微波與射頻在醫(yī)療領域中的應用

多年來，微波器件公司一直為諸如核磁共振成像(MRI)系統(tǒng)等醫(yī)療成像應用提供器件。雖然成像應用繼續(xù)提供了堅實的機會，但許多其它醫(yī)療應用領域也開始為無線微波和射頻技術敞開了大門。例如，遠程監(jiān)控支持病人在家中的將諸如血壓、脈搏等健康狀況以無線方式發(fā)送給它們的醫(yī)生。其它創(chuàng)新也在幫助醫(yī)院和醫(yī)療中心得以跟蹤個人的位置。在現(xiàn)有的成像市場和無線技術正在創(chuàng)造的新機遇中，醫(yī)療產(chǎn)業(yè)已成為一個實實在在的新市場，許多微波和射頻公司都以此為目標。幸運的是，許多這樣的機遇都只要求這些公司利用他們在電信和無線局域網(wǎng)領域已有的專業(yè)知識。

諸如MRI等成像設備的使用普及率在增加，目前全球每年要實施超過6千萬例MRI診斷。它們通常用于診斷阿爾茨海默氏癥(老年癡呆癥)、癌癥細胞和韌帶撕裂等各種疾病和損傷。成像系統(tǒng)采用了多種射頻/微波器件，包括振蕩器、發(fā)射器和天線。例如，ADI公司現(xiàn)在就提供一款為提高成像分辨率而設計的20位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(DAC)AD5791。

AD5791具有真正的百萬分之一(ppm)的分辨率和精度(圖1)。AD5791具有±1LSB DNL的相對精度規(guī)范，確保了操作一致性。該DAC的低頻噪聲僅為0.025ppm，輸出漂移僅為0.05ppm/C。如此低的噪聲減少了不期望的圖像偽影，從而降低了對多次核磁共振掃描的需要，因此病人可以在更短時間內(nèi)得到診治。輸出可配置為標準單極(+5V，+10V)或雙極(±5V，±10 V)范圍。AD5791的3線串行接口工作時鐘速率為50MHz。

圖1：ADI單芯片DAC具有很高精度，能實現(xiàn)非常清楚的診斷成像圖片。

分光鏡應用是射頻/微波技術在醫(yī)療領域的另一個增長市場，它本質(zhì)上是通過把光照射在標本上實現(xiàn)化學分析。近日，安捷倫和德州大學達拉斯分校宣布計劃創(chuàng)建一個毫米波和亞毫米波電子表征設施。該設施最初將支持針對醫(yī)療保健和安全應用對在CMOS上實現(xiàn)180到300GHz光譜技術的可行性研究。

Hittite Microwave公司的一個新比較器產(chǎn)品線也鎖定光譜應用。該公司表示，這6款比較器具有如下特性：20Gbps的速率、150mW的功耗、120ps 的時鐘到數(shù)據(jù)輸出延時(圖2)。通常情況下，它們具有最小60ps的可檢出輸入脈沖寬度，而額定的隨機抖動僅為0.2ps。這些比較器支持±1.75V的共模輸入電壓范圍，其典型過驅(qū)動和壓擺率離差低于10ps。HMC874LC3C、HMC875LC3C和HMC876LC3C單片比較器具有帶可編程遲滯的高速鎖存特性，它們分別提供低擺幅PECL、CML和ECL輸出驅(qū)動器。

該公司還發(fā)布了三款具有電平鎖存輸入的新的單片10GHz比較器HMC674LC3C、HMC675LC3C和HMC676LC3C。這三款比較器支持 10GHz輸入帶寬、同時具有85ps的傳輸延遲以及0.2psRMS隨機抖動下的60ps最小脈沖寬度。它們具有10ps的過驅(qū)動和壓擺率離差、小于 140mW的功耗。這些器件具有差分鎖存控制和可編程遲滯，可被配置工作在鎖存模式或作為跟蹤比較器使用。與該系列其它器件一樣，它們分別提供低擺幅 PECL、CML和ECL輸出驅(qū)動器。

遠程監(jiān)控應用

在醫(yī)院、診所和家中，涉及無線網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控可能是最欣欣向榮的醫(yī)療市場。遠程監(jiān)控最吸引人的地方是它還可被用來與患者溝通及對患者提供教育。當然，需要同時發(fā)送和接收信息將對所需的設備和網(wǎng)絡基礎設施有不同需求。在伊利諾斯州進行的一項臨床研究，就采用了遠程監(jiān)護來管理Gleevec這種藥的施用。Gleevec是Novartis公司研制并生產(chǎn)的用于治療慢性粒細胞白血病的藥物。這項研究將評估一個以手機為基礎的、稱為eMedonline的個性化藥物管理系統(tǒng)的使用情況。

