基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

集成电路(IC)和医疗设备的开发在过去30年同时得到了发展。电路技术的发展促使了日益复杂、高度集成和小型化医疗器械的发展。同时，保健成本的不断增长和人们生活的更加富裕，身体的更肥胖以及寿命的延长，已经产生对依靠与基站无线连接的植入式医疗设备的新应用和治疗的需求。

传统上，植入式医疗设备的通信系统采用极短距离磁耦合，这就要求在编程器和医疗设备之间进行紧耦合，通常数据传输率低于50kbps。

为了克服距离的限制，402MHz ~ 405MHz医疗植入通信服务(MICS)频带在1999年启用，随后欧洲也出现类似标准。该频带支持较长距离 (通常2m)、相对高速的无线链接。由于信号在人体内的传输特性、与该频带内在业用户工作的兼容(如气象气球等辅助气象设备)及其全球可用性，402MHz ~ 405MHz频带非常适合这种服务。

用于植入式医疗应用的电子系统的低功率设计难度巨大。例如，绝大多数植入式起搏器寿命要求长于7年，最大漏电流在10uA~ 20uA量级。由于需要支持起搏治疗而对电流消耗的要求，通信系统的电流设计量在设备寿命范围内总平均电流不超过总电流设计量的15%，即2uA~ 3uA。可植入式医疗系统的收发器必须定期“查看”或者监控外部通信设备，在不查看时，保持在很低的功率状态以储存能量。

设计考虑

为了能使用MICS频带，植入式医疗设备需要使用超低功率、高性能收发器。植入式设备收发器设计面临众多挑战，包括：

(1)400MHz通讯中为低功率。植入电池功率有限，并且植入电池的阻抗相对较高，这就限制了从电池吸入的电流。
(2)在通讯阶段，对大多数可植入设备，应将电流限制在小于6mA。
(3)处于休眠和定期“查看”以唤醒信号时，处于低功率。
(4)外部元件最少且物理体积最小。可植入级元件的价格昂贵，高集成度可以降低成本并增加系统整体可靠性。
(5)数据传输率合理。目前，起搏器应用要求数据传输率大于20 kbps，将来设计数据传输率要高得多。
(6)系统和数据传输的可靠性要高。
(7)选择性和干扰抑制能力，特别是欧洲TETRA无线电标准所要求的。
(8)距离一般要超过两米。距离越长则需要的灵敏度要越好，因为小天线和体损失影响链路预算和允许距离。天线、匹配、衰减和体损失的变化都很大，损失可能高达40dB~45dB。

ZL70101 MICS收发器在高数据传输率的情况下具有非常出色的低功耗特性。在高达800kbps的数据率下工作时，发射和接收电流都小于5 mA。电路具有独特的工作在2.45 GHz的超低功率唤醒系统，平均休眠/监控电流小于250nA。系统集成度高，只需要3个外部元件(晶振和两个去耦电容)和一个匹配网络。

医疗设备可以划分为使用内部非可再充电电池(如起搏器)类和感应耦合功率类(如人工耳蜗)。前者极力挖掘系统占空比潜力，目的是节省功率。收发器大部分时间都处于关闭状态，因此，关闭状态电流和周期性查找通讯设备需要的电流必须特别低(<1-2uA)。同时，两种情况下的发射和接收功率都要低(电流<6mA)。

在2.1V~ 3.5V电源电压下工作时， ZL70101的峰值接收/发射电流损耗<5mA，这个包括基本射频收发器和MAC电流。MAC确保用户能接收到高完整性数据，自动完成所需的大部分链路维护工作。此外，MAC协议提供有一个节省功率的定时器，传输一个数据包之后，该定时器将植入设备的接收器关闭一段编程好的时间。

要使以焦耳/位为单位定义的总功耗最小，在满足应用接收灵敏度要求的情况下，建议可植入收发器使用尽可能高的数据率。需要低数据传输率(甚至达到低kHz范围)的系统应该对数据进行缓冲，工作在尽可能高的数据率下，降低占空比以降低平均电流损耗。以短脉冲发送数据能节省功率，降低产生干扰的时间窗。此外，对高电池阻抗系统，由于从电容放电的脉冲更短，电源对去耦的要求可能更低。

