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

　　Zarlink Semiconductor公司針對起搏器、神經(jīng)刺激器、藥泵以及其他此類植入式應(yīng)用醫(yī)療設(shè)備的一款超低功率RF收發(fā)器芯片，其數(shù)據(jù)傳輸率高、功耗低，具有獨特的喚醒電路。本文討論了如何采用這款RF收發(fā)器實現(xiàn)體內(nèi)通信系統(tǒng)的設(shè)計。

 　　集成電路(IC)和醫(yī)療設(shè)備的開發(fā)在過去30年同時得到了發(fā)展。電路技術(shù)的發(fā)展促使了日益復(fù)雜、高度集成和小型化醫(yī)療器械的發(fā)展。同時，保健成本的不斷增長和人們生活的更加富裕，身體的更肥胖以及壽命的延長，已經(jīng)產(chǎn)生對依靠與基站無線連接的植入式醫(yī)療設(shè)備的新應(yīng)用和治療的需求。
　　傳統(tǒng)上，植入式醫(yī)療設(shè)備的通信系統(tǒng)采用極短距離磁耦合，這就要求在編程器和醫(yī)療設(shè)備之間進行緊耦合，通常數(shù)據(jù)傳輸率低于50kbps。

         為了克服距離的限制，402MHz ~ 405MHz醫(yī)療植入通信服務(wù)(MICS)頻帶在1999年啟用，隨后歐洲也出現(xiàn)類似標(biāo)準(zhǔn)。該頻帶支持較長距離 (通常2m)、相對高速的無線鏈接。由于信號在人體內(nèi)的傳輸特性、與該頻帶內(nèi)在業(yè)用戶工作的兼容(如氣象氣球等輔助氣象設(shè)備)及其全球可用性，402MHz ~ 405MHz頻帶非常適合這種服務(wù)。

  　　用于植入式醫(yī)療應(yīng)用的電子系統(tǒng)的低功率設(shè)計難度巨大。例如，絕大多數(shù)植入式起搏器壽命要求長于7年，最大漏電流在10uA~ 20uA量級。由于需要支持起搏治療而對電流消耗的要求，通信系統(tǒng)的電流設(shè)計量在設(shè)備壽命范圍內(nèi)總平均電流不超過總電流設(shè)計量的15%，即2uA~ 3uA?？芍踩胧结t(yī)療系統(tǒng)的收發(fā)器必須定期“查看”或者監(jiān)控外部通信設(shè)備，在不查看時，保持在很低的功率狀態(tài)以儲存能量。

 設(shè)計考慮

 　　為了能使用MICS頻帶，植入式醫(yī)療設(shè)備需要使用超低功率、高性能收發(fā)器。植入式設(shè)備收發(fā)器設(shè)計面臨眾多挑戰(zhàn)，包括：

 (1)400MHz通訊中為低功率。植入電池功率有限，并且植入電池的阻抗相對較高，這就限制了從電池吸入的電流。
(2)在通訊階段，對大多數(shù)可植入設(shè)備，應(yīng)將電流限制在小于6mA。
(3)處于休眠和定期“查看”以喚醒信號時，處于低功率。
(4)外部元件最少且物理體積最小?？芍踩爰壴膬r格昂貴，高集成度可以降低成本并增加系統(tǒng)整體可靠性。
(5)數(shù)據(jù)傳輸率合理。目前，起搏器應(yīng)用要求數(shù)據(jù)傳輸率大于20 kbps，將來設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸率要高得多。
(6)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸摺?br /> (7)選擇性和干擾抑制能力，特別是歐洲TETRA無線電標(biāo)準(zhǔn)所要求的。
(8)距離一般要超過兩米。距離越長則需要的靈敏度要越好，因為小天線和體損失影響鏈路預(yù)算和允許距離。天線、匹配、衰減和體損失的變化都很大，損失可能高達40dB~45dB。

