醫(yī)療保健設備中的無線電技術

平均來說，我們的人生有99%以上是在醫(yī)院或診所外度過。因此，在醫(yī)院和臨床環(huán)境之外的醫(yī)療保健變得和在醫(yī)院內(nèi)的一樣重要。此外，逐漸增加的醫(yī)療條件、老年人口和上升的醫(yī)療保健成本構(gòu)成了推動更好的醫(yī)療保健解決方案的因素。在改進醫(yī)療保健和病人的生活質(zhì)量方面，無線技術發(fā)揮了很大的作用，同時降低了成本。

圖1：醫(yī)療保健循環(huán)

醫(yī)療保健循環(huán)(見圖1)包括從嬰幼兒到老年人的預防保健護理監(jiān)控、健康監(jiān)測、醫(yī)院環(huán)境下的診斷護理、康復和崗位流程護理。通過更好的遠程監(jiān)控能讓病人早些回家，可幫助減少治療成本，還可以改進病人的生活質(zhì)量，并且在許多情況下幫助進行早期診斷。監(jiān)測生理參數(shù)已經(jīng)大幅演進從使用電線束與病人連接的龐大床邊設備，到能夠從病人身體上捕捉重要的生理參數(shù)且不影響日?；顒拥某⌒蜔o線傳感器。除了監(jiān)測之外，某些設備還能夠提供治療。

為幫助了解醫(yī)療設備無線方面的要求，讓我們首先基于應用大致歸類這些設備(參見圖2)。

圖2：無線醫(yī)療設備的類別

無線醫(yī)療設備應用廣泛，依賴于需要測量的參數(shù)，有些應用只需傳輸數(shù)個字節(jié)，而另外一些應用需要傳輸高帶寬的的數(shù)據(jù)流，有些需要長的電池壽命，特別是人體植入設備，更換電池意味著手術。定點測量設備諸如溫度測量儀對于無線電帶寬的要求比起心電監(jiān)察儀等的設備較小，相比后者它使用頻率低，而后者經(jīng)常需要實時傳輸心電圖波形信息。

不同的應用對無線技術有不同的要求，因而不可能存在一種無線技術可以同時滿足不同應用需求。

對于人體植入和可進入消化道的無線電有著共同的限制，無線電通信必須穿過機體組織進行，而身體會顯著減弱高頻率RF信號。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC) 已將用于植入用途(MICS和MEDS頻帶)的頻帶分配在400MHz范圍內(nèi)，以便在體內(nèi)時達到最佳性能。植入的無線電還需要極低的功耗、泄漏電流和有效的喚醒機制來啟動通訊。美高森美的植入級無線電設計專門用于此類應用。針對植入級無線電的一些應用如圖3所示：

圖3：植入應用示例

植入應用中的無線電周期性(duty-cycled) 工作，這意味著通常處于睡眠模式。除了運行中的超低功耗，還要求具有極低的泄漏電流。對于植入無線電應用，數(shù)據(jù)速率要求并不高，雖然具有較高數(shù)據(jù)速率的無線電可幫助減少工作周期并延長電池壽命。

可攝取應用包括藥丸攝影機(參見圖4)以傳輸數(shù)以千計的高質(zhì)量胃腸道圖片，以及胃腸道中的藥物輸送和酸度監(jiān)控等其它應用。此類應用還要求無線電和電路具有超低功耗，因為受限于電池尺寸，即便其設備的電池壽命可能比植入物更短。

圖4：使用美高森美無線電的Pillcam藥丸攝影機

除了超低功耗，此類無線電還需要安全的高效通信協(xié)議。標準協(xié)議，比如低能耗藍牙(Bluetooth Low Energy)或 Zigbee，相比于專用協(xié)議，需要更高的通信協(xié)議開銷(protocol overhead)。大多數(shù)植入無線電因此使用專用協(xié)議來優(yōu)化功耗并改進通信效率和安全性。

外部無線傳感器涵蓋了范圍廣泛的應用，從健康監(jiān)測到特征生理參數(shù)監(jiān)測。對于無線個人網(wǎng) (wireless personal area network, WPAN) 和無線體域網(wǎng)(wireless body area network, WBAN)，今天的傳感和監(jiān)測解決方案可在極低功耗下支持連續(xù)的數(shù)據(jù)流。這對于可穿戴的醫(yī)療系統(tǒng)尤為關鍵，因為它們都在要頻繁更換電池較為困難和昂貴的環(huán)境中使用。這些系統(tǒng)以往需要用AA或AAA電池，而現(xiàn)在則可以運行在微功率電池上。使之成為現(xiàn)實的是超低功耗短程無線電收發(fā)器，它們的電路設計在一些關鍵參數(shù)上針對功率效率進行了優(yōu)化。

WPAN占有個人周圍的網(wǎng)絡空間，覆蓋了附近的生活或工作空間( 通?？蛇_十米)，并采用藍牙和Zigbee等協(xié)議來實施。WBAN則占有更小的無線空間，在人體周圍大約一米，用于與人體相關的傳感器通信。應用已從大量的工作周期性點測擴展到更多數(shù)據(jù)密集的連續(xù)鏈接。在醫(yī)院和臨床設施、臨床家庭監(jiān)護和非臥床應用、以及消費者健康和健身中，這項技術有著多種應用(參見圖5)。

