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  • 植入式医疗器械或将造就“体联网”时代

    植入式医疗器械或将造就“体联网”时代

    素有“硅谷钢铁侠”之称的马斯克在创办Neuralink两年后,终于公布脑机接口新进展:运用超细聚合物管线和神经外科机器人,解决植入物尺寸和管线硬度不足难以植入的问题。该公司的最终目标是在瘫痪患者身上植入设备,帮助其控制手机或电脑。作为医疗领域的前沿赛道,有关植入性医疗器械的每一步进展,都能在业内掀起新的兴奋点。 区别于人工关节、假肢、支架、人工心脏瓣膜以及一些组织工程产品等无源植入器械,本篇专题将重点介绍植入式心脏起搏器与除颤器、人工耳蜗、植入式药疗系统等有源植入器械。与往年相比,2019年尚未出现新的植入式医疗器械品类。在植入式器械细分赛道,国外头部玩家有美敦力、波士顿科学、雅培、MED-EL等,国内头部玩家有乐普医疗、诺尔康等。 此外,国外近几年先后涌现出一批有实力的初创企业,如Magenta Medical、CorMatrix、Senseonics等,大部分企业目前已有产品获得FDA批准。未来,它们或许会成为巨头们在这一领域的强劲对手。反观国内,目前在植入式设备领域的发展尚处于初创阶段,一些中小型企业目前的产品也多处于中低端水平,国内在这一市场还有很大的发展空间。 植入式设备的落地产品主要有心脏除颤器、心脏起搏器、人工耳蜗、胰岛素泵、药疗系统、脑神经刺激器以及监测系统等。心脏除颤器又名电复律机,是一种应用电击来抢救和治疗心律失常的一种医疗电子设备。心脏除颤器用脉冲电流作用于心脏,使心脏恢复窦性心律,是目前临床上广泛使用的抢救设备之一。 目前,在全球人工耳蜗市场上,有三大人工耳蜗设备制造厂商共占据全球人工耳蜗市场超过90%的份额,分别为澳大利亚的科利耳(55%)、美国的Advanced Bionics(20%)和奥地利的MED-EL(20%)。(该数据来源于cochlear implant help网站。)药疗系统一般是通过植入式装置进行有规律地缓慢给药,把药物直接释放至最佳生理部位,这种装置一般由电子及长寿命电源来控制和供电,在人体内形成“药物通道”。 植入式心脏监测仪可以帮助医生通过植入装置,远程测量患者肺动脉中的血压波动情况,并相应调整药物剂量。而植入式血糖监测仪可以代替频繁且痛苦的扎针测试,与智能手机连接后,监测设备可将血糖数据传输至智能手机。如果患者血糖出现问题,他们可以在手机上收到警报,根据情况通过服用胰岛素降低血糖,或补充糖分提高血糖。 作为技术和研究密集型领域,植入式医疗器械受到严格的审批法规管辖。尤其在国内,我们国家多次出台相关文件,指导植入式医疗器械产业良性发展。我们国家多次出台植入性医疗器械相关引导性、鼓励性政策,逐步形成重点发展植入性医疗器械良好氛围。此外,地方政府也先后发布文件,加强对植入式医疗器械的指导和监管。 有源植入式医疗器械由集成电路技术、能量供给技术、植入式电子系统材料、体内外双向通信技术,以及仿生技术为核心支撑。集成电路技术:体内植入部分的核心。能量供给技术共分三种:植入式电池(锂电池)、体外经皮电磁耦合传输系统(TETS)以及生物电池。 植入式电池广泛采用高能量密度和高效电容量的长寿命电池,如锂电池等。不过,锂电池使用十余年后,需要更换,而患者也要面临再接受一次手术的痛苦。这是植入式电池最大的短板。TETS供电方式一般在植入患者体内的电子系统较为复杂时采用。生物电池是将生命体自身的能量如化学能、动能、热能等转换成电能的自身发电方式。目前,科研人员正在研发生物电池,以解决锂电池使用寿命以及安全性问题。 植入式电子系统材料是埋植在人体内部的植入器械,其外壳封装材料和一些动作装置、传感器、探头均与体液和血液相接触,这些材料要保证绝缘、无毒、无腐蚀性,并具有良好的生物相容性。体内外双向通信技术:大部分植入器械通常由体内植入部分和体外测量与控制部分组成。植入式系统需要解决体内、外信息的交换问题,通常采用电磁波与红外线作为信息载体,完成信息的遥控与遥测。 植入式医疗器械具有数据采集、无线连接、远程监控、近场通信等功能,不仅可以监测人体健康指标,还能治疗疾病,修复人体机能。随着植入式医疗器械应用场景的增加,不少乐观人士认为,人类离“体联网”时代不远了。不过,植入式医疗器械在解决诸多疾病难题的同时,也面临着许多技术挑战。 另外,对于心脏起搏器来说,电池的存在会增加其尺寸,甚至会影响它的设计和性能。针对上述挑战,医学界目前正在探索解决方案。瑞士有最新研究表明,心脏起搏器有望利用太阳能供电;美国科学家甚至提出利用胃酸为电池提供能量。这些方案目前多停留在设想及实验阶段。 令人惊喜的是,中国科学家于2019年4月研制出了共生型心脏起搏器。该起搏器可以从心脏跳动中获取能量,依靠植入式摩擦电纳米发电机为自身提供电能。目前,这款起搏器已在动物(猪)模型上实现植入。随着技术的不断进步,难题总有被攻克的一天。当那一天来临时,相信我们确实离“体联网”时代不远了。

