人體通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和應(yīng)對(duì)策

如何從人體獲得相關(guān)數(shù)據(jù)？本文將探討設(shè)計(jì)植入人體的嵌入式系統(tǒng)所面臨的功率、耐用性和射頻等方面的挑戰(zhàn)。

以往科幻小說(shuō)作者的種種幻想在醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員手中已逐漸成為現(xiàn)實(shí)。僅在幾年前，人體通信網(wǎng)絡(luò)的概念還只出現(xiàn)在星際旅行(Star Trek)這類(lèi)影視作品中。而如今，得益于先進(jìn)的超低功率射頻(RF)技術(shù)，患者的心臟起搏器可以與醫(yī)生辦公室進(jìn)行無(wú)線通話，隨時(shí)報(bào)告最新健康情況。

植入人體的醫(yī)療設(shè)備及系統(tǒng)的范圍在迅速擴(kuò)大。從1950年代末的第一個(gè)心臟起搏器起步，人體設(shè)備不斷發(fā)展，現(xiàn)在，已被使用來(lái)調(diào)節(jié)身體功能、模擬神經(jīng)，以及治療諸如帕金森氏癥、阿茲海默癥和癲癇癥等疾病。如圖1所示，當(dāng)前，幾乎患者健康的每個(gè)方面都能夠通過(guò)植入設(shè)備來(lái)進(jìn)行監(jiān)控或調(diào)節(jié)。而這些設(shè)備向設(shè)計(jì)人員提出了獨(dú)特的功率、信號(hào)處理和通信方面的挑戰(zhàn)。

要成功設(shè)計(jì)這些植體系統(tǒng)，需要克服一些獨(dú)有的挑戰(zhàn)，尤其是在通信和控制方面。這可能意味著多個(gè)植體設(shè)備間的協(xié)作；例如，某個(gè)以往被限制在輪椅中的患者可以通過(guò)對(duì)腿部神經(jīng)施行功能性電刺激(FES)來(lái)完成短距離行走
　　在本文中，我們將介紹人體通信系統(tǒng)的一些獨(dú)特挑戰(zhàn)，以及有關(guān)植入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的某些常用技術(shù)、生物兼容性和相關(guān)法規(guī)等問(wèn)題。

頻帶問(wèn)題

專(zhuān)用于醫(yī)療植體設(shè)備通信的全球公認(rèn)頻帶是直至最近才有的。過(guò)去，在需要植體系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)間通信的地方，大多數(shù)設(shè)備制造商都采用基于線圈磁耦合原理的短程系統(tǒng)。這些系統(tǒng)要求醫(yī)療設(shè)備和編程器間進(jìn)行極短距離耦合(小于10厘米)，而且數(shù)據(jù)傳輸率很有限。

聯(lián)著國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T Recommendation SA 1346建議的出臺(tái)，402MHz到405MHz被劃定為醫(yī)療植體通信服務(wù)(MICS)共享頻帶，這種情況隨之改觀。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已在美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) CFR47 Part 95.628法規(guī)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的EN301 839標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督下分別于美國(guó)、歐洲予以實(shí)施。預(yù)期幾年內(nèi)MICS將成為一項(xiàng)真正的全球化標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于醫(yī)療保健費(fèi)用的增多，人口的老化，以及家庭醫(yī)療監(jiān)控逐漸受到認(rèn)可，MICS頻帶將不斷推動(dòng)遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步。利用MICS，醫(yī)療保健供應(yīng)商能夠在植體設(shè)備和基站之間建立起一個(gè)高速、更長(zhǎng)距離(典型值2米)的無(wú)線連接。例如，起搏器中的超低功率RF收發(fā)器可以把患者的健康和設(shè)備操作方面的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送到病床邊的RF收發(fā)器。數(shù)據(jù)再?gòu)倪@一基站經(jīng)電話或互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到醫(yī)生那里。

圖1: 患者健康的幾乎每個(gè)方面都能夠通過(guò)植體設(shè)備來(lái)進(jìn)行監(jiān)控或調(diào)節(jié)。

對(duì)于那些體內(nèi)植入有醫(yī)療器件的患者而言，先進(jìn)的超低功率RF技術(shù)將大幅改善他們的生活質(zhì)量。利用雙向RF鏈路，醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控患者的健康狀態(tài)，并無(wú)線調(diào)節(jié)植體設(shè)備的性能。這意味著患者不再需要頻繁進(jìn)出醫(yī)院，而代之以遠(yuǎn)程監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)出問(wèn)題時(shí)，醫(yī)生再通知患者前往醫(yī)院。

402到405MHz頻帶非常適合于人體通信網(wǎng)絡(luò)，這是由人體內(nèi)的信號(hào)傳播特性、頻帶體驗(yàn)者的適應(yīng)性(氣象氣球等氣象輔助設(shè)備)以及頻帶的國(guó)際性可用性決定的。MICS標(biāo)準(zhǔn)允許10個(gè)信道，每個(gè)信道300kHz，輸出功率限制在25μW。

功耗、尺寸和成本挑戰(zhàn)

功耗和尺寸是人體通信設(shè)備設(shè)計(jì)中最重要的考慮事項(xiàng)。這二者密切相關(guān)，在設(shè)計(jì)的每個(gè)階段都必須予以重點(diǎn)考慮。

節(jié)省功耗的主要目的是為了延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命或引入更多的功能。功耗和功能性這兩個(gè)目標(biāo)可通過(guò)集成盡可能多的片上元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，節(jié)省下來(lái)的空間可用來(lái)增添額外的電池或電路。

除芯片級(jí)設(shè)計(jì)之外，器件的總體尺寸也是設(shè)計(jì)人員必須考慮到的一個(gè)問(wèn)題。正如移動(dòng)電話和DVD播放機(jī)的尺寸逐年縮小，醫(yī)療設(shè)備制造商也在不斷努力開(kāi)發(fā)讓患者更感舒適的產(chǎn)品。在醫(yī)療應(yīng)用中，40×40×6mm尺寸的設(shè)備仍嫌過(guò)大，因此，需要集成盡可能多的片上元件，把外接電路減至最少是很容易理解的。

成本問(wèn)題更強(qiáng)化了對(duì)集成度的需求，因?yàn)樵卺t(yī)療植體領(lǐng)域，器件價(jià)格大不同于商業(yè)領(lǐng)域。批量生產(chǎn)情況下，一個(gè)普通電容器成本不超過(guò)1美分，而在植體領(lǐng)域，則往往達(dá)1美元左右。一塊不過(guò)25美分的石英晶體若用于起搏器，可能價(jià)格就變成10美元。這種價(jià)位差異的原因之一在于大部分器件公司都不愿意冒因醫(yī)療故障被起訴的風(fēng)險(xiǎn)而為植體應(yīng)用產(chǎn)品提供器件，故導(dǎo)致了競(jìng)爭(zhēng)的缺乏。此外，較之同類(lèi)的工業(yè)用元件，植體元件必須通過(guò)更多的測(cè)試、驗(yàn)證和審批，這些都進(jìn)一步提高了總體成本。

醫(yī)療設(shè)備可劃分為兩類(lèi)，一類(lèi)采用非充電型內(nèi)置電池(如起搏器)，另一類(lèi)采用耦合感應(yīng)電源(如人工耳蝸)。前者通過(guò)使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)占空比較大來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)電。收發(fā)器大多數(shù)時(shí)間處于關(guān)斷狀態(tài)，因此斷態(tài)電流與定期查尋通信設(shè)備所需的電流必須極低(小于1μA)。這兩種情況下，發(fā)射和接收都要求低功耗。