通信处理工作。该电路板与AIM100具有相同的功能,此外还包括一个唤醒发射子系统和一个用于实现CCA(clear-channel assessment,空闲信道评估)的RSSI(received-signal-strength indicator,接收信号强度指示)滤波器。BSM100板还包括一个针对MICS波段进行了性能优化并支持唤醒信号功能的双波段天线。为了最大限度地缩短开发时间,ADP100、AIM100和BSM100板提供了源码详细注释的嵌入式固件,以帮助开发人员快速掌握芯片的编程需求,同时支持固件重用。

  同时,Zarlink公司还与位于英国的欧盟Healthy Aims(健康目标)项目合作。研究人员正在研究有关医疗技术,包括集成无线功能的可植入式器件。其中一个应用是FES(functional electrical stimulation,功能性电刺激),它利用植入器件的信号刺激肌肉促进肢体的运动。Zarlink公司还针对这一应用开展了体内天线的研发工作。

  Cambridge Consultants公司凭借其在医疗保健和无线通信方面的技术实力,开发出了一种用于体内医疗诊断和治疗的控制与通信架构,称为SubQore。Cambridge Consultants公司的外科与介入产品主管Mark Manasas谈到,SubQore的设计兼容MICS波段,当植入皮下时无线传输范围可达2m。他还提到,“它采用了一种可定制的架构,用户可以将其变成定制ASIC。我虽然不太清楚该架构的模拟进展,但是该设计集成了多个预先开发的低功耗硅模块,这些模块在以前的设计中都得到了验证。”

  此外,Zarlink公司还不断努力降低可植入收发器芯片的功耗。围绕这一目标,70102将采用支持最新射频架构和调制技术的0.18 ?m射频CMOS工艺,并有望在今年下半年推向市场。

  体外通信

  在Zarlink和Cambridge Consultants致力于研究用于人体连网的体内通信技术的同时,英国的Toumaz技术公司正在寻找体外通信的解决方案,以改进医疗保健和生活方式的管理水平。围绕这一目标,Toumaz公司研制出了一种称为Sensium的超低功耗无线人体监测片上系统。然后利用Sensium研制出了一种标贴了数字橡皮膏的可穿着传感器。当病人穿着这种传感器时,其中的数字橡皮膏(如图2所示)能够连续监测多种健康指标,例如心律、体温、脉搏速率和呼吸频率,并将这些数据传输给安装了医疗记录仪的基站。

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  简而言之,Sensium是一个超低功耗传感器接口和收发器平台,其中包括一个可重构传感器接口、一个带8051处理器的数字模块、一个射频收发器模块和一个片上温度传感器。此外,它的片上编程功能和内置的数据存储器能够实现信号的本地处理。一块或多块基于Sensium的数字橡皮膏能够连续监测人体的一些关键生理参数,将结果报告给接插在PDA或者智能电话上的基站Sensium。应用软件可以进一步过滤和处理这些数据。据开发人员所称,一个Sensium利用一块30mAhr的电池能够工作一年。

  在这种应用中,系统架构可以分成三个部分:目标站、基站和Web服务器/中心数据库。可穿戴的传感器节点(目标站)支持多种传感器,产生数据的速率可达50kbps。所有来自传感器的低级模拟信号首先都经过芯片的预处理,然后作为射频信号传输给基站。基站最多可链接8个目标站,每个目标站负责监测人体上的多个生理信号。

  这款型号为TZ1030的高集成度医疗芯片凭借其获得专利的AMx(advanced mixed-signal,高级混合信号)技术,采用英飞凌的130nm射频CMOS工艺流片。实际上,这款芯片借鉴了伦敦皇家学院在超低功耗射频电路和信号处理方面的先进技术(如图3所示)。Toumaz公司的COO和联合创办人Keith Errey认为,该芯片经过最初的功能测试已经达到了所有的目标精度和性能参数。他同时指出,这款超低功耗1V SoC芯片很快将投入批量生产。

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  同时,研发人员还努力推动相关产品的战略研发以及面向美国主要医疗保健服务供应商的推广工作。尽管还没有找到OEM合作伙伴,但是Toumaz认为其美国合作伙伴将在获得管理授权、制造、营销和推广方面提供帮助。

