医疗保健设备中的无线电技术 技术, 保健, 无线电

我是MT

作者: Reghu Rajan

平均来说，我们的人生有99%以上是在医院或诊所外度过。因此，在医院和临床环境之外的医疗保健变得和在医院内的一样重要。此外，逐渐增加的医疗条件、老年人口和上升的医疗保健成本构成了推动更好的医疗保健解决方案的因素。在改进医疗保健和病人的生活质量方面，无线技术发挥了很大的作用，同时降低了成本。



图1：医疗保健循环

医疗保健循环(见图1)包括从婴幼儿到老年人的预防保健护理监控、健康监测、医院环境下的诊断护理、康复和岗位流程护理。通过更好的远程监控能让病人早些回家，可帮助减少治疗成本，还可以改进病人的生活质量，并且在许多情况下帮助进行早期诊断。监测生理参数已经大幅演进从使用电线束与病人连接的庞大床边设备，到能够从病人身体上捕捉重要的生理参数且不影响日常活动的超小型无线传感器。除了监测之外，某些设备还能够提供治疗。

为帮助了解医疗设备无线方面的要求，让我们首先基于应用大致归类这些设备(参见图2)。



图2：无线医疗设备的类别

无线医疗设备应用广泛，依赖于需要测量的参数，有些应用只需传输数个字节，而另外一些应用需要传输高带宽的的数据流，有些需要长的电池寿命，特别是人体植入设备，更换电池意味着手术。定点测量设备诸如温度测量仪对于无线电带宽的要求比起心电监察仪等的设备较小，相比后者它使用频率低，而后者经常需要实时传输心电图波形信息。

不同的应用对无线技术有不同的要求，因而不可能存在一种无线技术可以同时满足不同应用需求。

对于人体植入和可进入消化道的无线电有着共同的限制，无线电通信必须穿过机体组织进行，而身体会显著减弱高频率RF信号。美国联邦通信委员会(FCC) 已将用于植入用途(MICS和MEDS频带)的频带分配在400MHz范围内，以便在体内时达到最佳性能。植入的无线电还需要极低的功耗、泄漏电流和有效的唤醒机制来启动通讯。美高森美的植入级无线电设计专门用于此类应用。针对植入级无线电的一些应用如图3所示：



图3：植入应用示例

植入应用中的无线电周期性(duty-cycled) 工作，这意味着通常处于睡眠模式。除了运行中的超低功耗，还要求具有极低的泄漏电流。对于植入无线电应用，数据速率要求并不高，虽然具有较高数据速率的无线电可帮助减少工作周期并延长电池寿命。

可摄取应用包括药丸摄影机(参见图4)以传输数以千计的高质量胃肠道图片，以及胃肠道中的药物输送和酸度监控等其它应用。此类应用还要求无线电和电路具有超低功耗，因为受限于电池尺寸，即便其设备的电池寿命可能比植入物更短。



图4：使用美高森美无线电的Pillcam药丸摄影机

除了超低功耗，此类无线电还需要安全的高效通信协议。标准协议，比如低能耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)或 Zigbee，相比于专用协议，需要更高的通信协议开销(protocol overhead)。大多数植入无线电因此使用专用协议来优化功耗并改进通信效率和安全性。

外部无线传感器涵盖了范围广泛的应用，从健康监测到特征生理参数监测。对于无线个人网 (wireless personal area network, WPAN) 和无线体域网(wireless body area network, WBAN)，今天的传感和监测解决方案可在极低功耗下支持连续的数据流。这对于可穿戴的医疗系统尤为关键，因为它们都在要频繁更换电池较为困难和昂贵的环境中使用。这些系统以往需要用AA或AAA电池，而现在则可以运行在微功率电池上。使之成为现实的是超低功耗短程无线电收发器，它们的电路设计在一些关键参数上针对功率效率进行了优化。

WPAN占有个人周围的网络空间，覆盖了附近的生活或工作空间( 通常可达十米)，并采用蓝牙和Zigbee等协议来实施。WBAN则占有更小的无线空间，在人体周围大约一米，用于与人体相关的传感器通信。应用已从大量的工作周期性点测扩展到更多数据密集的连续链接。在医院和临床设施、临床家庭监护和非卧床应用、以及消费者健康和健身中，这项技术有着多种应用(参见图5)。



