人体通信系统的设计挑战与应对策略

图3：带有贴片式天线的圆"冰球"型植体

在对这些尺寸极小的贴片式天线的分析中，是把它们作为带有大量电容性峰值负载的短垂直天线的。天线仍然非常短，贴片一般只有1mm厚，介电常数大于或等于9。由于受外壳影响的接地板也很小，尺寸在波长数量级，它被有效激励并从背面产生很大程度的辐射。事实上，整个植体设备辐射极小，在自由空气中测量时几乎为零。

准确记录这些小天线的性能测量值是另一个困难重重的领域。其馈入阻抗位于史密斯原图的边缘，这可能使网络分析仪的测量困难且不准确，增益的测量往往因天线馈入电缆的辐射以及任何匹配网络损耗的相当大的不确定性而受到阻碍。在工作频率下测量的有效电容很容易和根据贴片领域知识计算的结果相差2倍以上，这种差异可追溯到从贴片沿底到顶表面走向的馈入电缆的电感上。

此外，目前的天线仿真程序运用于电小天线时，通常产生各种截然不同的答案，令人颇为失望。

电池挑战

在许多应用中，理想的电池应该能够尽可能长时间地持续供电，而且当设备停止工作时，用户知道更换电池。但在植体医疗设备的应用中，这显然是不可能的。

碘化锂电池(LiI2)起搏器里最常用的一类电池，具有非常特异的行为。碘化锂电池的电动势(EMF)电压可为2.8V左右，和一个电阻串联在一起。该串联电阻阻值在电池初使用时约为500Ω，随着电池的消耗逐渐增大，最后当电池寿命告馨时达到10kΩ到20kΩ。假设平均电流消耗不变，则起搏器的电池电压从2.8V开始随时间渐减，达到2.0V，此时，起搏器电池就该更换了。测量电池的内部电阻相当容易，可以提前12个月通知医生和患者更换电池。

图4: 普通手表电池和起搏器LiI2电池的电压随时间变化曲线比较。

图4比较了典型的手表电池和起搏器中所用的碘化锂电池的电压与时间的关系。尽管患者和医生都因这种电池行为而受益，但这给起搏器系统设计人员带来的挑战也是显而易见的。除了设计要求极小电流的电子产品之外，设计人员还必须处理电压随设备长期工作而逐渐变化的问题。

法规问题

即使在所有的设计挑战都得到解决后，开发人员还面临着植体设备设计的各种认证问题。在欧洲，植体射频设备现在必须满足三个单独的欧盟指令的要求―医疗设备指令、无线电及通信终端设备指令以及电磁兼容指令。一般来说，设备只要满足了各种产品标准的要求，比如欧洲电信标准协会和国际电工委员会制定的标准，就能符合指令要求。不幸地是，若标准发生冲突，情况就会变得更加复杂。

由于产品是面向全球市场开发的，各个国际标准机构的矛盾可能会使这个过程进一步复杂化。而且一些国家内部认证机构也涉及其中。例如，已经通过了所有相关技术标准的医疗通信设备仍然得经过食品药品监督管理局(FDA)的验证后才能在美国投入使用。此外，设计人员还需要了解所有可能管理医疗设备通信频带使用的FCC规范。

射频设计认证的挑战虽大，尚不足以与把已经认证的可植入医疗设备用于欧洲或美国的艰巨任务相比。在许可证最后颁发之前，需要进行没完没了的设计验证测试，以及接下来的动物和人体试验。如果设备是直接支持生命的，比如可植入心脏除颤器和起搏器，就更加令人筋疲力尽，有关的纸张文档铺开来足足能够铺满一个足球场。

这倒并不是说这些设备的制造商对目前的规范流程有什么非议。规范问题和及其处理程序都是展开商务活动完全可接受的一部分，也至关重要，因为人的生命是宝贵而脆弱的。

植体材料挑战

所有人体设备都存在生物兼容性的问题，因为植体设备本身和天线必须是无毒的，并须对体液没有任何损害。金属钛与人体组织非常相容，故是植体设备的理想材料。钛只要暴露在体液或空气中，就会迅速氧化形成一层惰性的氧化钛薄膜。预防起见，通常还在植入设备外加一层惰性保护膜。

低功率小型天线要获得高效RF性能，需要使用电阻系数极低的金属材料，铜、银或金都是很好的选择。但生物兼容性限制了对铂或铂铱的选择，因为这两者的电阻系数都比较高。而且，植体设备上的任何外接金属间都必须无直流电势存在。

虽然有关RF通过自由空间或空气传播的文章已发表了很多，但几乎从无经人体这类介质传播的报导。人体并非RF波的理想传播媒介，而且还会随我们的年龄增长和姿势的变化而改变。人体每一部分的介电常数和导电率都不同(典型值见表1)。在每一个边界，例如肌肉和脂肪的分界处，特性阻抗改变从而引起部分信号的反射，在某些环境甚至引起内部总体反射。高介电常数使RF信号的波长减小1/(εr)，这里εr是介电常数。