医疗信息通信设计和人体域网络的发展介绍
医疗信息通信技术(ict)将充分借助和涉及现有众多的高新技术，诸如传感器网络、网络机器人、rfid以及基于超宽带(uwb)、软件定义无线电(srd)与多输入多输出(mimo)技术的先进移动通信系统;进一步研发超低功率放大器、软件结构rf以及片上天线;此外，封装技术对经久耐用的植/侵入式器件也是至关重要的。
在医疗和保健领域，人体植/侵入式或配带式超低功耗和小型化无线收发芯片与传感器大量使用，必将推动人体域无线网络(ban)迅速发展，为医疗信息通信提供一个必要的平台，实时地传送人体的生理参数，实现远程诊断和治疗。例如，日本政府正在实施一个“u-japan”计划，旨在建立一个独特的ad-hoc网络，用于安全又可靠的医疗服务。
下面主要介绍体内植/侵入式无线收发器和数字电子疹诊疗贴的设计，介绍人体域网络的发展情况。
体内植/侵入式器件无线通信
zarlink semiconductor公司致力于开发植/侵入式半导体芯片和体内通信，它的超低功耗收发器zl70101用于链接植/侵入式医疗器件和监测设备的遥测系统。新一代采用0.18?m rfcmos工艺并具有新型无线结构和调制技术的70102亦即将面世。据该公司报道，zl70101已用于诊断用药丸式摄像机中，拍摄图像，并按每秒4帧、2.7mbps数据速率传送至记录仪。发射时消耗5.2mw功率，设计工作时间超过8小时。
zl70101(图1)是一个超低功耗无线收发器，为医疗植/侵入式应用提供高性能半双工rf通信链接。高集成度器件包括10个mics信道与2个ism信道400mhz收发器和提供器件控制和rf消息编译的媒体接入控制器(mac)，和一个标准spi接口提供方便的连接。一个备选的2.45ghz ism带接收器提供附加的唤醒功能。它采用reed-solomen编码方案，结合crc误码检测以达到十分可靠链接。对数据块，最大误码率(ber)小于1.5×10-10。
图1 zl70101方框图
zl70101收发器既可用于植/侵入式设备，也可用于基站。鉴于两个系统对功耗有不同的要求，收发器定义了两种基本的启动工作方式：
植/侵入式医疗设备(imd)方式：在此方式，收发器通常处于休眠状态，也就是处于极低电流状态。使用时，imd可通过2.45ghz链路唤醒，或通过imd处理顺直接用wu-en引脚唤醒。
基站方式：在此方式，可增加一些外部元件以求获得最佳的性能，如图2。
图2 zl70101外接元件图
为了方便用户使用，该公司还推出了zle应用开发套件(adk)。配置了植/侵入式应用中间件(aim100)板与基站中间件bsm100)板。前者包括zl70101收发器，用了正常数据传输和唤醒操作的分立电路、通过工业标准spi总线连接的应用微控制器、以及接口至pcb基环天线的sma连接器;后者在前者的基础上，增添了唤醒发射子系统和执行清除信道接入(cca)的接收信号强度指示器。此外，还配置了使性能更佳的双带天线。套件还配置了应用开发平台(adp100)板，使计算机可通过usb2.0接口至aim100板或bsm100板。
数字电子诊疗贴
当加拿大zarlink公司致力于人体网络的体内通信时，英国的toumaz technology公司另辟蹊径，提供一个体外通信的解决方案，称为sensium数字电子诊疗贴。顾名思义，电子贴与伤口贴一样能粘贴在人体的表皮上，不同的是，它是一个高集成度、超低功耗传感器接口和收发器平台(图3)，内置可重构的传感器接口、带8051处理器的数字积木块、rf收发器和片上温度传感器。一个或多个启用sensium数字电子电子贴连续地监测人体的重要生理参数，并报告给插入pda或智能手机中的sensium基站。
图3 数字电子诊疗贴
在这类应用中，系统结构(图4)可分为三个单元：传感器节点目标站、基站和因特网服务/中心数据库。目标站支持多种数据速率高达50kbps的传感器，用30mahr电池可工作一年。传感器产生的极低电平信号可用片上程序和数据内存进行预处理。基站最多可链接8个目标站，每个监测一个人体的生理参数，诸如温度、心速、呼吸、血压等。数据进一步得到过滤和处理，然后通过无线或因特网传送至中心数据库，为保健或医疗提供依据。
图4 tz1030方框图
器件的核心是用130nm rfcmos工艺和具有专利的先进混合信号(amx)技术制作的高集成芯片tz1030(图5)。器件的工作电压为1-1.5v(锌空气电池兼容);具有多种传感器接口：内、外温度传感器接口、单引线ecg接口、3轴加速度接口、电流型接口、电流型传感器接口;备有放大、滤波、数据变唤、数据压缩、调制的预处理功能;收发器的发射功率为-10dbm，接收灵敏度达-97dbm(0.1%误码率)，采用双向fsk调制，带宽200khz;载波频率：欧洲ism862-870khz，病因ism902-928mhz;收发器在连续tx/rx模式消耗3ma电流，发射距离达3米。
图5 无线人体监测系统结构
人体局域网(ban)
超低功耗收发器和医疗传感器的飞速发展，构建高速、短程的ban就显得十分迫切。事实上，为了实现这个目标，ieee802在2007年12月就 立了一个制订ieee802.15的工作组6(tg6)。该工作组将定义一个人体范围内的短程、无线通信标准。一个备选方案的基本要点是：
mics频带：402-405mhz(fcc47cfr95.601-95.673子项e);
10个300khz信道;
自适应频率校准;
25?w eirp;
医疗无线电fcc建议频带：401-402mhz与405-406mhz;
无线医疗遥测服务(wmts)频带：608/614mhz(tv37频道)、1395-1400mhz、1427-1432mhz;
工业、科学与医疗(ism)频带：868/915mhz、2.4ghz、5.8ghz。
uwb频带;
rfid链接：135khz、6.78mhz、13.56mhz(erc rec.70-03);
感应链接频带：9-315khz;
电容性无载波基带传输。
研究人员也在研发ban用新的物理层(phy)协议。一种是超低功率uwb信号设计技术，是非相干检测的开关信号，使用截断三角波调制正弦函数作为phy用脉冲波形。ban的工作距离范围在2-5米之间，1米距离功耗约为1mw/mbps。2-5米ieee802.15.6旨在下列3个应用市场：医疗保健、残疾人援助设施、人体间相互作用与娱乐设施。
可备带、可植/侵主的健康医疗器件已大量涌现，如常见的指尖式血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠器质测量仪、可植入身份识别组件等，而新一代超低功耗收发器将技术水平提高到一个新的高度，若这些器件只能单独地工作，通信资源就不能充分地利用，因此ban的研发势在必行。当然，ban是一种独特的局域网，人体组织对无线电波有吸收作用，因此ban物理层需要创新的技术，同时还要考虑人体安全性的因素，此外，检测手段技术的多样性也比其它局域网复杂。这些问题有待于解决。
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