图5：外部感测用例和技术

针对WPAN和WBAN的无线电要求

选择能够在WPAN和WBAN中优化功率效率的短程无线电收发器时，还必须考虑许多问题。针对低功率无线电的某些关键注意事项如图6所示。



图6：ULP无线电要求

其中，电源电压尤其重要。大多数传感器使用单电池(电压依赖化学反应)单元运行,因而更宜采用低于2V的电源电压。这意味着短程无线电收发器必须设计用于低电压运行——最理想是降至1.1 V，以便优化设计灵活性并减少功率管理的限制。

另一个关键问题是峰值电流。几乎所有基于无线的传感器网络都会依赖于某种程度的工作周期性来节省能源并限制无线电空间的使用，它们通常会在传感器的电流消耗曲线上产生峰值。无线电收发器中的低峰值电流消耗减少了无线传感器电源电压方面的限制。

输出阻抗也是重要的，因为它主要影响功率放大器(power amplifier, PA)的功耗。匹配网络来连接无线电和天线有助于使插入损耗达到几个dB。

载波频率的选择也会影响功耗。在医疗(ISM)无线电频带中的两种可用选择为2.4GHz或sub-GHz频率。最常用的2.4GHz协议有Wi-Fi、Bluetooth和ZigBee。然而，在低功率和较低数据速率无线医疗监控应用中，sub-GHz无线系统提供了几大优势，包括降低功耗，以及由于较低的自由空间传播损耗，对于给定功率具有更长的距离。更安静的频谱意味着更容易传输和更少重试，这不但更高效，而且节省了电池电能。

对于网络级的平均功率分配，通信协议也有着重大的影响。Zigbee 和蓝牙提供了高度复杂的链接和网络层，但这些协议栈会占用大百分比的无线电功耗，以及较高的资源开销。对于超低功率系统，“一刀切”标准化选项罕有最佳解决方案。相反，设计人员为超低功耗应用而开发的解决方案应该考虑使用最适合其需求的协议。

最后，在周期性工作的无线链接中，链接数据速率是影响功耗的最重要因素之一。平均功率几乎与链接数据速率成反比；例如，对于相同的有效负载，100kbps无线电的功耗几乎是50kbps无线电的一半。在比较RF收发器时，“每比特能量” (energy per bit) 是比电流消耗更好的功率效率指标。但高数据速率无线电常常具有较高的峰值电流，对于大多数小型电池来说，这些是非常不受欢迎的，因为它们会需要大型电容器。

前面提及的每个因素对于需要低功率优势且有效负载大于10 比特/每秒的应用都是至关重要的，然而，先前的可穿戴式无线传感器仅仅能够用于缓慢变化的参数，而新的RF技术可以用于帮助观察更快变化的生理参数，比如心脏和大脑电气活动或血氧，它们需要大约0.5至5 kbit/s的数据速率，以便提取有意义的波形。

小心平衡这些取舍的一个示例就是美高森美的ZL70250收发器(参见图7)，该器件在尺寸大约2mm x 3mm的芯片级封装内，具有标准的2线和SPI接口，可使用任何标准微控制器进行控制和数据传送。该微控制器的模数转换器(ADC)连接至超低功耗模拟前端器件，连同ZL70250收发器，所构成的解决方案可用于开发无线ECG解决方案，采用CR系列纽扣电池可以连续运行长达一周时间。此类器件，比如用于病患呼吸测量的3轴加速计或脉搏血氧计(pulse-oximeter)、以及各种其它可穿戴式健康监控平台，都可以达到类似的功率效率。此类器件使低成本纽扣电池或小型锂离子电池在更换前能够支持长达两周时间的连续WPAN和WBAN数据流。



图7：基于ZL70250的可穿戴式无线传感器装置

随着微功率电池的出现和超低功耗收发器技术的进步，构建智能化的灵活智能无线传感器已经成为可能。要解决各种关键设计问题，选择合适的收发器是至关重要的，以便通过使用单一小型电池，可穿戴式无线医疗设备能够实现生物信号的长期连续监测。今天的超低功耗收发器提供了性能和功率效率的组合，通过平衡一些技术使用相关的折衷，从低电流中获取最大的可能益处。