    时间:2020-05-26 关键词: 智能医疗 植入式医疗设备

  • 锂离子电池概述

    锂离子电池概述

    什么是锂离子电池?它有什么注意事项?电池寿命是当今许多应用中的重要因素。对于可植入的医疗设备,患者需要确信电池会在需要重新充电之间给它们较长的时间,即充电间隔。 几乎同等重要的是,电池的可用容量以及两次充电之间的时间将在其使用寿命内逐渐减少,这决定了电池需要更换多少年。这决定了电池的寿命以及可以使用多少个有用的充电/放电循环。选择电池时,长寿可能是一个关键的购买标准-一旦电池达到其使用寿命,将需要更换电池,这将涉及在植入式设备中的某种外科手术。 介绍 通常,在需要充电之前,可以将电池的使用时间减少20%,这被认为是容量减少的一个问题。结果,可再充电电池的使用寿命通常被定义为在容量下降到其原始值的80%之前的充放电循环次数。对于医疗设备的设计人员而言,重要的一点是,他们必须获得有关市场上可用的各种可充电电池的准确信息。他们需要确信,当他们查看不同制造商的电池时,它们正在比较相同的参数,并且数据表上的数字反映在现实生活中的行为上。 在本文中,我们将研究设计师如何确保他们获得正确的信息,并以此为基础进行决策。我们将回顾哪些因素会影响锂离子电池的使用寿命,这些因素尤其重要,因为锂离子电池比其他技术更容易发生变化,并且其性能在很大程度上受测试,使用和储存条件的影响。 。 电池寿命如何受到影响 对于任何可充电电池,用户需要多久找到一个充电点取决于多个因素。 首先,有环境因素,例如温度和振动。环境因素对电池寿命有很大的影响,在25°C左右的温度下(锂离子电池通常认为的)退化最小。这也意味着热管理在某些应用(例如电动汽车)中可能很重要,以确保通过充电或放电产生的热量不会使电池温度过高。 但是对于植入式医疗设备中的电池,这些因素通常不会产生重大影响。这是因为医疗设备在植入后会保持在大约37°C的恒定温度下,冲击或振动很小。对于医疗设备,对充电间隔的主要影响在于所谓的“操作因素”。其中包括充电和放电的速率以及电池充放电到的全部容量的百分比。存储也很重要-在将电池安装到设备中并投入使用后,长时间存储会保留多少百分比的电量会影响其行为。 充电电压是关键 在锂离子电池中,正极和负极之间的电位差随着电池的充电而增加,并且能量进入电池。随着使用中电池的放电,它会减少,并消耗能量。这意味着可以在端子之间测量的电压是电池充满电的可靠指示,因此可以在其中剩余多少能量。例如,通过这种电压测量,您的智能手机或笔记本电脑可以确定电池剩余电量的百分比,然后据此估算电池耗尽所有电量之前需要花费的时间。 对于医疗应用,锂离子电池的额定电压通常为3.6V或3.7V。在实践中,标准程序是将电池充电至约4.1V的最大值,并使其放电至2.7V的低点。停止充电的最大电压称为充电终止电压(EoCV)电平。但是,如果我们更改这些参数会怎样?相反,如果仅将电池放电至高于2.7V的最低电压,则它将仅放电掉部分电量。例如,如果我们在达到3V电压时停止将电池耗尽,则可能意味着电池仅放电至其容量的40%或50%。 这个低压点定义了所谓的放电深度(DoD)。因此,将电池完全放电视为100%DoD,而我们可以用较小的DoD百分比来测量寿命。可能会影响使用寿命的另一项变化是将上限电压端点从4.1V降低至较低值。这些变化的原因是锂离子电池中发生了不同的化学反应,例如,使电解质降解或在阳极上沉积不溶性化合物,从而降低了其效率。 这些电压变化在实践中产生了令人惊讶的巨大差异。如果我们稍微改变电压的上限和下限,则电池寿命中的充放电循环次数只能减少到以前的20%,甚至更少。尽管在这里我们仅讨论电荷和电压的微小变化,但切记要记住可充电电池可能最终在现场完全放电。例如,患者可能只是忘记在正确的时间为电池充电,从而使其电压下降得过低,或者可能将电池存放了较长的时间。 与我们刚刚讨论的寿命变化相比,这是一个不同的问题,但是对于许多锂离子电池而言,这种完全放电会造成损坏,从而大大降低其可用性。 EnerSys®通过其Zero-Volt™技术解决了这个问题,该技术可确保即使在电池放电至零伏后(图1和2),电池仍可以在峰值容量下运行。 测试结果 当我们测试了自己的Quallion®电池时,我们展示了出色的低容量衰减性能,同时在放电深度(DoD)值为100%(低至20%)的情况下循环电池。由此,即使经过多次充放电循环,电池容量的损失也降至最低。通过降低充电终止电压(EoCV),甚至可以在电循环期间进一步改善容量衰减性能。将EoCV从最大建议值4.1V修改为较低的4.0V值将增加电池的可用容量。 当我们查看100%DoD(这是医疗应用中的常见用例)时,我们会在达到初始保留容量的80%时检查电池的循环寿命。大多数医疗应用指定此工作循环寿命值,并且所需的值会随医疗设备的预期用途而变化。通常,医疗应用需要电池在100%DoD循环条件下满足500至1,000个循环,同时保持电池初始保留容量的80%。其医用电池中使用的Quallion®化学物质以80%或更高的保留容量超过了这些循环要求。 结论 即使工作条件中的很小差异(例如充电和放电电压)也可能对电池寿命或使用寿命产生重大影响。这意味着设备设计人员应确保他们以类似方式比较电池,并应检查电池制造商在其数据表上指定的测试条件。以上就是锂离子电池的相关解析,希望能给大家帮助。

