通過采用超低功率RF收發(fā)器芯片設計植入式醫(yī)療設備的通信系統(tǒng)

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用醫(yī)療設備的一款超低功率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)的設計。

集成電路（IC）和醫(yī)療設備的開發(fā)在過去30年同時得到了發(fā)展。電路技術的發(fā)展促使了日益復雜、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)療設備的新應用和治療的需求。

傳統(tǒng)上，植入式醫(yī)療設備的通信系統(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（MICS）頻帶在1999年啟用，隨后歐洲也出現(xiàn)類似標準。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備）及其全球可用性，402MHz ~ 405MHz頻帶非常適合這種服務。

用于植入式醫(yī)療應用的電子系統(tǒng)的低功率設計難度巨大。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)的電流設計量在設備壽命范圍內(nèi)總平均電流不超過總電流設計量的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)控外部通信設備，在不查看時，保持在很低的功率狀態(tài)以儲存能量。

設計考慮

為了能使用MICS頻帶，植入式醫(yī)療設備需要使用超低功率、高性能收發(fā)器。植入式設備收發(fā)器設計面臨眾多挑戰(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)可植入設備，應將電流限制在小于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，起搏器應用要求數(shù)據(jù)傳輸率大于20 kbps，將來設計數(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?/p>

（7）選擇性和干擾抑制能力，特別是歐洲TETRA無線電標準所要求的。

（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。

醫(yī)療設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閉狀態(tài)，因此，關閉狀態(tài)電流和周期性查找通訊設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，該定時器將植入設備的接收器關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

ZL70101工作于植入設備和外部基站（見圖2）。基站包括發(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。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、零中頻架構相關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。

如圖3中標為半雙工RF發(fā)射器的400MHz發(fā)射子系統(tǒng)，包含有一個中頻調(diào)制器、一混頻器和一功率放大器。IF調(diào)制器將一個一位（兩個FSK）或兩位（4個FSK）異步數(shù)字輸入數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為中頻。上變頻混頻器將中頻轉(zhuǎn)換成RF頻率。注意，發(fā)射和接收模式的本振頻率相同，這樣就使接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包之間的死區(qū)時間最短。

可通過寄存器自-4.5dBm~-17dBm（500 Ω負載），以小于3dB的步長編程發(fā)射功放的輸出功率。所有RF輸入的內(nèi)部天線匹配電容組都可以細調(diào)匹配網(wǎng)絡，對給定的功率設置，實現(xiàn)輸出功率最大，接收器噪聲指數(shù)最佳。天線調(diào)諧為自動刻度，其中采用了一種與ADC耦合的峰值檢測器，同時帶一校準控制狀態(tài)機。

400MHz接收器子系統(tǒng)將MICS頻帶信號放大，將載波頻率下變換到中頻。低噪聲放大器（LNA）增益為9dB~35dB可編程。對植入醫(yī)療設備收發(fā)器，建議采用更高的增益設置，而相對低一些的增益設置可以用于選擇采用外部LNA的基站收發(fā)器。LNA和混頻器偏置電流的可編程性使優(yōu)化為理想的線性（IIP3）、功耗和噪聲指數(shù)的靈活性進一步提高。

采用多相IF濾波器抑制鏡像頻率和鄰近信道干擾，限制噪聲帶寬。多相濾波器之后接限制器和一接收器信號強度指示器（RSSI）模塊。RSSI測量由一個5位ADC轉(zhuǎn)換，可以通過工業(yè)標準SPI接口讀取。這對MICS無干擾信道評估程序有利。注意，首先必須通過MICS標準定義的一種無干擾信道評估程序，用一外部儀器確定一個合適的可用信道。

為此，還開發(fā)了一種為高可靠性醫(yī)療應用定制的專用協(xié)議由MAC處理，包括下列主要特征：

（1）采用Reed-Solomon前向誤差校正（FEC）和周期冗余碼（CRC）誤差檢測技術進行誤差校正和檢測。假設原無線電BER為10-3，則FEC和CRC之后的有效BER優(yōu)于1.5×10-10。

（2）故障情況下數(shù)據(jù)塊能夠自動再傳輸，并實現(xiàn)了流程控制以避免緩沖溢出。

（3）能夠發(fā)送MICS緊急命令和高優(yōu)先級信息。

（4）能處理鏈路看門狗，確保在通信沒有成功5秒之后斷開鏈路。

（5）提供鏈路質(zhì)量診斷和自動校準控制。

超低功率喚醒接收器

由于儲存電池能量最重要，所以大多數(shù)植入應用都很少使用MICS RF鏈路。在極低功率應用中，大部分時間內(nèi)，收發(fā)器處于一種電流極低的休眠狀態(tài)。除了在發(fā)送緊急命令外，采用MICS頻帶的系統(tǒng)必須在無干擾信道評估程序之后，等待基站啟動通訊。植入收發(fā)器應該周期性查詢基站是否要進行通訊。

喚醒系統(tǒng)采用一種工作在2.45GHz SRD頻帶的超低功率RF接收器，檢測并解碼一種專用數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包由基站發(fā)射，然后接通芯片其余電源。芯片也可以由引腳控制直接啟動，如基站啟動、植入設備發(fā)送緊急命令或者采用選擇性喚醒系統(tǒng)的植入設備就需要這種方式。

本文小結

超低功率無線技術對許多植入醫(yī)療設備很關鍵，包括起搏器、除顫器、神經(jīng)刺激器、藥物灌注系統(tǒng)、診斷傳感器和迅速增長的植入式糖尿病監(jiān)測器。然而，隨著植入通訊系統(tǒng)發(fā)展為支持高級診斷和治療，無線性能對植入醫(yī)療設備的電池壽命不產(chǎn)生影響很關鍵。

責任編輯：gt