医疗信息通信设计和人体域网络的发展介绍

　　医疗信息通信技术(ICT)将充分借助和涉及现有众多的高新技术，诸如传感器网络、网络机器人、RFID以及基于超宽带(UWB)、软件定义无线电(SRD)与多输入多输出(MIMO)技术的先进移动通信系统;进一步研发超低功率放大器、软件结构RF以及片上天线;此外，封装技术对经久耐用的植/侵入式器件也是至关重要的。

　　在医疗和保健领域，人体植/侵入式或配带式超低功耗和小型化无线收发芯片与传感器大量使用，必将推动人体域无线网络(BAN)迅速发展，为医疗信息通信提供一个必要的平台，实时地传送人体的生理参数，实现远程诊断和治疗。例如，日本政府正在实施一个“u-Japan”计划，旨在建立一个独特的ad-hoc网络，用于安全又可靠的医疗服务。

　　下面主要介绍体内植/侵入式无线收发器和数字电子疹诊疗贴的设计，介绍人体域网络的发展情况。

体内植/侵入式器件无线通信

　　Zarlink Semiconductor公司致力于开发植/侵入式半导体芯片和体内通信，它的超低功耗收发器ZL70101用于链接植/侵入式医疗器件和监测设备的遥测系统。新一代采用0.18?m RFCMOS工艺并具有新型无线结构和调制技术的70102亦即将面世。据该公司报道，ZL70101已用于诊断用药丸式摄像机中，拍摄图像，并按每秒4帧、2.7Mbps数据速率传送至记录仪。发射时消耗5.2mW功率，设计工作时间超过8小时。

　　ZL70101(图1)是一个超低功耗无线收发器，为医疗植/侵入式应用提供高性能半双工RF通信链接。高集成度器件包括10个MICS信道与2个ISM信道400MHz收发器和提供器件控制和RF消息编译的媒体接入控制器(MAC)，和一个标准SPI接口提供方便的连接。一个备选的2.45GHz ISM带接收器提供附加的唤醒功能。它采用Reed-solomen编码方案，结合CRC误码检测以达到十分可靠链接。对数据块，最大误码率(BER)小于1.5×10-10。

图1 ZL70101方框图

　　ZL70101收发器既可用于植/侵入式设备，也可用于基站。鉴于两个系统对功耗有不同的要求，收发器定义了两种基本的启动工作方式：

      植/侵入式医疗设备(IMD)方式：在此方式，收发器通常处于休眠状态，也就是处于极低电流状态。使用时，IMD可通过2.45GHz链路唤醒，或通过IMD处理顺直接用WU-EN引脚唤醒。

      基站方式：在此方式，可增加一些外部元件以求获得最佳的性能，如图2。

图2 ZL70101外接元件图

　　为了方便用户使用，该公司还推出了ZLE应用开发套件(ADK)。配置了植/侵入式应用中间件(AIM100)板与基站中间件BSM100)板。前者包括ZL70101收发器，用了正常数据传输和唤醒操作的分立电路、通过工业标准SPI总线连接的应用微控制器、以及接口至PCB基环天线的SMA连接器;后者在前者的基础上，增添了唤醒发射子系统和执行清除信道接入(CCA)的接收信号强度指示器。此外，还配置了使性能更佳的双带天线。套件还配置了应用开发平台(ADP100)板，使计算机可通过USB2.0接口至AIM100板或BSM100板。

数字电子诊疗贴

　　当加拿大Zarlink公司致力于人体网络的体内通信时，英国的Toumaz Technology公司另辟蹊径，提供一个体外通信的解决方案，称为Sensium数字电子诊疗贴。顾名思义，电子贴与伤口贴一样能粘贴在人体的表皮上，不同的是，它是一个高集成度、超低功耗传感器接口和收发器平台(图3)，内置可重构的传感器接口、带8051处理器的数字积木块、RF收发器和片上温度传感器。一个或多个启用Sensium数字电子电子贴连续地监测人体的重要生理参数，并报告给插入PDA或智能手机中的Sensium基站。

图3 数字电子诊疗贴

     在这类应用中，系统结构(图4)可分为三个单元：传感器节点目标站、基站和因特网服务/中心数据库。目标站支持多种数据速率高达50kbps的传感器，用30mAhr电池可工作一年。传感器产生的极低电平信号可用片上程序和数据内存进行预处理。基站最多可链接8个目标站，每个监测一个人体的生理参数，诸如温度、心速、呼吸、血压等。数据进一步得到过滤和处理，然后通过无线或因特网传送至中心数据库，为保健或医疗提供依据。

图4 TZ1030方框图

      器件的核心是用130nm RFCMOS工艺和具有专利的先进混合信号(AMX)技术制作的高集成芯片TZ1030(图5)。器件的工作电压为1-1.5V(锌空气电池兼容);具有多种传感器接口：内、外温度传感器接口、单引线ECG接口、3轴加速度接口、电流型接口、电流型传感器接口;备有放大、滤波、数据变唤、数据压缩、调制的预处理功能;收发器的发射功率为-10dBm，接收灵敏度达-97dBm(0.1%误码率)，采用双向FSK调制，带宽200KHz;载波频率：欧洲ISM862-870KHz，病因ISM902-928MHz;收发器在连续Tx/Rx模式消耗3mA电流，发射距离达3米。

图5 无线人体监测系统结构

人体局域网(BAN)

　　超低功耗收发器和医疗传感器的飞速发展，构建高速、短程的BAN就显得十分迫切。事实上，为了实现这个目标，IEEE802在2007年12月就 立了一个制订IEEE802.15的工作组6(TG6)。该工作组将定义一个人体范围内的短程、无线通信标准。一个备选方案的基本要点是：

      MICS频带：402-405MHz(FCC47CFR95.601-95.673子项E);

      10个300KHz信道;

      自适应频率校准;

      25?W EIRP;

      医疗无线电FCC建议频带：401-402MHz与405-406MHz;

      无线医疗遥测服务(WMTS)频带：608/614MHz(TV37频道)、1395-1400MHz、1427-1432MHz;

      工业、科学与医疗(ISM)频带：868/915MHz、2.4GHz、5.8GHz。

      UWB频带;

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

      感应链接频带：9-315KHz;

      电容性无载波基带传输。

      研究人员也在研发BAN用新的物理层(PHY)协议。一种是超低功率UWB信号设计技术，是非相干检测的开关信号，使用截断三角波调制正弦函数作为PHY用脉冲波形。BAN的工作距离范围在2-5米之间，1米距离功耗约为1mW/Mbps。2-5米IEEE802.15.6旨在下列3个应用市场：医疗保健、残疾人援助设施、人体间相互作用与娱乐设施。

　　可备带、可植/侵主的健康医疗器件已大量涌现，如常见的指尖式血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠器质测量仪、可植入身份识别组件等，而新一代超低功耗收发器将技术水平提高到一个新的高度，若这些器件只能单独地工作，通信资源就不能充分地利用，因此BAN的研发势在必行。当然，BAN是一种独特的局域网，人体组织对无线电波有吸收作用，因此BAN物理层需要创新的技术，同时还要考虑人体安全性的因素，此外，检测手段技术的多样性也比其它局域网复杂。这些问题有待于解决。