    时间:2020-04-03 关键词: 电池寿命 植入式医疗设备 充电电压

  • Microsemi新型RF模块加快植入式医疗设备上市速度

    21ic讯 美高森美公司(Microsemi Corporation) 宣布提供一款用于起搏器、去纤颤器和神经刺激器等植入式医疗设备的完整的医疗网络(med-net)无线电链接。新的无线电链接是由美高森美ZL70321植入式射频模块和用于外部设备控制器的ZL70120基站无线模块构成。两款模块均基于美高森美超低功率(ULP) ZL70102医疗植入式通信服务(medical implantable communications service, MICS) 频带无线电收发器芯片,支持用于植入式医疗通信应用的极高数据速率RF链接。 无线电技术越来越多地用于广泛的医疗植入式应用,包括心脏护理、生理监测(胰岛素等)、疼痛管理和肥胖治疗。 美高森美公司产品线经理Martin McHugh表示:“RF工程技术是高度专业化的学科,客户利用我们在这个领域的精深专业知识,可以缩短设计时间,并最大限度地减小项目的风险。使用美高森美的双模块无线电链接,企业现在能够集中研究资金和开发力量来实现新型治疗方法,提升生活品质。” 关于美高森美医疗网络无线电链接解决方案 ZL70321植入式模块实现了在MICS RF遥测系统中部署植入式节点所需的全部RF相关功能,集成天线调谐电路允许模块与广泛的植入式天线(标称天线阻抗为100+j150 Ω)共用,这款模块提供以下主要构件: · 带有集成匹配网络、SAW滤波器的ZL70102-based MICS RF收发器, 抑制不必要的阻隔器(blocker)和天线调谐 · 2.45 GHz唤醒接收器匹配网络; · 集成式24 MHz参考频率晶体,以及 · 去耦电容器 ZL70120基站无线电模块包括了在MICS频带RF遥测系统中部署外部设备功能所需的全部RF相关功能,这款模块设计用于满足包括FCC、ETSI和IEC在内的法规要求,其它功能包括: · 集成匹配网络、用于抑制不必要的阻隔器的带通滤波器,以及一个实现接收器灵敏度最大化的附加接收器LNA; · 2.45-GHz唤醒发送器和天线匹配网络; · RSSI滤波器和对数放大器,简化MICS标准所需的空频道检测(clear channel assessment, CCA) · 用于400-MHz和2.45-GHz子系统的24-MHz XO参考频率,以及 · 完全屏蔽的封装 用于植入式模块和基站模块的美高森美ZL70102收发器芯片可以快速发送病患健康状况和设备性能数据,几乎不会影响植入式设备的有用电池寿命。该器件在402–405 MHz MICS频带工作,支持多种ULP唤醒选择,包括一个2.45 GHz ISM频带唤醒接收器。在发送和接收数据时ZL70102的耗电量低于6mA,在发送模式之前的收听状态仅消耗290nA电流,在睡眠状态仅消耗10nA电流。 供货 美高森美现提供新型医疗网络无线电解决方案,该公司还为合格客户提供一款应用开发工具套件(ADK)。

    时间:2013-02-26 关键词: 速度 microsemi 植入式医疗设备 rf模块

  • 美研发超微型植入心脏设备助力植入式医疗设备[图]

    现在,植入式医疗设备变得越来越普遍。不过,它们都存在着一个普遍的问题--无论那个设备是多么地精细,都必须在人体内植入微型电池进行供电。医疗界在面对这一难题时,选择了将供电源保留在人体外,然后通过电波将能量传输到植入体内的器官中。不过,这种解决方案有个弊端--无线电波很难在较远的距离穿透人体组织。近日,来自斯坦福大学电力工程系助教教授Ada Poon和预备博士Sanghoek Kim以及John Ho一起研发了一款超微型植入式心脏设备,可用于解决这个难题。 据悉,这个超微型设备是一根1.6毫米宽的管子,在使用过程中将采用千兆赫兹的无线电波。 Poon表示现在模型使用的电波都不能在较远的距离穿透人体组织,他们发现高频电波的穿透力要来的更大。目前,Poon使用的设备结合了感应和辐射传输两种方式。另外,她还要考虑到电波频率跟天线尺寸大小的间接关系。传输频率越长、那么需要的天线就越长,反之亦然。除此之外,Poon团队还面临着另一个难题,即如何让这款设备达到美国电气和电子工程师协会制定的健康标准。 Poon表示一旦这项技术成熟,那么像吞服式内窥镜、永久心脏起搏器、脑部刺激器等植入式医疗设备的植入将变得更加容易。 更多医疗电子信息请关注:21ic医疗电子频道

