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基于超低功RF收发器植入式医疗设备通信系统设计 【字体:
基于超低功RF收发器植入式医疗设备通信系统设计
文章来源:电子系统设计     
 
   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20kbps,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。

 

    ZL70101MICS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5mA。电路具有独特的工作在2.45GHz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

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