醫(yī)療信息通信昭示人體局域網(wǎng)時(shí)代的到來

盡管可植入射頻收發(fā)器芯片技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了體內(nèi)醫(yī)療通信技術(shù)的發(fā)展，但是超低功耗無線人體傳感器的快速發(fā)展卻促進(jìn)了體外通信技術(shù)的形成。進(jìn)而，構(gòu)成人體局域網(wǎng)（即BAN）平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)體內(nèi)/體外醫(yī)用傳感器與監(jiān)測(cè)工具的無線連接，實(shí)時(shí)提供病人的健康數(shù)據(jù)。

隨著寬帶移動(dòng)電子技術(shù)與超低功耗消費(fèi)電子的結(jié)合，以及可植入半導(dǎo)體無線收發(fā)器芯片和傳感器日趨小型化，全球的醫(yī)療保健和健康診療手段正發(fā)生著快速的變化。

從而，支持遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)醫(yī)療檢測(cè)和治療的新服務(wù)與應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，進(jìn)而促進(jìn)普及式醫(yī)療服務(wù)發(fā)展到一個(gè)全新的水平。去年，在美國(guó)檀香山召開的國(guó)際微波大會(huì)上，日本橫濱國(guó)立大學(xué)醫(yī)療信息通信技術(shù)研究所主任Ryuji Kohno教授在他的主題演講中指出了高級(jí)無線通信技術(shù)的一個(gè)全新的發(fā)展方向，并介紹了日本開展的醫(yī)療信息通信技術(shù)（ICT）研究項(xiàng)目和有關(guān)活動(dòng)。通過一個(gè)名為“u-日本計(jì)劃”的五年計(jì)劃（2006年-2010年），日本政府將努力構(gòu)建一個(gè)安全而可靠的醫(yī)療服務(wù)普適網(wǎng)絡(luò)。

為了實(shí)現(xiàn)這種醫(yī)療衛(wèi)生保健服務(wù)，在日本開展的醫(yī)療信息通信技術(shù)（ICT）研究項(xiàng)目和有關(guān)活動(dòng)將探索多種新技術(shù)，包括RFID、網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人、傳感網(wǎng)絡(luò)、基于先進(jìn)UWB（超寬帶）技術(shù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)、SDR（軟件無線電）和MIMO（多入多出）技術(shù)。因此，他補(bǔ)充道，我們需要在超低功耗放大器和LNA（低噪聲放大器）、軟件可重構(gòu)射頻技術(shù)、可植入芯片專用天線和可感知傳感機(jī)器人等領(lǐng)域展開進(jìn)一步的研究工作。此外，封裝技術(shù)對(duì)于可穿戴與可植入器件也是至關(guān)重要的。

日本橫濱國(guó)立大學(xué)醫(yī)療信息通信技術(shù)研究所主任Ryuji Kohno教授認(rèn)為，人用可植入器件技術(shù)的發(fā)展以及可植入無線芯片的出現(xiàn)促進(jìn)了體內(nèi)通信技術(shù)的發(fā)展，從而支持新的監(jiān)測(cè)、診斷和治療應(yīng)用。最后，Kohno教授介紹了一種由奧林巴斯公司研制的無線膠囊式內(nèi)窺鏡，利用這種器件可以以非侵入的方式檢測(cè)人體小腸。

可植入器件

對(duì)于可植入半導(dǎo)體芯片和體內(nèi)通信技術(shù)，Zarlink半導(dǎo)體公司不斷改進(jìn)其可植入超低功耗收發(fā)器ZL70101（參見“促成體內(nèi)通信的可植入超低功耗無線芯片”，《RF Design》，2007年6月，p.20），用于醫(yī)療遙測(cè)系統(tǒng)鏈接植入的醫(yī)療器件和監(jiān)測(cè)設(shè)備。實(shí)際上，Zarlink已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這種器件，推出了醫(yī)療診斷用的藥片式攝像機(jī)。這種攝像機(jī)采用CMOS成像技術(shù)拍攝圖像，并以每秒4幀、2.7Mbps的數(shù)據(jù)速率將圖像傳輸給記錄儀。其傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的功耗只有5.2mW左右，能夠工作8個(gè)小時(shí)以上。Zarlink 公司醫(yī)療通信部市場(chǎng)主管Peter Putnam指出，這種藥片式攝像機(jī)已經(jīng)獲得了FDA認(rèn)證，并在600,000名病人身上進(jìn)行過臨床實(shí)驗(yàn)。

