【導(dǎo)讀】隨著人們生活水平的提升，大家對(duì)于醫(yī)療保健設(shè)備的需求與日俱增，而設(shè)備之間的通信和聯(lián)網(wǎng)過(guò)程中，無(wú)線電技術(shù)顯得越發(fā)重要。
平均來(lái)說(shuō)，我們的人生有99%以上是在醫(yī)院或診所外度過(guò)。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(dòng)更好的醫(yī)療保健解決方案的因素。在改進(jìn)醫(yī)療保健和病人的生活質(zhì)量方面，無(wú)線技術(shù)發(fā)揮了很大的作用，同時(shí)降低了成本。
圖1：醫(yī)療保健循環(huán)示意圖
醫(yī)療保健循環(huán)(見(jiàn)圖1)包括從嬰幼兒到老年人的預(yù)防保健護(hù)理監(jiān)控、健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)院環(huán)境下的診斷護(hù)理、康復(fù)和崗位流程護(hù)理。通過(guò)更好的遠(yuǎn)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(jìn)病人的生活質(zhì)量，并且在許多情況下幫助進(jìn)行早期診斷。監(jiān)測(cè)生理參數(shù)已經(jīng)大幅演進(jìn)從使用電線束與病人連接的龐大床邊設(shè)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?dòng)的超小型無(wú)線傳感器。除了監(jiān)測(cè)之外，某些設(shè)備還能夠提供治療。
為幫助了解醫(yī)療設(shè)備無(wú)線方面的要求，讓我們首先基于應(yīng)用大致歸類(lèi)這些設(shè)備(參見(jiàn)圖2)。
圖2：無(wú)線醫(yī)療設(shè)備的類(lèi)別
無(wú)線醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用廣泛，依賴(lài)于需要測(cè)量的參數(shù)，有些應(yīng)用只需傳輸數(shù)個(gè)字節(jié)，而另外一些應(yīng)用需要傳輸高帶寬的的數(shù)據(jù)流，有些需要長(zhǎng)的電池壽命，特別是人體植入設(shè)備，更換電池意味著手術(shù)。定點(diǎn)測(cè)量設(shè)備諸如溫度測(cè)量?jī)x對(duì)于無(wú)線電帶寬的要求比起心電監(jiān)察儀等的設(shè)備較小，相比后者它使用頻率低，而后者經(jīng)常需要實(shí)時(shí)傳輸心電圖波形信息。
不同的應(yīng)用對(duì)無(wú)線技術(shù)有不同的要求，因而不可能存在一種無(wú)線技術(shù)可以同時(shí)滿足不同應(yīng)用需求。
對(duì)于人體植入和可進(jìn)入消化道的無(wú)線電有著共同的限制，無(wú)線電通信必須穿過(guò)機(jī)體組織進(jìn)行，而身體會(huì)顯著減弱高頻率RF信號(hào)。美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(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(shí)達(dá)到最佳性能。植入的無(wú)線電還需要極低的功耗、泄漏電流和有效的喚醒機(jī)制來(lái)啟動(dòng)通訊。美高森美的植入級(jí)無(wú)線電設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)用于此類(lèi)應(yīng)用。針對(duì)植入級(jí)無(wú)線電的一些應(yīng)用如圖3所示：
圖3：植入無(wú)線電應(yīng)用示例
植入應(yīng)用中的無(wú)線電周期性(duty-cycled) 工作，這意味著通常處于睡眠模式。除了運(yùn)行中的超低功耗，還要求具有極低的泄漏電流。對(duì)于植入無(wú)線電應(yīng)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(wú)線電可幫助減少工作周期并延長(zhǎng)電池壽命。[page]
可攝取應(yīng)用包括藥丸攝影機(jī)(參見(jiàn)圖4)以傳輸數(shù)以千計(jì)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(yīng)用。此類(lèi)應(yīng)用還要求無(wú)線電和電路具有超低功耗，因?yàn)槭芟抻陔姵爻叽?，即便其設(shè)備的電池壽命可能比植入物更短。
圖4：使用美高森美無(wú)線電的Pillcam藥丸攝影機(jī)
除了超低功耗，此類(lèi)無(wú)線電還需要安全的高效通信協(xié)議。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，比如低能耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy)或 Zigbee，相比于專(zhuān)用協(xié)議，需要更高的通信協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)(protocol overhead)。大多數(shù)植入無(wú)線電因此使用專(zhuān)用協(xié)議來(lái)優(yōu)化功耗并改進(jìn)通信效率和安全性。
外部無(wú)線傳感器涵蓋了范圍廣泛的應(yīng)用，從健康監(jiān)測(cè)到特征生理參數(shù)監(jiān)測(cè)。對(duì)于無(wú)線個(gè)人網(wǎng) (wireless personal area network, WPAN) 和無(wú)線體域網(wǎng)(wireless body area network, WBAN)，今天的傳感和監(jiān)測(cè)解決方案可在極低功耗下支持連續(xù)的數(shù)據(jù)流。這對(duì)于可穿戴的醫(yī)療系統(tǒng)尤為關(guān)鍵，因?yàn)樗鼈兌荚谝l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(yùn)行在微功率電池上。使之成為現(xiàn)實(shí)的是超低功耗短程無(wú)線電收發(fā)器，它們的電路設(shè)計(jì)在一些關(guān)鍵參數(shù)上針對(duì)功率效率進(jìn)行了優(yōu)化。