    时间:2012-09-06 关键词: 设备 助力 超微 植入式医疗设备

  • 用于植入式医疗设备的下一代多功能电源组

    说到植入式医疗设备,节省空间是最关键的设计问题之一。本文对缩减电子电源器件所需空间可使用的封装概念进行了综述,这样整体植入设备可以收缩——在不扩大使用空间的情况下增加更多的功能。 图 1 :镀金属的硅穿孔 植入式医疗设备的市场仍然很大。无论是人口驱动因素和使用次数都在明显扩张。市场的大部分增长来自于努力扩大电子器件能参与的手术治疗方法。改良型起搏器类产品可被用于阻止慢性腰腿疼痛和偏头痛。此外,还有其它医疗电子产品可用于调节与抑郁症、焦虑症、强迫症和贪食症等相关的症状。这本是一个缓慢改变的行业,对于医疗设备供应商来说成本,性能和质量所带来的越来越大压力,从而带动产品和服务的创新。但小型化仍然是植入式医疗设备的关键增长推动力。对于病人来说,一款更小的器件能让手术切口更小,让伤口不那么吓人,手术过程没那么紧迫,身体愈合快,而且植入物没有那么明显。 用于植入式医疗设备的高功率组件,如 IGBT 、 SCR 、 MOSFET 和整流器,给电路设计者独特的电路布局带来了挑战。首先,需要较大的裸片尺寸来处理能量问题。例如,在植入式心脏除颤器中,电压可高达 700 伏,浪涌电流可高达 60 安培。其次,植入设备的顶部和底部都需要电气接点。功率器件采用“垂直”制造结构,从而允许更高的阻断电压和更高的电流。再有,必须对高压电弧加以控制。在植入式医疗设备中,芯片和电线仍然很常用。除了有一层保护性涂层之外,小心裸片和导线的间距对于防止产生电弧至关重要。设计人员正在寻找一个能免除电弧、涂层,电线粘接的封装方案,并且能同时最大限度地节省电路板空间。需要一个芯片级的、能将背面连接到同一块面板正面的倒装芯片电源封装方式。 陶瓷载体 一种创建一个平面倒装芯片功率封装的方法是将裸片附加在陶瓷载体上。在这种情况下,陶瓷载体的形状像一个倒写的“ L ”。裸片焊接或用环氧树脂固定到陶瓷上。金属走线被嵌到陶瓷里面,将背面连接路由至与正面,形成一款平面器件。裸片和陶瓷载体都放有焊球,以便能贴上平面倒装芯片,相比芯片和电线和节省空间。此外,陶瓷是一种耐高压电弧的良好绝缘体。制造中有待克服的问题包括 X, Y 和 Z 平面性,因为裸片在附着到陶瓷载体时会产生移动或倾斜。 TSV 技术 另一种解决方案是通过使用金属填充硅片通孔( TSV )技术。若使用此方法,芯片的尺寸扩大到包括邻近活性硅( active silicon )附近的非活性硅区域。先在非活性硅里打通一个通孔,然后用金属填充(图 1 )这个通孔,从而建立一个电路信道。电流从活性硅区域,通过背面的金属再到 TSV 。这就可以将背面的接触点转移到前面。芯片的尺寸有所增加,但没有第一种采用陶瓷载体方案的芯片增加的多。