在這項研究中，eMedonline作為一種“智能服務”，充分發(fā)揮了射頻識別(RFID)和手機的無線功能，將智能手機變成一個藥物傳感器。手機以無線方式實時從藥品包裝上的RFID“智能標簽”上讀取、收集藥物數(shù)據(jù)，它在監(jiān)測病人報告結(jié)果的同時，有助于核實病人是否在正確的時間服用了正確的藥物。手機內(nèi)的數(shù)據(jù)被無線發(fā)送到一個安全服務器，借助服務器內(nèi)的數(shù)據(jù)再進行臨床審查和分析?？筛鶕?jù)情況發(fā)送警報，以對漏服藥物或不良情況實施干預，使它們不致成為嚴重的健康風險。這項研究的初衷來自于這樣一個事實：病人往往不遵從醫(yī)囑。

近日在波士頓舉行的一個旨在提升服藥依從性的方案演示中，支持藍牙的Vena吸入器實時并無線地記錄服藥劑量的歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)上傳到稱為Vena-Hub的以用戶為中心的軟件平臺，當患者沒按時服藥時，就會對他們發(fā)出提醒。被用來從無線醫(yī)療設備這一生態(tài)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的Vena-Hub，也是支持Vena的肺活量計的門戶。將服藥依從性和肺活量等數(shù)據(jù)與花粉計數(shù)等其它變量組合起來，形成一系列建議和有關信息，然后通過警報自動發(fā)送給用戶。警報可能會通過在線閱讀器、社區(qū)網(wǎng)絡、電子郵件，甚至文本信息等形式發(fā)送。

遠程監(jiān)控的另一個好處是，專家將能夠與農(nóng)村地區(qū)的病人溝通，這些病人因而不必趕大老遠的路。例如，AT＆T最近宣布了與加州大學的一項協(xié)議。作為這項為期 3年、總價2,700萬美元合約的一部分，AT＆T將提供管理的網(wǎng)絡服務以支持這項遠程保健計劃。美國加州遠程保健網(wǎng)絡是全州范圍內(nèi)由醫(yī)療保健、技術、政府及其它相關各方結(jié)成的聯(lián)盟，該機構從聯(lián)邦通訊委員會(FCC)的農(nóng)村衛(wèi)生保健試點項目尋求資金支持。該網(wǎng)絡正在構建一個全州范圍內(nèi)的網(wǎng)絡基礎設施，它將小醫(yī)院、小診所與大醫(yī)院及大醫(yī)院內(nèi)的專家連接起來。該網(wǎng)絡完成后，將覆蓋全州860多個站點。

無線網(wǎng)絡標準也越來越多地用于資產(chǎn)跟蹤項目。例如，Henry Mayo醫(yī)院已與AT＆T簽約以部署AeroScout的Wi-Fi RFID資產(chǎn)跟蹤和溫度監(jiān)控方案。作為洛杉磯縣的災害資源中心，Henry Mayo醫(yī)院負責提供醫(yī)療設備、藥品以及在發(fā)生緊急事件時對整個社會提供關照。 AeroScout的資產(chǎn)跟蹤和管理方案旨在幫助醫(yī)院在全院范圍內(nèi)跟蹤，諸如病床、輪椅、輪床、病人自控鎮(zhèn)痛泵和輸液泵等關鍵資產(chǎn)的使用情況。此外，AeroScout的溫度監(jiān)控方案通過確保冰箱內(nèi)溫度滿足藥品、組織樣本及其它對溫度敏感的材料的保質(zhì)所規(guī)定的溫度范圍，從而簡化了為滿足國際醫(yī)院認證聯(lián)合委員會條例相關要求的實施，

在加拿大魁北克的圣熱羅姆衛(wèi)生和社會服務中心，醫(yī)院工作人員佩戴著Ekahau傳呼機標簽，這樣就可容易地對他們進行定位。這個T301BD Wi-Fi尋呼機標簽具有雙向通信能力，使用戶能夠發(fā)送和接收文字信息。這些尋呼機還包括一個可以在遇到緊急情況時按下的專門按鈕。Ekahau實時定位系統(tǒng)利用醫(yī)院現(xiàn)有的Wi-Fi網(wǎng)絡可在幾秒內(nèi)定位網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)、由鈕扣電池供電的小標簽。