  目前,该芯片在1V电压下的工作电流只有3mA。研发人员希望今后继续大幅度降低该芯片的功耗。因此,正在研究新的无线架构和其他的调制技术。此外,该芯片采用了FSK(frequency-shift keying,频移键控)技术,载波频率为868/915MHz,采用了80腿的BGA封装。研发人员还力争在不牺牲功耗的情况下,将其数据速率从50kbps提高到150kbps。

  据Errey所称,供应商不断改进数字橡皮膏的性能,这项工作仍在进行之中。有待解决的问题包括寻找具有生物亲和性、能够透水透气、制造成本低廉的柔性材料。

  人体局域网

  随着超低功耗可植入器件与体外射频器件和传感器的发展,人体局域网(BAN)通过高速、短距离的无线技术实现植入的医疗器件和体外传感器的无线互连,并利用监测工具实时提供病人的健康数据。实际上,针对这一目标,IEEE 802委员会于2007年12月批准成立了第6工作组(TG6),着手制订IEEE 802.15标准,并任命Arthur W.Astrin 担任该工作组的主席。Astrin是位于加州帕洛阿尔托的Astrin Radio公司的CEO。

  该工作组将制订一个在人体附近或体内进行短距离无线通信的标准,使用由国际医疗管理局授权的频段。实际上,2006年在芬兰奥卢市召开的第二届国际医疗信息与通信技术大会(ISMICT’07)上,Astrin在其发表的一篇论文中指出,下列频段是这一应用的候选频段:
MICS频段:402-405MHz:美国、欧盟、韩国、日本(FCC 47 CFR 95.601-95.673 E元件);
医疗无线通信FCC提议频段:401-402MHz和405-406MHz;
无线医疗遥测服务(WMTS)频段:608-614MHz (TV ch. 37)、1395-1400MHz、1427-1432MHz;
工业、科学和医疗(ISM)频段:868/915MHz、2.4GHz、5.8GHz;
UWB频段;
RFID链路:135kHz、6.78MHz、13.56MHz (ERC Rec. 70-03);
感应链路频段:9 kHz-315kHz (ECC Report 12);
电容性无载波基带传输。

  该论文还指出了BAN的基本需求。按照该文的说法,BAN的信号覆盖距离为2-5m,在1m距离内的功耗约为1mW/Mbps。对于BAN节点的供电问题,Astrin在论文中建议采用可充电的锂电池、感应式再充电和能量采集技术作为体内器件的电源。同样,对于体外传感器,可以考虑采用温度差、不可再充电电池(干锌电池、锂电池和氧化银电池)或者可再充电的锂离子电池作为电源。

  为了推进这一进程,IEEE 802.15.6工作组已经于今年元月份在台湾台北市召开了首次会议。其实,在2-5m的覆盖距离上,802.15.6将主要面向三类市场应用:医疗卫生保健服务、残疾人辅助、人体交互与娱乐。但是,最终确定这一标准并没有正式的官方时间表。

  此外,位于日本神奈川的NICT(National Institute of Communications and Information Technologies,国立通信与信息技术研究所)医疗信息与通信技术小组的研究员Marco Hernandez和Ryuji Kohno已经为BAN研制出了一种新的物理层(PHY),并将其推荐给了IEEE标准工作组802.11.6.

  由于BAN需要极低的功耗,研究人员从信息理论的角度研究了一套极低功耗状态下的信号传输理论。在实际实现时,Hernandez和Kohno实现了真实系统能耗的下界,包括发射器和收发器上的功耗。Hernandez谈到,当收发器贴近人体工作时(某些情况下在人体身上实现),被人体组织吸收的辐射量大小尤其值得注意。为此,研究人员为BAN设计了一种结构简单、能效高、风险低、组织加热的UWB信号。为此,他们将实际收发器的影响和信息理论结果考虑在内,设定了能效指标,作为低功耗系统设计的起点。此外,他们还预估了在偶极天线的进场和远场中基于SAR的安全性指标。

  实际上,根据已经取得的研究成果,Marco和Kohno提出了带非相干检测的开关信号产生方案,采用截角调制正弦函数作为PHY的脉冲波形。为了验证这一方案的可行性,两位研究人员已经基于CMOS工艺实现了低功耗UWB收发器。这一研究成果已经作为论文“Ultralow-power UWB signal design for body area networks”发表在ISMICT’07大会上。

关键字:射频  收发器  功耗  无线  宽带  传感

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0801/article_245.html
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