图 1 只是使用 TSV 时的一个结构图。从这个基本结构可以引申出很多变化。例如,建立允许中介层连接或者裸片堆叠的背部连接。 TSV 是一项新兴的制造工艺,似乎在用于处理功率器件的大电流方面也是一款很有前景的解决方案。但据 VLSI Research 在近期国际互连技术会议的说法,“大规模生产 TSV 仍然还要等几年”。在实现大规模生产之前,每片晶圆的加工成本仍将过高。成本较低的 TSV 解决方案仍然在电源设备生产中受到检验。 图 2 绝缘体上的功率芯片 功率裸片堆叠 电源芯片堆叠在今天得以实用。这种技术首先要求有两个或多个预知良好的裸片,并将其垂直焊接在一起。这些设计采用完善的技术,包括中介层、焊接和引线粘接,以垂直整合芯片功能。这种方法的主要优点是,它只需要一半的电路板空间,并且允许使用多种晶圆加工技术。主要缺点是仍然需要引线连接,高压电弧仍然是一个问题,累计的成品率损失往往会使成本增高。折叠式柔性电路是另一种可使用的裸片堆叠方法。利用折纸般的折叠方法,功率裸片可以彼此堆叠在一起。诀窍在于如何在保持较小尺寸,且不需要引线的同时实现同一块功率裸片的顶部和底部的连接。 绝缘体上的功率芯片 绝缘层上的功率芯片( PSOI )是一类密封芯片级封装,采用不同的方法将电气连接放到同一侧(图 2 )。 PSOI 使用标准的加工工艺在同一侧开发有源区域,但采用顶部金属化融入此区域。然后将顶层通过附着一层顶层绝缘体进行密封和保护。外部金属化接触点被放在器件的底部,非常类似倒装芯片封装,但是有了 PSOI ,底部和两侧被隔离开,形成了独特的“晶圆级封装”。芯片可以以任何形式切开,如单锯,对偶、四边形等。这样消除了任何后期制造步骤。经过以晶圆的形式切割后,产品经测试,并采用合适的容器如松饼式或凝胶进行封装,可以随意拾取和放置。 顶部、底部和侧面的绝缘体将接合处与环境污染物和湿气隔离开。这一工艺无需引线连接和保护性涂层,从而缩小了整个芯片的尺寸。 PSOI 也可以采用顶部接触堆叠的方式制造,提供卓越的热特性和小尺寸,同时保持浪涌性能。这一过程提供了芯片 - 芯片的电气隔离并降低了寄生效应。总产出量必须与标准晶圆方式的产量不相上下,以匹配成本。与目前所用的封装技术相比,可将整体电路所占用的空间减少 20 %至 55 %。 结论 在缩小的面积中加入更多的功能,同时还要保持绝对的品质,这是目前植入式医疗设计工程师们面对的首要技术挑战。与平面器件不同,功率器件缩小不能通过使用光刻节点减少来解决。因此,需要采用芯片级芯片倒装类电源封装的先进 3D 电路封装制造是一类适用的解决方案。 要打造一款平面覆晶式电源器件有很多种可选方案。最有前途的是陶瓷芯片载体、 TSV 和 PSOI 封装技术。 更多医疗电子信息请关注:21ic医疗电子频道