此外，Putnam還指出，這種產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用在一種在產(chǎn)的心臟起搏器上。但是，Zarlink公司對(duì)此不打算授權(quán)OEM廠商。這種產(chǎn)品的其他目標(biāo)應(yīng)用包括神經(jīng)刺激器、藥物泵、ICD（可植入式心率除顫器）和某些生理監(jiān)護(hù)儀。

此外，Zarlink還以ZL70101可植入收發(fā)器為基礎(chǔ)，推出了一種開發(fā)工具包，能夠?qū)闪酥踩胧结t(yī)療器件與監(jiān)測(cè)和編程設(shè)備的無線遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行更快速的設(shè)計(jì)和評(píng)估。

ZLE70101 ADK（應(yīng)用開發(fā)套件）展示了ZL70101收發(fā)器支持的高速、超低功耗、可靠通信鏈路。這種高度集成的射頻芯片具有最高800kbps的數(shù)據(jù)速率，工作在MICS（醫(yī)療植入通信服務(wù)）專用的402-405MHz頻段。該芯片在完全工作模式下的電源電流只有5mA，結(jié)合一種獨(dú)特的“喚醒”接收器，該芯片在休眠模式下只有極低的250nA電流。

在植入和基站平臺(tái)上采用常用的微控制器能夠快速集成到用戶的專用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。運(yùn)行于Windows環(huán)境的GUI（圖形用戶界面）通過USB2.0接口連接MICS射頻板。該開發(fā)套件還包括一種應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)（ADP100）板，它通過USB2.0接口連接PC機(jī)和植入或基站夾層板。應(yīng)用植入夾層（AIM100）板用于實(shí)現(xiàn)所有與MICS相關(guān)的植入式通信。該電路板包括ZL70101收發(fā)器、用于常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸和喚醒操作的匹配網(wǎng)絡(luò)離散電路、通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI總線連接ZL70101的專用微控制器，以及用于連接PCB環(huán)形天線的SMA連接器（如圖1所示）。

此外，基站夾層（BSM100）板用于實(shí)現(xiàn)所有與MICS相關(guān)的基站/監(jiān)測(cè)設(shè)備通信處理工作。該電路板與AIM100具有相同的功能，此外還包括一個(gè)喚醒發(fā)射子系統(tǒng)和一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)CCA（clear-channel assessment，空閑信道評(píng)估）的RSSI（received-signal-strength indicator，接收信號(hào)強(qiáng)度指示）濾波器。BSM100板還包括一個(gè)針對(duì)MICS波段進(jìn)行了性能優(yōu)化并支持喚醒信號(hào)功能的雙波段天線。為了最大限度地縮短開發(fā)時(shí)間，ADP100、AIM100和BSM100板提供了源碼詳細(xì)注釋的嵌入式固件，以幫助開發(fā)人員快速掌握芯片的編程需求，同時(shí)支持固件重用。

同時(shí)，Zarlink公司還與位于英國(guó)的歐盟Healthy Aims（健康目標(biāo)）項(xiàng)目合作。研究人員正在研究有關(guān)醫(yī)療技術(shù)，包括集成無線功能的可植入式器件。其中一個(gè)應(yīng)用是FES（functional electrical stimulation，功能性電刺激），它利用植入器件的信號(hào)刺激肌肉促進(jìn)肢體的運(yùn)動(dòng)。Zarlink公司還針對(duì)這一應(yīng)用開展了體內(nèi)天線的研發(fā)工作。

Cambridge Consultants公司憑借其在醫(yī)療保健和無線通信方面的技術(shù)實(shí)力，開發(fā)出了一種用于體內(nèi)醫(yī)療診斷和治療的控制與通信架構(gòu)，稱為SubQore。Cambridge Consultants公司的外科與介入產(chǎn)品主管Mark Manasas談到，SubQore的設(shè)計(jì)兼容MICS波段，當(dāng)植入皮下時(shí)無線傳輸范圍可達(dá)2m。他還提到，“它采用了一種可定制的架構(gòu)，用戶可以將其變成定制ASIC。我雖然不太清楚該架構(gòu)的模擬進(jìn)展，但是該設(shè)計(jì)集成了多個(gè)預(yù)先開發(fā)的低功耗硅模塊，這些模塊在以前的設(shè)計(jì)中都得到了驗(yàn)證。”

此外，Zarlink公司還不斷努力降低可植入收發(fā)器芯片的功耗。圍繞這一目標(biāo)，70102將采用支持最新射頻架構(gòu)和調(diào)制技術(shù)的0.18 ?m射頻CMOS工藝，并有望在今年下半年推向市場(chǎng)。