收发器允许用户随接收器灵敏度的不同，从多种数据率(200 kbps, 400 kbps, 800 kbps)中进行选择。为便于实现这一灵活性，系统采用2 FSK或4 FSK调制，每秒200或400千字符，频率偏差可变(见表1)。通过采用片外数字滤波，可以达到更低的数据传输率和相应更高的接收器灵敏度。收发器具有一个MAC旁路工作模式，在该模式下射频完全可用。在这种配置下，用户可以开发定制协议和数据传输率。

总体系统架构

ZL70101工作于植入设备和外部基站(见图2)。基站包括发射2.45 GHz唤醒信号的附加电路。系统一旦通过2.45 GHz唤醒信号启动，就通过402MHz到405MHz MICS频带收发器交换数据。

ZL70101 MICS芯片(见图3)包含3个主要的子系统：一个400MHz收发器，一个2.45 GHz唤醒接收器及一个媒体存取控制器(MAC)。根据输入引脚的状态确定芯片用作植入医疗设备，或者基站编程器的收发器。

收发器采用一种中频(IF)低的带镜像抑制混频器的超外差架构。低的中频可使滤波器和调制器功耗最小，没有与高数据率、零中频架构相关的闪烁噪声和直流偏移问题。FSK调制方案降低了发射放大器线性要求，因而降低了功耗，并可以使用更简单的限制接收器。

如图3中标为半双工RF发射器的400MHz发射子系统，包含有一个中频调制器、一混频器和一功率放大器。IF调制器将一个一位(两个FSK)或两位(4个FSK)异步数字输入数据流转换为中频。上变频混频器将中频转换成RF频率。注意，发射和接收模式的本振频率相同，这样就使接收和发射数据包之间的死区时间最短。

可通过寄存器自-4.5dBm~-17dBm(500 Ω负载)，以小于3dB的步长编程发射功放的输出功率。所有RF输入的内部天线匹配电容组都可以细调匹配网络，对给定的功率设置，实现输出功率最大，接收器噪声指数最佳。天线调谐为自动刻度，其中采用了一种与ADC耦合的峰值检测器，同时带一校准控制状态机。

400MHz接收器子系统将MICS频带信号放大，将载波频率下变换到中频。低噪声放大器(LNA)增益为9dB~35dB可编程。对植入医疗设备收发器，建议采用更高的增益设置，而相对低一些的增益设置可以用于选择采用外部LNA的基站收发器。LNA和混频器偏置电流的可编程性使优化为理想的线性(IIP3)、功耗和噪声指数的灵活性进一步提高。

采用多相IF滤波器抑制镜像频率和邻近信道干扰，限制噪声带宽。多相滤波器之后接限制器和一接收器信号强度指示器(RSSI)模块。RSSI测量由一个5位ADC转换，可以通过工业标准SPI接口读取。这对MICS无干扰信道评估程序有利。注意，首先必须通过MICS标准定义的一种无干扰信道评估程序，用一外部仪器确定一个合适的可用信道。

为此，还开发了一种为高可靠性医疗应用定制的专用协议由MAC处理，包括下列主要特征：

(1)采用Reed-Solomon前向误差校正(FEC)和周期冗余码(CRC)误差检测技术进行误差校正和检测。假设原无线电BER为10-3，则FEC和CRC之后的有效BER优于1.5×10-10。
(2)故障情况下数据块能够自动再传输，并实现了流程控制以避免缓冲溢出。
(3)能够发送MICS紧急命令和高优先级信息。
(4)能处理链路看门狗，确保在通信没有成功5秒之后断开链路。
(5)提供链路质量诊断和自动校准控制。

超低功率唤醒接收器

由于储存电池能量最重要，所以大多数植入应用都很少使用MICS RF链路。在极低功率应用中，大部分时间内，收发器处于一种电流极低的休眠状态。除了在发送紧急命令外，采用MICS频带的系统必须在无干扰信道评估程序之后，等待基站启动通讯。植入收发器应该周期性查询基站是否要进行通讯。

唤醒系统采用一种工作在2.45GHz SRD频带的超低功率RF接收器，检测并解码一种专用数据包，该数据包由基站发射，然后接通芯片其余电源。芯片也可以由引脚控制直接启动，如基站启动、植入设备发送紧急命令或者采用选择性唤醒系统的植入设备就需要这种方式。

本文小结

超低功率无线技术对许多植入医疗设备很关键，包括起搏器、除颤器、神经刺激器、药物灌注系统、诊断传感器和迅速增长的植入式糖尿病监测器。然而，随着植入通讯系统发展为支持高级诊断和治疗，无线性能对植入医疗设备的电池寿命不产生影响很关键。