    时间:2012-05-14 关键词: 植入式医疗设备 多功能电源

  • 三星大脑植入式医疗设备获美专利局审批通过

    三星申报的人体植入式医疗设备在美获批通过 4月25日消息,据国外媒体报道,在人类大脑中植入电极程序以治疗严重抑郁症的设想现在获得进展。美国专利商标局(PTO)日前公布了三星公司申请的一项最新发明,涉及人体植入式医疗装置(IMD),可检测病患心脏及大脑的生理、病理状态。 这款植入性医疗器械的独特之处在于,通过植入设备与外部专业医疗器械的连接,可收集到病人的脑电波、瞳孔和运动状态以及更多生理、病理信息,这些信息不但有利于紧急医疗团队及时跟进病人病情的发展,也有利于积攒更多临床经验。 IMD设备还能根据数据变化发送警报,及时挽救病人生命。 根据美国专利和商标局公布的信息显示,三星的专利申请最初提出于2010年第四季度。 更多医疗电子信息请关注:医疗电子频道

    时间:2012-04-25 关键词: 三星 大脑 植入式医疗设备

  • 基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

    基于超低功RF收发器的植入式医疗设备通信系统设计

    Zarlink Semiconductor公司针对起搏器、神经刺激器、药泵以及其他此类植入式应用医疗设备的一款超低功率RF收发器芯片,其数据传输率高、功耗低,具有独特的唤醒电路。本文讨论了如何采用这款RF收发器实现体内通信系统的设计。 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。

    时间:2008-05-30 关键词: 通信 系统设计 rf收发器 植入式医疗设备

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