人體通信系統的設計挑戰和應對策

如何從人體獲得相關(guān)數據？本文將探討設計植入人體的嵌入式系統所面臨的功率、耐用性和射頻等方面的挑戰。

以往科幻小說(shuō)作者的種種幻想在醫療設備設計人員手中已逐漸成為現實(shí)。僅在幾年前，人體通信網(wǎng)絡(luò )的概念還只出現在星際旅行(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生辦公室進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通話(huà)，隨時(shí)報告最新健康情況。

植入人體的醫療設備及系統的范圍在迅速擴大。從1950年代末的第一個(gè)心臟起搏器起步，人體設備不斷發(fā)展，現在，已被使用來(lái)調節身體功能、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，當前，幾乎患者健康的每個(gè)方面都能夠通過(guò)植入設備來(lái)進(jìn)行監控或調節。而這些設備向設計人員提出了獨特的功率、信號處理和通信方面的挑戰。

要成功設計這些植體系統，需要克服一些獨有的挑戰，尤其是在通信和控制方面。這可能意味著(zhù)多個(gè)植體設備間的協(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的一些獨特挑戰，以及有關(guān)植入系統設計的某些常用技術(shù)、生物兼容性和相關(guān)法規等問(wèn)題。

頻帶問(wèn)題

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

聯(lián)著(zhù)國際電信聯(lián)盟ITU-T Recommendation SA 1346建議的出臺，402MHz到405MHz被劃定為醫療植體通信服務(wù)(MICS)共享頻帶，這種情況隨之改觀(guān)。相關(guān)標準已在美國聯(lián)邦通信委員會(huì ) (FCC) CFR47 Part 95.628法規和歐洲電信標準化委員會(huì )的EN301 839標準監督下分別于美國、歐洲予以實(shí)施。預期幾年內MICS將成為一項真正的全球化標準。

鑒于醫療保健費用的增多，人口的老化，以及家庭醫療監控逐漸受到認可，MICS頻帶將不斷推動(dòng)遠程醫療技術(shù)的進(jìn)步。利用MICS，醫療保健供應商能夠在植體設備和基站之間建立起一個(gè)高速、更長(cháng)距離(典型值2米)的無(wú)線(xiàn)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備操作方面的數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送到病床邊的RF收發(fā)器。數據再從這一基站經(jīng)電話(huà)或互聯(lián)網(wǎng)轉發(fā)到醫生那里。

圖1: 患者健康的幾乎每個(gè)方面都能夠通過(guò)植體設備來(lái)進(jìn)行監控或調節。

對于那些體內植入有醫療器件的患者而言，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，醫生能夠遠程監控患者的健康狀態(tài)，并無(wú)線(xiàn)調節植體設備的性能。這意味著(zhù)患者不再需要頻繁進(jìn)出醫院，而代之以遠程監控，當檢測出問(wèn)題時(shí)，醫生再通知患者前往醫院。

402到405MHz頻帶非常適合于人體通信網(wǎng)絡(luò )，這是由人體內的信號傳播特性、頻帶體驗者的適應性(氣象氣球等氣象輔助設備)以及頻帶的國際性可用性決定的。MICS標準允許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

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

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

除芯片級設計之外，器件的總體尺寸也是設計人員必須考慮到的一個(gè)問(wèn)題。正如移動(dòng)電話(huà)和DVD播放機的尺寸逐年縮小，醫療設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。在醫療應用中，40×40×6mm尺寸的設備仍嫌過(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)題更強化了對集成度的需求，因為在醫療植體領(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療故障被起訴的風(fēng)險而為植體應用產(chǎn)品提供器件，故導致了競爭的缺乏。此外，較之同類(lèi)的工業(yè)用元件，植體元件必須通過(guò)更多的測試、驗證和審批，這些都進(jìn)一步提高了總體成本。

醫療設備可劃分為兩類(lèi)，一類(lèi)采用非充電型內置電池(如起搏器)，另一類(lèi)采用耦合感應電源(如人工耳蝸)。前者通過(guò)使系統運行時(shí)占空比較大來(lái)實(shí)現節電。收發(fā)器大多數時(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。