韋保林　徐衛(wèi)林　韋雪明　段吉海

摘 要： 在介紹UWB技術(shù)在植入式和體外生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)中的應(yīng)用研究成果及進(jìn)展的基礎(chǔ)上，分析其在生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用所面臨關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)以及可能的解決方法；最后討論了生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的發(fā)展方向，使UWB在生物醫(yī)學(xué)中所需要研究的問題和方向更加具體化和明確化。

關(guān)鍵詞： 超寬帶技術(shù)； 生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)； 植入式電子系統(tǒng)； 無線體域網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN99?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）10?0132?05

Abstract： Based on the introduction about the development of ultra wide band （UWB） technique in application research achievement and progress of implantable and off?body biomedical electronic systems， the key techniques， challenges and possible solutions of the implementation of UWB biomedical electronic devices are discussed. The developing trend of the biomedical electronic devices are discussed to make the issues which need to be researched in biomedicine using UWB technology and the research direction more materialized and specified.

Keywords： ultra wide band technology； biomedical electronic technology； implantable electronic device； wireless body area network

0 引 言

生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)是綜合電子信息、通信、計(jì)算機(jī)、傳感器等技術(shù)以用于解決生物醫(yī)學(xué)中的問題，從生命體本身的特殊性出發(fā)來研究生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測、處理、通信、顯示與記錄等的設(shè)備；實(shí)現(xiàn)對(duì)生命體的生理、生化參數(shù)進(jìn)行測量，對(duì)疾病進(jìn)行診斷、治療，或改善生物體生存、健康質(zhì)量等功能。近年來，隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)以及微納電子技術(shù)等領(lǐng)域的研究不斷取得突破，生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)正朝著集成化、微型化、無線化及智能化等方向迅速發(fā)展，體現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)傳感器、生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理、植入式電子系統(tǒng)、無線體域網(wǎng)（WBAN）及現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等各個(gè)方面[1]；同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步、老齡化社會(huì)的到來以及人們生活水平的不斷提高，各種應(yīng)用需求應(yīng)運(yùn)而生。

當(dāng)前，有多種無線通信技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的無線通信中，如工作于902～928 MHz或2.4～2.483 5 GHz等的ISM（Industrial Scientific Medical）頻段、工作于402～405 MHz 頻段的MICS （Medical Implant Communications Service）等。這些頻率范圍能滿足大多場合下的尺寸、功率、天線特性及接收機(jī)設(shè)計(jì)的要求，且不會(huì)對(duì)其他頻道產(chǎn)生干擾。

但是隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展及各種應(yīng)用的需要，越來越多的生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備需要更小的體積、更低的功耗、更高的傳輸速率以及更持續(xù)有效的供電方式以保證設(shè)備能夠長期持久工作，上述無線通信技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些應(yīng)用需求。工作于3.1～10.6 GHz 的超寬帶技術(shù)（UWB）因其收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、數(shù)據(jù)傳輸速率較高、功耗低等，具有能滿足生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的上述嚴(yán)格要求的潛力而成為近幾年其在該方面應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)[2?8]。

本文在總結(jié)介紹國內(nèi)、國際上有關(guān)UWB技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的最新應(yīng)用研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，討論了其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)，并分析其發(fā)展方向。

1 植入式UWB生物醫(yī)學(xué)電子

植入式生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)是21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)電子發(fā)展的一個(gè)重要的方向，也是2010年美國《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)選出的10項(xiàng)可能改變世界面貌的方興未艾的技術(shù)之一；大規(guī)模集成電路技術(shù)及微加工技術(shù)水平的提高為其飛速發(fā)展帶來了契機(jī)。植入式電子系統(tǒng)可置于生物體或人體內(nèi)，用于測量生命體內(nèi)生理、生化參數(shù)的長期變化及診斷、治療某些疾病，實(shí)現(xiàn)在生命體無拘束自然狀態(tài)下體內(nèi)的直接測量和控制功能，或代替功能已喪失的器官[9]。常見的植入式電子設(shè)備主要應(yīng)用于心臟起搏器、神經(jīng)遙測器、人工耳蝸、植入式視網(wǎng)膜以及自動(dòng)給藥系統(tǒng)、假肢控制及體內(nèi)生化指標(biāo)測量等方面。