WPAN占有個(gè)人周?chē)木W(wǎng)絡(luò)空間，覆蓋了附近的生活或工作空間( 通?？蛇_(dá)十米)，并采用藍(lán)牙和Zigbee等協(xié)議來(lái)實(shí)施。WBAN則占有更小的無(wú)線空間，在人體周?chē)蠹s一米，用于與人體相關(guān)的傳感器通信。應(yīng)用已從大量的工作周期性點(diǎn)測(cè)擴(kuò)展到更多數(shù)據(jù)密集的連續(xù)鏈接。在醫(yī)院和臨床設(shè)施、臨床家庭監(jiān)護(hù)和非臥床應(yīng)用、以及消費(fèi)者健康和健身中，這項(xiàng)技術(shù)有著多種應(yīng)用(參見(jiàn)圖5)。
圖5：外部感測(cè)用例和技術(shù)
針對(duì)WPAN和WBAN的無(wú)線電要求
選擇能夠在WPAN和WBAN中優(yōu)化功率效率的短程無(wú)線電收發(fā)器時(shí)，還必須考慮許多問(wèn)題。針對(duì)低功率無(wú)線電的某些關(guān)鍵注意事項(xiàng)如圖6所示。
圖6：ULP無(wú)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(lài)化學(xué)反應(yīng))單元運(yùn)行,因而更宜采用低于2V的電源電壓。這意味著短程無(wú)線電收發(fā)器必須設(shè)計(jì)用于低電壓運(yùn)行——最理想是降至1.1 V，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)靈活性并減少功率管理的限制。
另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是峰值電流。幾乎所有基于無(wú)線的傳感器網(wǎng)絡(luò)都會(huì)依賴(lài)于某種程度的工作周期性來(lái)節(jié)省能源并限制無(wú)線電空間的使用，它們通常會(huì)在傳感器的電流消耗曲線上產(chǎn)生峰值。無(wú)線電收發(fā)器中的低峰值電流消耗減少了無(wú)線傳感器電源電壓方面的限制。
輸出阻抗也是重要的，因?yàn)樗饕绊懝β史糯笃?power amplifier, PA)的功耗。匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接無(wú)線電和天線有助于使插入損耗達(dá)到幾個(gè)dB。
載波頻率的選擇也會(huì)影響功耗。在醫(yī)療(ISM)無(wú)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(wú)線醫(yī)療監(jiān)控應(yīng)用中，sub-GHz無(wú)線系統(tǒng)提供了幾大優(yōu)勢(shì)，包括降低功耗，以及由于較低的自由空間傳播損耗，對(duì)于給定功率具有更長(zhǎng)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(duì)于網(wǎng)絡(luò)級(jí)的平均功率分配，通信協(xié)議也有著重大的影響。Zigbee 和藍(lán)牙提供了高度復(fù)雜的鏈接和網(wǎng)絡(luò)層，但這些協(xié)議棧會(huì)占用大百分比的無(wú)線電功耗，以及較高的資源開(kāi)銷(xiāo)。對(duì)于超低功率系統(tǒng)，“一刀切”標(biāo)準(zhǔn)化選項(xiàng)罕有最佳解決方案。相反，設(shè)計(jì)人員為超低功耗應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的解決方案應(yīng)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(wú)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(duì)于相同的有效負(fù)載，100kbps無(wú)線電的功耗幾乎是50kbps無(wú)線電的一半。在比較RF收發(fā)器時(shí)，“每比特能量” (energy per bit) 是比電流消耗更好的功率效率指標(biāo)。但高數(shù)據(jù)速率無(wú)線電常常具有較高的峰值電流，對(duì)于大多數(shù)小型電池來(lái)說(shuō)，這些是非常不受歡迎的，因?yàn)樗鼈儠?huì)需要大型電容器。
前面提及的每個(gè)因素對(duì)于需要低功率優(yōu)勢(shì)且有效負(fù)載大于10 比特/每秒的應(yīng)用都是至關(guān)重要的，然而，先前的可穿戴式無(wú)線傳感器僅僅能夠用于緩慢變化的參數(shù)，而新的RF技術(shù)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(dòng)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(gè)示例就是美高森美的ZL70250收發(fā)器(參見(jiàn)圖7)，該器件在尺寸大約2mm x 3mm的芯片級(jí)封裝內(nèi)，具有標(biāo)準(zhǔn)的2線和SPI接口，可使用任何標(biāo)準(zhǔn)微控制器進(jìn)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(kāi)發(fā)無(wú)線ECG解決方案，采用CR系列紐扣電池可以連續(xù)運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)一周時(shí)間。此類(lèi)器件，比如用于病患呼吸測(cè)量的3軸加速計(jì)或脈搏血氧計(jì)(pulse-oximeter)、以及各種其它可穿戴式健康監(jiān)控平臺(tái)，都可以達(dá)到類(lèi)似的功率效率。此類(lèi)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(zhǎng)達(dá)兩周時(shí)間的連續(xù)WPAN和WBAN數(shù)據(jù)流。
圖7：基于ZL70250的可穿戴式無(wú)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(shù)的進(jìn)步，構(gòu)建智能化的靈活智能無(wú)線傳感器已經(jīng)成為可能。要解決各種關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題，選擇合適的收發(fā)器是至關(guān)重要的，以便通過(guò)使用單一小型電池，可穿戴式無(wú)線醫(yī)療設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)生物信號(hào)的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)。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(guò)平衡一些技術(shù)使用相關(guān)的折衷，從低電流中獲取最大的可能益處。