這些產(chǎn)品和服務是當今醫(yī)療保健行業(yè)內(nèi)更具主導性、并增長著的一些應用。隨著技術進步以及寬帶計劃的實施，將會出現(xiàn)更多機會。這些新服務和系統(tǒng)的主干依靠無線網(wǎng)絡來收集和提供信息。與此同時，微波公司將繼續(xù)在成像等領域收獲成功。諸多因素將帶來一個增長的市場，它為各企業(yè)及其產(chǎn)品提供了盈利機會。

醫(yī)療應用中的無線技術

要進入醫(yī)療市場，重要的是要了解哪些無線標準是主導。有趣的是，主導技術就是諸如ZigBee或IEEE 802.15.4、藍牙、IEEE 802.11x以及射頻識別(RFID)等主流技術。展望未來，康體佳健康聯(lián)盟(Continua Health Alliance)似乎將在很大程度上推動醫(yī)療保健領域內(nèi)標準的發(fā)展。它的任務是建立一個使個人健康方案具有互操作的系統(tǒng)，以促進自主性并使個人和機構能更好地管理健康、保障福利。

康體佳健康聯(lián)盟已批準ZigBee Health Care作為一種低功耗局域網(wǎng)(LAN)標準，用于專業(yè)環(huán)境、家庭、活動中心、大型校園內(nèi)的傳感與控制。ZigBee Health Care 是互操作無線設備的全球開放標準，可安全監(jiān)測及管理慢性疾病、肥胖、老化這類非重大、低危險病癥的保健服務。ZigBee Health Care 完整支持 IEEE 11073 設備。ZigBee Health Care 提供了不受干擾的無線連接，可在單一網(wǎng)絡上支持數(shù)千部設備。ZigBee 能與 Wi-Fi 等其它無線技術和平共存，這是保護醫(yī)療設施內(nèi)病患安全及確保應用時不可或缺的關鍵要求。ZigBee Health Care 設備可以與消費電子、家庭自動化、商業(yè)建筑自動化中已部署的其它 ZigBee 無線技術交互。

飛思卡爾等公司將ZigBee用于各種保健產(chǎn)品。新批準的ZigBee Health Care標準為具有互操作的低功率無線設備提供了一個全球性的開放標準。這樣，它就確保了針對慢性病管理、老人護理、保健、住院管理和資產(chǎn)跟蹤等非致命、非緊急保健服務的安全監(jiān)測和管理。它支持一個網(wǎng)絡內(nèi)的數(shù)千臺設備，并提供對IEEE 11073設備的完全支持，從而使每臺設備都能夠通過FDA認證。

ADI的工作在2.4GHz工業(yè)、科學和醫(yī)療(ISM)頻段的模擬電路ADF7242，在IEEE 802.15.4模式下支持250kbps速率。這款收發(fā)器可用于實施基于諸如ZigBeeIPv6/6LowWPAN等協(xié)議的方案。ADF7242支持IEEE 802.15.4和GFSK/FSK雙模工作模式，即同一款器件既能以250kbps的速率支持基于IEEE 802.15.4協(xié)議的標準，又能以2Mbps的速率支持采用GFSK/FSK調(diào)制方案的專有協(xié)議。

一年多以前，康體佳的第二版設計指南批準了低功耗藍牙。低功耗藍牙無線技術是4.0版藍牙內(nèi)核規(guī)范的主要特征，它使由紐扣電池供電、小巧的無線產(chǎn)品和傳感器成為可能。這些小巧、低成本的方案預計會培育出各種醫(yī)用表、遠程控制和醫(yī)療傳感器市場。

德州儀器(TI)是將藍牙用于無線醫(yī)療應用的倡導者之一。該公司將其第七代藍牙產(chǎn)品CC2560與一個嵌入式藍牙棧整合起來，使其運行于其MSP430微控制器(MCU)。設計人員可以在一系列便攜設備內(nèi)，利用低功耗MSP430 MCU同時與模擬信號、傳感器和數(shù)字器件連接。

當然，隨著新的醫(yī)療服務的出現(xiàn)，將會涌現(xiàn)出更多的標準和技術，比如結(jié)合如長期演進(LTE)等第四代通信標準和WiMAX等寬帶技術來實施醫(yī)療應用。

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