越來越多的植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備需要體積更小、功耗更低、速率更高，如膠囊式內(nèi)窺鏡的速率要求達(dá)10 Mb/s以上、多通道神經(jīng)信號(hào)記錄系統(tǒng)的速率要求達(dá)100 Mb/s或更高。但當(dāng)前工作于402～405 MHz MICS頻段植入式電子系統(tǒng)傳輸速率只能達(dá)到800 Kb/s，而且該技術(shù)屬于窄帶通信系統(tǒng)，需要復(fù)雜的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，包含中頻級(jí)、混頻器、本機(jī)振蕩器等等，其功耗、集成度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求。

基于UWB具有相對(duì)簡單的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)而易于獲得小體積和低功耗及其相對(duì)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，其應(yīng)用于植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的研究逐漸凸顯出迅猛的發(fā)展勢(shì)頭。國內(nèi)外很多公司、醫(yī)院、大學(xué)、研究所等機(jī)構(gòu)正積極開展此項(xiàng)研究。法國施樂公司的GHILDIYAL A等于2008年開始對(duì)UWB頻段信號(hào)在人體組織內(nèi)的傳播特性進(jìn)行研究，證實(shí)了UWB在5～10 cm短距離植入式生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備通信中應(yīng)用的可能性[4]。挪威奧斯陸大學(xué)醫(yī)院、挪威科技大學(xué)與加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)合作，采用人體異類解剖學(xué)模型進(jìn)行仿真，第一個(gè)建立了體內(nèi)植入式的UWB通信信道傳播特性模型[5]；該統(tǒng)計(jì)模型詳細(xì)描述了1～6 GHz UWB信號(hào)在人體內(nèi)的路徑衰落、衰落陰影、信道沖激響應(yīng)、多址分量及其時(shí)延等，為人體植入式UWB通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。KHALEGHI A等通過數(shù)字電磁場仿真得到消化道內(nèi)膠囊內(nèi)窺鏡的UWB信道特性，并設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于膠囊式內(nèi)窺鏡的IR?UWB發(fā)射機(jī)及相應(yīng)的UWB相關(guān)接收機(jī)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

除此之外，尚有不少針對(duì)植入式生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的UWB無線通信系統(tǒng)或芯片，這些主要應(yīng)用于植入式視網(wǎng)膜、神經(jīng)記錄儀、內(nèi)窺鏡、無線體域網(wǎng)等[10?13]。如YUCE M R等所設(shè)計(jì)的IR?UWB系統(tǒng)芯片主要針對(duì)植入式神經(jīng)記錄儀以及多通道人體無線遙測監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[13]。該系統(tǒng)已通過鹽焗牛肉做植入式的通信測試；猶他州立大學(xué)的LUO Yi等則主要針對(duì)UWB在植入式視網(wǎng)膜等皮下植入應(yīng)用進(jìn)行研究[10]。

2 體外UWB生物醫(yī)學(xué)電子

結(jié)構(gòu)簡單、高速率、低功耗的UWB對(duì)體外應(yīng)用（特別是體表應(yīng)用）的生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)也非常具有發(fā)展?jié)摿Α：唵蔚氖瞻l(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)和相對(duì)較低的功耗使得UWB系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)微型化，滿足便攜或可穿戴的需要。UWB在體外生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的應(yīng)用研究主要體現(xiàn)在無線遙測監(jiān)護(hù)系統(tǒng)、多通道神經(jīng)信號(hào)記錄儀、無線體域網(wǎng)（WBAN）、人體傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

澳大利亞莫納什大學(xué)的YUCE M R等提出了一個(gè)采用UWB進(jìn)行收發(fā)的人體生理參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)WBAN系統(tǒng)[14]，如圖5（a）所示，腦電信號(hào)（EEG）、心電心號(hào)（ECG）、體溫等生理參數(shù)通過置于體表的UWB傳感器節(jié)點(diǎn)傳送到近距離網(wǎng)關(guān)（body control unit， BCU），BCU再通過無線方式將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程接收設(shè)備，然后通過互聯(lián)網(wǎng)連接到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)端。置于體表的傳感器節(jié)點(diǎn)由于采用UWB收發(fā)，因其結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，故體積較小、便于攜帶，如圖5（b）所示，其系統(tǒng)電路板體積僅為25 mm×27 mm×1.5 mm。

