在植入式醫療設備中使用超低功RF收發器來設計通信系統

2012-07-10 來源:互聯網 我要評論(0) 字號:

    Zarlink Semiconductor公司針對起搏器、神經刺激器、藥泵以及其他此類植入式應用醫療設備的一款超低功率RF收發器芯片,其數據傳輸率高、功耗低,具有獨特的喚醒電路。本文討論了如何采用這款RF收發器實現體內通信系統的設計。

  集成電路(IC)和醫療設備的開發在過去30年同時得到了發展。電路技術的發展促使了日益復雜、高度集成和小型化醫療器械的發展。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,已經產生對依靠與基站無線連接的植入式醫療設備的新應用和治療的需求。
  傳統上,c采用極短距離磁耦合,這就要求在編程器和醫療設備之間進行緊耦合,通常數據傳輸率低于50kbps。

  為了克服距離的限制,402MHz ~ 405MHz醫療植入通信服務(MICS)頻帶在1999年啟用,隨后歐洲也出現類似標準。該頻帶支持較長距離 (通常2m)、相對高速的無線鏈接。由于信號在人體內的傳輸特性、與該頻帶內在業用戶工作的兼容(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。

    用于植入式醫療應用的電子系統的低功率設計難度巨大。例如,絕大多數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,通信系統的電流設計量在設備壽命范圍內總平均電流不超過總電流設計量的15%,即2uA~ 3uA。可植入式醫療系統的收發器必須定期“查看”或者監控外部通信設備,在不查看時,保持在很低的功率狀態以儲存能量。

    設計考慮

  為了能使用MICS頻帶,植入式醫療設備需要使用超低功率、高性能收發器。植入式設備收發器設計面臨眾多挑戰,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。可植入級元件的價格昂貴,高集成度可以降低成本并增加系統整體可靠性。

  (5)數據傳輸率合理。目前,起搏器應用要求數據傳輸率大于20 kbps,將來設計數據傳輸率要高得多。

  (6)系統和數據傳輸的可靠性要高。

  (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收發器在高數據傳輸率的情況下具有非常出色的低功耗特性。在高達800kbps的數據率下工作時,發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,平均休眠/監控電流小于250nA。系統集成度高,只需要3個外部元件(晶振和兩個去耦電容)和一個匹配網絡。

  醫療設備可以劃分為使用內部非可再充電電池(如起搏器)類和感應耦合功率類(如人工耳蝸)。前者極力挖掘系統占空比潛力,目的是節省功率。收發器大部分時間都處于關閉狀態,因此,關閉狀態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/發射電流損耗<5mA,這個包括基本射頻收發器和MAC電流。MAC確保用戶能接收到高完整性數據,自動完成所需的大部分鏈路維護工作。此外,MAC協議提供有一個節省功率的定時器,傳輸一個數據包之后,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,建議可植入收發器使用盡可能高的數據率。需要低數據傳輸率(甚至達到低kHz范圍)的系統應該對數據進行緩沖,工作在盡可能高的數據率下,降低占空比以降低平均電流損耗。以短脈沖發送數據能節省功率,降低產生干擾的時間窗。此外,對高電池阻抗系統,由于從電容放電的脈沖更短,電源對去耦的要求可能更低。

  收發器允許用戶隨接收器靈敏度的不同,從多種數據率(200 kbps, 400 kbps, 800 kbps)中進行選擇。為便于實現這一靈活性,系統采用2 FSK或4 FSK調制,每秒200或400千字符,頻率偏差可變(見表1)。通過采用片外數字濾波,可以達到更低的數據傳輸率和相應更高的接收器靈敏度。收發器具有一個MAC旁路工作模式,在該模式下射頻完全可用。在這種配置下,用戶可以開發定制協議和數據傳輸率。

  總體系統架構

  ZL70101工作于植入設備和外部基站(見圖2)。基站包括發射2.45 GHz喚醒信號的附加電路。系統一旦通過2.45 GHz喚醒信號啟動,就通過402MHz到405MHz MICS頻帶收發器交換數據。

  ZL70101 MICS芯片(見圖3)包含3個主要的子系統:一個400MHz收發器,一個2.45 GHz喚醒接收器及一個媒體存取控制器(MAC)。根據輸入引腳的狀態確定芯片用作植入醫療設備,或者基站編程器的收發器。

  收發器采用一種中頻(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制器功耗最小,沒有與高數據率、零中頻架構相關的閃爍噪聲和直流偏移問題。FSK調制方案降低了發射放大器線性要求,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發射器的400MHz發射子系統,包含有一個中頻調制器、一混頻器和一功率放大器。IF調制器將一個一位(兩個FSK)或兩位(4個FSK)異步數字輸入數據流轉換為中頻。上變頻混頻器將中頻轉換成RF頻率。注意,發射和接收模式的本振頻率相同,這樣就使接收和發射數據包之間的死區時間最短。
 
可通過寄存器自-4.5dBm~-17dBm(500 Ω負載),以小于3dB的步長編程發射功放的輸出功率。所有RF輸入的內部天線匹配電容組都可以細調匹配網絡,對給定的功率設置,實現輸出功率最大,接收器噪聲指數最佳。天線調諧為自動刻度,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機。

  400MHz接收器子系統將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。對植入醫療設備收發器,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的基站收發器。LNA和混頻器偏置電流的可編程性使優化為理想的線性(IIP3)、功耗和噪聲指數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轉換,可以通過工業標準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,還開發了一種為高可靠性醫療應用定制的專用協議由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優于1.5×10-10。
  (2)故障情況下數據塊能夠自動再傳輸,并實現了流程控制以避免緩沖溢出。
  (3)能夠發送MICS緊急命令和高優先級信息。
  (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,收發器處于一種電流極低的休眠狀態。除了在發送緊急命令外,采用MICS頻帶的系統必須在無干擾信道評估程序之后,等待基站啟動通訊。植入收發器應該周期性查詢基站是否要進行通訊。

  喚醒系統采用一種工作在2.45GHz SRD頻帶的超低功率RF接收器,檢測并解碼一種專用數據包,該數據包由基站發射,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、植入設備發送緊急命令或者采用選擇性喚醒系統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療設備很關鍵,包括起搏器、除顫器、神經刺激器、藥物灌注系統、診斷傳感器和迅速增長的植入式糖尿病監測器。然而,隨著植入通訊系統發展為支持高級診斷和治療,無線性能對植入醫療設備的電池壽命不產生影響很關鍵。

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主題閱讀: RF收發器  通信系統

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