基于超低功RF收發(fā)器的植入式醫(yī)療設(shè)備通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 　　如圖3中標(biāo)為半雙工RF發(fā)射器的400MHz發(fā)射子系統(tǒng)，包含有一個中頻調(diào)制器、一混頻器和一功率放大器。IF調(diào)制器將一個一位(兩個FSK)或兩位(4個FSK)異步數(shù)字輸入數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為中頻。上變頻混頻器將中頻轉(zhuǎn)換成RF頻率。注意，發(fā)射和接收模式的本振頻率相同，這樣就使接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包之間的死區(qū)時間最短。 

 　　可通過寄存器自-4.5dBm~-17dBm(500 Ω負(fù)載)，以小于3dB的步長編程發(fā)射功放的輸出功率。所有RF輸入的內(nèi)部天線匹配電容組都可以細(xì)調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)，對給定的功率設(shè)置，實(shí)現(xiàn)輸出功率最大，接收器噪聲指數(shù)最佳。天線調(diào)諧為自動刻度，其中采用了一種與ADC耦合的峰值檢測器，同時帶一校準(zhǔn)控制狀態(tài)機(jī)。

　　400MHz接收器子系統(tǒng)將MICS頻帶信號放大，將載波頻率下變換到中頻。低噪聲放大器(LNA)增益為9dB~35dB可編程。對植入醫(yī)療設(shè)備收發(fā)器，建議采用更高的增益設(shè)置，而相對低一些的增益設(shè)置可以用于選擇采用外部LNA的基站收發(fā)器。LNA和混頻器偏置電流的可編程性使優(yōu)化為理想的線性(IIP3)、功耗和噪聲指數(shù)的靈活性進(jìn)一步提高。

 　　采用多相IF濾波器抑制鏡像頻率和鄰近信道干擾，限制噪聲帶寬。多相濾波器之后接限制器和一接收器信號強(qiáng)度指示器(RSSI)模塊。RSSI測量由一個5位ADC轉(zhuǎn)換，可以通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPI接口讀取。這對MICS無干擾信道評估程序有利。注意，首先必須通過MICS標(biāo)準(zhǔn)定義的一種無干擾信道評估程序，用一外部儀器確定一個合適的可用信道。

　　為此，還開發(fā)了一種為高可靠性醫(yī)療應(yīng)用定制的專用協(xié)議由MAC處理，包括下列主要特征：

 (1)采用Reed-Solomon前向誤差校正(FEC)和周期冗余碼(CRC)誤差檢測技術(shù)進(jìn)行誤差校正和檢測。假設(shè)原無線電BER為10^-3，則FEC和CRC之后的有效BER優(yōu)于1.5×10^-10。
(2)故障情況下數(shù)據(jù)塊能夠自動再傳輸，并實(shí)現(xiàn)了流程控制以避免緩沖溢出。
(3)能夠發(fā)送MICS緊急命令和高優(yōu)先級信息。
(4)能處理鏈路看門狗，確保在通信沒有成功5秒之后斷開鏈路。
(5)提供鏈路質(zhì)量診斷和自動校準(zhǔn)控制。

 超低功率喚醒接收器

 　　由于儲存電池能量最重要，所以大多數(shù)植入應(yīng)用都很少使用MICS RF鏈路。在極低功率應(yīng)用中，大部分時間內(nèi)，收發(fā)器處于一種電流極低的休眠狀態(tài)。除了在發(fā)送緊急命令外，采用MICS頻帶的系統(tǒng)必須在無干擾信道評估程序之后，等待基站啟動通訊。植入收發(fā)器應(yīng)該周期性查詢基站是否要進(jìn)行通訊。

 　　喚醒系統(tǒng)采用一種工作在2.45GHz SRD頻帶的超低功率RF接收器，檢測并解碼一種專用數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包由基站發(fā)射，然后接通芯片其余電源。芯片也可以由引腳控制直接啟動，如基站啟動、植入設(shè)備發(fā)送緊急命令或者采用選擇性喚醒系統(tǒng)的植入設(shè)備就需要這種方式。

 本文小結(jié)

 　　超低功率無線技術(shù)對許多植入醫(yī)療設(shè)備很關(guān)鍵，包括起搏器、除顫器、神經(jīng)刺激器、藥物灌注系統(tǒng)、診斷傳感器和迅速增長的植入式糖尿病監(jiān)測器。然而，隨著植入通訊系統(tǒng)發(fā)展為支持高級診斷和治療，無線性能對植入醫(yī)療設(shè)備的電池壽命不產(chǎn)生影響很關(guān)鍵。