加州大學(xué)圣克魯茲分校的CHAE M S等在美國國防部高級(jí)防御研究計(jì)劃局（DARPA）、美國國家半導(dǎo)體公司等的資助下，采用0.35 mm CMOS工藝成功設(shè)計(jì)了采用UWB收發(fā)的多通道神經(jīng)信號(hào)記錄系統(tǒng)[3]，如圖6所示。該系統(tǒng)具有8個(gè)16通道前端記錄模塊，以及棘波檢測及特征提取數(shù)字信號(hào)處理模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）、UWB發(fā)射模塊等；其UWB收發(fā)機(jī)工作在3.1～5 GHz頻率范圍，通過活體細(xì)胞外進(jìn)行神經(jīng)探測測試，系統(tǒng)傳輸速率可達(dá)90 Mb/s，功耗僅為6 mW，其中UWB發(fā)射部分功耗僅為1.6 mW，芯片面積為8.8 mm×7.2 mm。

加拿大多倫多大學(xué)的ABDELHALIM K等針對(duì)神經(jīng)疾病監(jiān)護(hù)治療的需要，采用0.13 mm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種64通道UWB無線神經(jīng)向量分析儀SoC芯片[15]，其系統(tǒng)框圖如圖7所示。該SoC芯片包括64路含有開關(guān)電容可調(diào)濾波器的神經(jīng)記錄放大器、64路8位SAR ADC、64路16階可編程FIR濾波器、一個(gè)三核CORDIC處理器、64路雙波段電流刺激通道、1 KB存儲(chǔ)器以及一個(gè)3.1～10.6 GHz UWB無線發(fā)射機(jī)，芯片面積僅為4 mm×3 mm。該系統(tǒng)已通過人體活體神經(jīng)測試實(shí)驗(yàn)，在工作電壓為1.2 V的情況下，功耗僅為1.4 mW；在10 Mb/s傳輸速率下，誤碼率僅為[5×10-5]。

此外，尚有不少有關(guān)體表生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的UWB無線通信系統(tǒng)或芯片，除可實(shí)現(xiàn)上述功能外，還可用于乳腺癌、乳腺瘤檢測[16?17]，呼吸活躍程度監(jiān)測[18]，醫(yī)學(xué)成像[19]，腦電信號(hào)機(jī)接口或腦監(jiān)護(hù)[20]等。

3 關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)

近年來，雖然UWB技術(shù)在植入式或體表生物醫(yī)學(xué)電子方面的應(yīng)用研究取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，但是UWB技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用仍面臨諸多關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1） UWB天線設(shè)計(jì)技術(shù)。多年來，雖然不少科技工作者對(duì)UWB天線的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行不懈地研究并取得了不凡的成果，但是適合生物體表或體內(nèi)應(yīng)用的小型化、寬頻帶UWB天線仍然是UWB技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用所面臨關(guān)鍵技術(shù)之一。這主要源于以下兩個(gè)原因：首先，體表或植入式生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)要求其體積盡量小，以便于攜帶或植入，而天線的體積是影響系統(tǒng)體積的一個(gè)重要部分；其次，生物體具有一定的電磁介質(zhì)特性，對(duì)體表或植入使用的天線特性會(huì)產(chǎn)生一定的影響[21]。對(duì)于植入式應(yīng)用而言，不僅要求天線體積非常小，而且植入后不能保證天線的位置和方向固定不變（如膠囊式內(nèi)窺鏡），這對(duì)天線的方向性提出了更高的要求；此外，由于生物體電磁特性的影響，故其相當(dāng)于天線的一部分，對(duì)天線相當(dāng)于一個(gè)屏蔽器，給天線設(shè)計(jì)帶來一定的難度[21]。

（2） 硬件系統(tǒng)的低電壓、低功耗設(shè)計(jì)。不管是植入式還是體外UWB生物醫(yī)學(xué)電子，均要求采用盡可能低的電壓和功耗來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，以減小因電源引入的系統(tǒng)體積，最大限度地延長系統(tǒng)的可持續(xù)工作時(shí)間。不論是電路板級(jí)還是芯片級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，低電壓、低功耗實(shí)現(xiàn)始終是設(shè)計(jì)者們追尋的目標(biāo)之一，也是設(shè)計(jì)的一大難點(diǎn)。對(duì)于UWB無線收發(fā)機(jī)模塊，如果系統(tǒng)不需要復(fù)雜的尋址接入，可采用IR?UWB收發(fā)形式，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，有利于降低功耗。此外，還可通過選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制、解調(diào)方式以及編碼方式來降低功耗，比如采用Manchester編碼等，再比如OOK和PPM調(diào)制可便于采用結(jié)構(gòu)較為簡單的非相關(guān)接收機(jī)進(jìn)行接收，有利于降低功耗、提高接收機(jī)的能量效率，而OOK調(diào)制只需在發(fā)送碼元1時(shí)產(chǎn)生UWB脈沖，故其功耗更低[13，22]。

