人体通信系统的设计挑战与应对策略

如何从人体获得相关数据？本文将探讨设计植入人体的嵌入式系统所面临的功率、耐用性和射频等方面的挑战。

以往科幻小说作者的种种幻想在医疗设备设计人员手中已逐渐成为现实。仅在几年前，人体通信网络的概念还只出现在星际旅行(Star Trek)这类影视作品中。而如今，得益于先进的超低功率射频(RF)技术，患者的心脏起搏器可以与医生办公室进行无线通话，随时报告最新健康情况。

植入人体的医疗设备及系统的范围在迅速扩大。从1950年代末的第一个心脏起搏器起步，人体设备不断发展，现在，已被使用来调节身体功能、模拟神经，以及治疗诸如帕金森氏症、阿兹海默症和癫痫症等疾病。如图1所示，当前，几乎患者健康的每个方面都能够通过植入设备来进行监控或调节。而这些设备向设计人员提出了独特的功率、信号处理和通信方面的挑战。

要成功设计这些植体系统，需要克服一些独有的挑战，尤其是在通信和控制方面。这可能意味着多个植体设备间的协作；例如，某个以往被限制在轮椅中的患者可以通过对腿部神经施行功能性电刺激(FES)来完成短距离行走。

在本文中，我们将介绍人体通信系统的一些独特挑战，以及有关植入系统设计的某些常用技术、生物兼容性和相关法规等问题。

频带问题

专用于医疗植体设备通信的全球公认频带是直至最近才有的。过去，在需要植体系统和监控系统间通信的地方，大多数设备制造商都采用基于线圈磁耦合原理的短程系统。这些系统要求医疗设备和编程器间进行极短距离耦合(小于10厘米)，而且数据传输率很有限。

联着国际电信联盟ITU-T Recommendation SA 1346建议的出台，402MHz到405MHz被划定为医疗植体通信服务(MICS)共享频带，这种情况随之改观。相关标准已在美国联邦通信委员会(FCC) CFR47 Part 95.628法规和欧洲电信标准化委员会的EN301 839标准监督下分别于美国、欧洲予以实施。预期几年内MICS将成为一项真正的全球化标准。

鉴于医疗保健费用的增多，人口的老化，以及家庭医疗监控逐渐受到认可，MICS频带将不断推动远程医疗技术的进步。利用MICS，医疗保健供应商能够在植体设备和基站之间建立起一个高速、更长距离(典型值2米)的无线连接。例如，起搏器中的超低功率RF收发器可以把患者的健康和设备操作方面的数据以无线方式发送到病床边的RF收发器。数据再从这一基站经电话或互联网转发到医生那里。

图1: 患者健康的几乎每个方面都能够通过植体设备来进行监控或调节。

对于那些体内植入有医疗器件的患者而言，先进的超低功率RF技术将大幅改善他们的生活质量。利用双向RF链路，医生能够远程监控患者的健康状态，并无线调节植体设备的性能。这意味着患者不再需要频繁进出医院，而代之以远程监控，当检测出问题时，医生再通知患者前往医院。

402到405MHz频带非常适合于人体通信网络，这是由人体内的信号传播特性、频带体验者的适应性(气象气球等气象辅助设备)以及频带的国际性可用性决定的。MICS标准允许10个信道，每个信道300kHz，输出功率限制在25μW。

功耗、尺寸和成本挑战

功耗和尺寸是人体通信设备设计中最重要的考虑事项。这二者密切相关，在设计的每个阶段都必须予以重点考虑。

节省功耗的主要目的是为了延长设备的使用寿命或引入更多的功能。功耗和功能性这两个目标可通过集成尽可能多的片上元件来实现，节省下来的空间可用来增添额外的电池或电路。

除芯片级设计之外，器件的总体尺寸也是设计人员必须考虑到的一个问题。正如移动电话和DVD播放机的尺寸逐年缩小，医疗设备制造商也在不断努力开发让患者更感舒适的产品。在医疗应用中，40×40×6mm尺寸的设备仍嫌过大，因此，需要集成尽可能多的片上元件，把外接电路减至最少是很容易理解的。

成本问题更强化了对集成度的需求，因为在医疗植体领域，器件价格大不同于商业领域。批量生产情况下，一个普通电容器成本不超过1美分，而在植体领域，则往往达1美元左右。一块不过25美分的石英晶体若用于起搏器，可能价格就变成10美元。这种价位差异的原因之一在于大部分器件公司都不愿意冒因医疗故障被起诉的风险而为植体应用产品提供器件，故导致了竞争的缺乏。此外，较之同类的工业用元件，植体元件必须通过更多的测试、验证和审批，这些都进一步提高了总体成本。

医疗设备可划分为两类，一类采用非充电型内置电池(如起搏器)，另一类采用耦合感应电源(如人工耳蜗)。前者通过使系统运行时占空比较大来实现节电。收发器大多数时间处于关断状态，因此断态电流与定期查寻通信设备所需的电流必须极低(小于1μA)。这两种情况下，发射和接收都要求低功耗。