體外通信

在Zarlink和Cambridge Consultants致力于研究用于人體連網(wǎng)的體內(nèi)通信技術(shù)的同時(shí)，英國(guó)的Toumaz技術(shù)公司正在尋找體外通信的解決方案，以改進(jìn)醫(yī)療保健和生活方式的管理水平。圍繞這一目標(biāo)，Toumaz公司研制出了一種稱為Sensium的超低功耗無線人體監(jiān)測(cè)片上系統(tǒng)。然后利用Sensium研制出了一種標(biāo)貼了數(shù)字橡皮膏的可穿著傳感器。當(dāng)病人穿著這種傳感器時(shí)，其中的數(shù)字橡皮膏（如圖2所示）能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)多種健康指標(biāo)，例如心律、體溫、脈搏速率和呼吸頻率，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給安裝了醫(yī)療記錄儀的基站。

簡(jiǎn)而言之，Sensium是一個(gè)超低功耗傳感器接口和收發(fā)器平臺(tái)，其中包括一個(gè)可重構(gòu)傳感器接口、一個(gè)帶8051處理器的數(shù)字模塊、一個(gè)射頻收發(fā)器模塊和一個(gè)片上溫度傳感器。此外，它的片上編程功能和內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)的本地處理。一塊或多塊基于Sensium的數(shù)字橡皮膏能夠連續(xù)監(jiān)測(cè)人體的一些關(guān)鍵生理參數(shù)，將結(jié)果報(bào)告給接插在PDA或者智能電話上的基站Sensium。應(yīng)用軟件可以進(jìn)一步過濾和處理這些數(shù)據(jù)。據(jù)開發(fā)人員所稱，一個(gè)Sensium利用一塊30mAhr的電池能夠工作一年。

在這種應(yīng)用中，系統(tǒng)架構(gòu)可以分成三個(gè)部分：目標(biāo)站、基站和Web服務(wù)器/中心數(shù)據(jù)庫(kù)?？纱┐鞯膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)（目標(biāo)站）支持多種傳感器，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率可達(dá)50kbps。所有來自傳感器的低級(jí)模擬信號(hào)首先都經(jīng)過芯片的預(yù)處理，然后作為射頻信號(hào)傳輸給基站。基站最多可鏈接8個(gè)目標(biāo)站，每個(gè)目標(biāo)站負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)人體上的多個(gè)生理信號(hào)。

這款型號(hào)為TZ1030的高集成度醫(yī)療芯片憑借其獲得專利的AMx（advanced mixed-signal，高級(jí)混合信號(hào)）技術(shù)，采用英飛凌的130nm射頻CMOS工藝流片。實(shí)際上，這款芯片借鑒了倫敦皇家學(xué)院在超低功耗射頻電路和信號(hào)處理方面的先進(jìn)技術(shù)（如圖3所示）。Toumaz公司的COO和聯(lián)合創(chuàng)辦人Keith Errey認(rèn)為，該芯片經(jīng)過最初的功能測(cè)試已經(jīng)達(dá)到了所有的目標(biāo)精度和性能參數(shù)。他同時(shí)指出，這款超低功耗1V SoC芯片很快將投入批量生產(chǎn)。

同時(shí)，研發(fā)人員還努力推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)品的戰(zhàn)略研發(fā)以及面向美國(guó)主要醫(yī)療保健服務(wù)供應(yīng)商的推廣工作。盡管還沒有找到OEM合作伙伴，但是Toumaz認(rèn)為其美國(guó)合作伙伴將在獲得管理授權(quán)、制造、營(yíng)銷和推廣方面提供幫助。

目前，該芯片在1V電壓下的工作電流只有3mA。研發(fā)人員希望今后繼續(xù)大幅度降低該芯片的功耗。因此，正在研究新的無線架構(gòu)和其他的調(diào)制技術(shù)。此外，該芯片采用了FSK（frequency-shift keying，頻移鍵控）技術(shù)，載波頻率為868/915MHz，采用了80腿的BGA封裝。研發(fā)人員還力爭(zhēng)在不犧牲功耗的情況下，將其數(shù)據(jù)速率從50kbps提高到150kbps。

據(jù)Errey所稱，供應(yīng)商不斷改進(jìn)數(shù)字橡皮膏的性能，這項(xiàng)工作仍在進(jìn)行之中。有待解決的問題包括尋找具有生物親和性、能夠透水透氣、制造成本低廉的柔性材料。

人體局域網(wǎng)