圖5：外部感測用例和技術

針對WPAN和WBAN的無線電要求

選擇能夠在WPAN和WBAN中優(yōu)化功率效率的短程無線電收發(fā)器時，還必須考慮許多問題。針對低功率無線電的某些關鍵注意事項如圖6所示。

圖6：ULP無線電要求

其中，電源電壓尤其重要。大多數(shù)傳感器使用單電池(電壓依賴化學反應)單元運行,因而更宜采用低于2V的電源電壓。這意味著短程無線電收發(fā)器必須設計用于低電壓運行——最理想是降至1.1 V，以便優(yōu)化設計靈活性并減少功率管理的限制。

另一個關鍵問題是峰值電流。幾乎所有基于無線的傳感器網(wǎng)絡都會依賴于某種程度的工作周期性來節(jié)省能源并限制無線電空間的使用，它們通常會在傳感器的電流消耗曲線上產(chǎn)生峰值。無線電收發(fā)器中的低峰值電流消耗減少了無線傳感器電源電壓方面的限制。

輸出阻抗也是重要的，因為它主要影響功率放大器(power amplifier, PA)的功耗。匹配網(wǎng)絡來連接無線電和天線有助于使插入損耗達到幾個dB。

載波頻率的選擇也會影響功耗。在醫(yī)療(ISM)無線電頻帶中的兩種可用選擇為2.4GHz或sub-GHz頻率。最常用的2.4GHz協(xié)議有Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee。然而，在低功率和較低數(shù)據(jù)速率無線醫(yī)療監(jiān)控應用中，sub-GHz無線系統(tǒng)提供了幾大優(yōu)勢，包括降低功耗，以及由于較低的自由空間傳播損耗，對于給定功率具有更長的距離。更安靜的頻譜意味著更容易傳輸和更少重試，這不但更高效，而且節(jié)省了電池電能。

對于網(wǎng)絡級的平均功率分配，通信協(xié)議也有著重大的影響。Zigbee 和藍牙提供了高度復雜的鏈接和網(wǎng)絡層，但這些協(xié)議棧會占用大百分比的無線電功耗，以及較高的資源開銷。對于超低功率系統(tǒng)，“一刀切”標準化選項罕有最佳解決方案。相反，設計人員為超低功耗應用而開發(fā)的解決方案應該考慮使用最適合其需求的協(xié)議。

最后，在周期性工作的無線鏈接中，鏈接數(shù)據(jù)速率是影響功耗的最重要因素之一。平均功率幾乎與鏈接數(shù)據(jù)速率成反比;例如，對于相同的有效負載，100kbps無線電的功耗幾乎是50kbps無線電的一半。在比較RF收發(fā)器時，“每比特能量” (energy per bit) 是比電流消耗更好的功率效率指標。但高數(shù)據(jù)速率無線電常常具有較高的峰值電流，對于大多數(shù)小型電池來說，這些是非常不受歡迎的，因為它們會需要大型電容器。

前面提及的每個因素對于需要低功率優(yōu)勢且有效負載大于10 比特/每秒的應用都是至關重要的，然而，先前的可穿戴式無線傳感器僅僅能夠用于緩慢變化的參數(shù)，而新的RF技術可以用于幫助觀察更快變化的生理參數(shù)，比如心臟和大腦電氣活動或血氧，它們需要大約0.5至5 kbit/s的數(shù)據(jù)速率，以便提取有意義的波形。

小心平衡這些取舍的一個示例就是美高森美的ZL70250收發(fā)器(參見圖7)，該器件在尺寸大約2mm x 3mm的芯片級封裝內(nèi)，具有標準的2線和SPI接口，可使用任何標準微控制器進行控制和數(shù)據(jù)傳送。該微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)連接至超低功耗模擬前端器件，連同ZL70250收發(fā)器，所構(gòu)成的解決方案可用于開發(fā)無線ECG解決方案，采用CR系列紐扣電池可以連續(xù)運行長達一周時間。此類器件，比如用于病患呼吸測量的3軸加速計或脈搏血氧計(pulse-oximeter)、以及各種其它可穿戴式健康監(jiān)控平臺，都可以達到類似的功率效率。此類器件使低成本紐扣電池或小型鋰離子電池在更換前能夠支持長達兩周時間的連續(xù)WPAN和WBAN數(shù)據(jù)流。

圖7：基于ZL70250的可穿戴式無線傳感器裝置

隨著微功率電池的出現(xiàn)和超低功耗收發(fā)器技術的進步，構(gòu)建智能化的靈活智能無線傳感器已經(jīng)成為可能。要解決各種關鍵設計問題，選擇合適的收發(fā)器是至關重要的，以便通過使用單一小型電池，可穿戴式無線醫(yī)療設備能夠?qū)崿F(xiàn)生物信號的長期連續(xù)監(jiān)測。今天的超低功耗收發(fā)器提供了性能和功率效率的組合，通過平衡一些技術使用相關的折衷，從低電流中獲取最大的可能益處。