　　ZL70101 MICS收發(fā)器在高數(shù)據(jù)傳輸率的情況下具有非常出色的低功耗特性。在高達800kbps的數(shù)據(jù)率下工作時，發(fā)射和接收電流都小于5 mA。電路具有獨特的工作在2.45 GHz的超低功率喚醒系統(tǒng)，平均休眠/監(jiān)控電流小于250nA。系統(tǒng)集成度高，只需要3個外部元件(晶振和兩個去耦電容)和一個匹配網(wǎng)絡(luò)。

 　　醫(yī)療設(shè)備可以劃分為使用內(nèi)部非可再充電電池(如起搏器)類和感應(yīng)耦合功率類(如人工耳蝸)。前者極力挖掘系統(tǒng)占空比潛力，目的是節(jié)省功率。收發(fā)器大部分時間都處于關(guān)閉狀態(tài)，因此，關(guān)閉狀態(tài)電流和周期性查找通訊設(shè)備需要的電流必須特別低(<1-2uA)。同時，兩種情況下的發(fā)射和接收功率都要低(電流<6mA)。

 　　在2.1V~ 3.5V電源電壓下工作時， ZL70101的峰值接收/發(fā)射電流損耗<5mA，這個包括基本射頻收發(fā)器和MAC電流。MAC確保用戶能接收到高完整性數(shù)據(jù)，自動完成所需的大部分鏈路維護工作。此外，MAC協(xié)議提供有一個節(jié)省功率的定時器，傳輸一個數(shù)據(jù)包之后，該定時器將植入設(shè)備的接收器關(guān)閉一段編程好的時間。

 　　要使以焦耳/位為單位定義的總功耗最小，在滿足應(yīng)用接收靈敏度要求的情況下，建議可植入收發(fā)器使用盡可能高的數(shù)據(jù)率。需要低數(shù)據(jù)傳輸率(甚至達到低kHz范圍)的系統(tǒng)應(yīng)該對數(shù)據(jù)進行緩沖，工作在盡可能高的數(shù)據(jù)率下，降低占空比以降低平均電流損耗。以短脈沖發(fā)送數(shù)據(jù)能節(jié)省功率，降低產(chǎn)生干擾的時間窗。此外，對高電池阻抗系統(tǒng)，由于從電容放電的脈沖更短，電源對去耦的要求可能更低。

 　　收發(fā)器允許用戶隨接收器靈敏度的不同，從多種數(shù)據(jù)率(200 kbps, 400 kbps, 800 kbps)中進行選擇。為便于實現(xiàn)這一靈活性，系統(tǒng)采用2 FSK或4 FSK調(diào)制，每秒200或400千字符，頻率偏差可變(見表1)。通過采用片外數(shù)字濾波，可以達到更低的數(shù)據(jù)傳輸率和相應(yīng)更高的接收器靈敏度。收發(fā)器具有一個MAC旁路工作模式，在該模式下射頻完全可用。在這種配置下，用戶可以開發(fā)定制協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸率。

總體系統(tǒng)架構(gòu)

 　　ZL70101工作于植入設(shè)備和外部基站(見圖2)?；景òl(fā)射2.45 GHz喚醒信號的附加電路。系統(tǒng)一旦通過2.45 GHz喚醒信號啟動，就通過402MHz到405MHz MICS頻帶收發(fā)器交換數(shù)據(jù)。

 　　ZL70101 MICS芯片(見圖3)包含3個主要的子系統(tǒng)：一個400MHz收發(fā)器，一個2.45 GHz喚醒接收器及一個媒體存取控制器(MAC)。根據(jù)輸入引腳的狀態(tài)確定芯片用作植入醫(yī)療設(shè)備，或者基站編程器的收發(fā)器。

 　　收發(fā)器采用一種中頻(IF)低的帶鏡像抑制混頻器的超外差架構(gòu)。低的中頻可使濾波器和調(diào)制器功耗最小，沒有與高數(shù)據(jù)率、零中頻架構(gòu)相關(guān)的閃爍噪聲和直流偏移問題。FSK調(diào)制方案降低了發(fā)射放大器線性要求，因而降低了功耗，并可以使用更簡單的限制接收器。