隨著超低功耗可植入器件與體外射頻器件和傳感器的發(fā)展，人體局域網(wǎng)（BAN）通過高速、短距離的無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)植入的醫(yī)療器件和體外傳感器的無線互連，并利用監(jiān)測(cè)工具實(shí)時(shí)提供病人的健康數(shù)據(jù)。實(shí)際上，針對(duì)這一目標(biāo)，IEEE 802委員會(huì)于2007年12月批準(zhǔn)成立了第6工作組（TG6），著手制訂IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn)，并任命Arthur W.Astrin 擔(dān)任該工作組的主席。Astrin是位于加州帕洛阿爾托的Astrin Radio公司的CEO。

該工作組將制訂一個(gè)在人體附近或體內(nèi)進(jìn)行短距離無線通信的標(biāo)準(zhǔn)，使用由國(guó)際醫(yī)療管理局授權(quán)的頻段。實(shí)際上，2006年在芬蘭奧盧市召開的第二屆國(guó)際醫(yī)療信息與通信技術(shù)大會(huì)（ISMICT’07）上，Astrin在其發(fā)表的一篇論文中指出，下列頻段是這一應(yīng)用的候選頻段：

MICS頻段：402-405MHz：美國(guó)、歐盟、韓國(guó)、日本（FCC 47 CFR 95.601-95.673 E元件）；

醫(yī)療無線通信FCC提議頻段：401-402MHz和405-406MHz；

無線醫(yī)療遙測(cè)服務(wù)（WMTS）頻段：608-614MHz (TV ch. 37)、1395-1400MHz、1427-1432MHz；

工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段：868/915MHz、2.4GHz、5.8GHz；

UWB頻段；

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

感應(yīng)鏈路頻段：9 kHz-315kHz (ECC Report 12)；

電容性無載波基帶傳輸。

該論文還指出了BAN的基本需求。按照該文的說法，BAN的信號(hào)覆蓋距離為2－5m，在1m距離內(nèi)的功耗約為1mW/Mbps。對(duì)于BAN節(jié)點(diǎn)的供電問題，Astrin在論文中建議采用可充電的鋰電池、感應(yīng)式再充電和能量采集技術(shù)作為體內(nèi)器件的電源。同樣，對(duì)于體外傳感器，可以考慮采用溫度差、不可再充電電池（干鋅電池、鋰電池和氧化銀電池）或者可再充電的鋰離子電池作為電源。

為了推進(jìn)這一進(jìn)程，IEEE 802.15.6工作組已經(jīng)于今年元月份在臺(tái)灣臺(tái)北市召開了首次會(huì)議。其實(shí)，在2－5m的覆蓋距離上，802.15.6將主要面向三類市場(chǎng)應(yīng)用：醫(yī)療衛(wèi)生保健服務(wù)、殘疾人輔助、人體交互與娛樂。但是，最終確定這一標(biāo)準(zhǔn)并沒有正式的官方時(shí)間表。

此外，位于日本神奈川的NICT（National Institute of Communications and Information Technologies，國(guó)立通信與信息技術(shù)研究所）醫(yī)療信息與通信技術(shù)小組的研究員Marco Hernandez和Ryuji Kohno已經(jīng)為BAN研制出了一種新的物理層（PHY），并將其推薦給了IEEE標(biāo)準(zhǔn)工作組802.11.6.

由于BAN需要極低的功耗，研究人員從信息理論的角度研究了一套極低功耗狀態(tài)下的信號(hào)傳輸理論。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，Hernandez和Kohno實(shí)現(xiàn)了真實(shí)系統(tǒng)能耗的下界，包括發(fā)射器和收發(fā)器上的功耗。Hernandez談到，當(dāng)收發(fā)器貼近人體工作時(shí)（某些情況下在人體身上實(shí)現(xiàn)），被人體組織吸收的輻射量大小尤其值得注意。為此，研究人員為BAN設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能效高、風(fēng)險(xiǎn)低、組織加熱的UWB信號(hào)。為此，他們將實(shí)際收發(fā)器的影響和信息理論結(jié)果考慮在內(nèi)，設(shè)定了能效指標(biāo)，作為低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。此外，他們還預(yù)估了在偶極天線的進(jìn)場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)中基于SAR的安全性指標(biāo)。

實(shí)際上，根據(jù)已經(jīng)取得的研究成果，Marco和Kohno提出了帶非相干檢測(cè)的開關(guān)信號(hào)產(chǎn)生方案，采用截角調(diào)制正弦函數(shù)作為PHY的脈沖波形。為了驗(yàn)證這一方案的可行性，兩位研究人員已經(jīng)基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了低功耗UWB收發(fā)器。這一研究成果已經(jīng)作為論文“Ultralow-power UWB signal design for body area networks”發(fā)表在ISMICT’07大會(huì)上。