（3） 系統(tǒng)能量的供給。能量供給單元是生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的核心部分，它是確保系統(tǒng)長期穩(wěn)定工作的必要前提條件。目前在生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)中大量采用電池供電方式。電池有體積較大、壽命有限等缺點(diǎn)，這對(duì)體外電子設(shè)備的應(yīng)用不會(huì)產(chǎn)生太大障礙，但卻給植入式應(yīng)用帶來不少的困難。對(duì)于植入式設(shè)備可采用電磁耦合方式供電，即采用面對(duì)面的空心感應(yīng)線圈進(jìn)行能量傳輸，但該方法一般工作于低MHz級(jí)頻率，需要較大的線圈。當(dāng)前研究者們還提出了自供電的概念，就是使電子系統(tǒng)自動(dòng)地從其周圍環(huán)境中收集能量為其自身所用，如射頻能量收集、溫差供能、生物電供能等[23]，但這些技術(shù)目前尚未成熟，有待于進(jìn)一步探究。

（4） 系統(tǒng)測試。由于測試的復(fù)雜性及測試環(huán)境的特殊性，UWB生物醫(yī)學(xué)電子的系統(tǒng)測試也是當(dāng)前的一個(gè)難點(diǎn)，特別是針對(duì)人體植入式系統(tǒng)而言[2，8]。在早期生物醫(yī)學(xué)電子的UWB信道模型研究中，由于測試和仿真的復(fù)雜性，一般采用電磁特性和色散特性與人類組織相近的材料建立人體仿真模型，通過測試仿真模型內(nèi)的相關(guān)電磁作用量來進(jìn)行信道模型研究；或者采用人體截面圖像進(jìn)行重構(gòu)獲得3D人體電磁模型，用于電磁仿真得到UWB信號(hào)的人體信道模型[2]。在UWB植入式硬件系統(tǒng)的測試中，可采用將系統(tǒng)置入豬肉、牛肉等動(dòng)物肌肉中進(jìn)行測試[13]，但該方法所采用的生理組織比較單一，不能反映UWB系統(tǒng)在多層生理組織下的植入情況；此外，還可將UWB系統(tǒng)置于動(dòng)物（比如豬、兔等）活體中進(jìn)行實(shí)際的植入式測試[8，15]，但活體動(dòng)物的體積、形狀、電磁特性等跟人體有一定的差異。

4 發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著半導(dǎo)體微電子技術(shù)、微加工技術(shù)以及計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)的提高，生物醫(yī)學(xué)電子設(shè)備的發(fā)展可謂日新月異。未來生物醫(yī)學(xué)電子的主要發(fā)展趨勢(shì)是便攜化、小型化、可連接性、人性化以及安全可靠化[24]；此外，網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、智能化以及自供電功能等也是其發(fā)展的重要方向。這要求系統(tǒng)具有超低功耗的電子線路、高效的能量收集器及電源管理系統(tǒng)、精確的生物信號(hào)傳感/刺激器等，同時(shí)能夠集CMOS集成電路、MENS技術(shù)等為一體。人性化的設(shè)計(jì)則應(yīng)從患者和臨床醫(yī)學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的角度出發(fā)；數(shù)據(jù)的安全性、可靠性則要求在數(shù)據(jù)的射頻傳輸及存儲(chǔ)過程中有更多的軟硬件工具作為支撐，以及加強(qiáng)各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定[24]。網(wǎng)絡(luò)化可使得遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)更便利，使得醫(yī)護(hù)人員及早發(fā)現(xiàn)患者的癥狀，及時(shí)地進(jìn)行醫(yī)學(xué)干預(yù)而有利于提高患者康復(fù)幾率。

除了具有上述發(fā)展趨勢(shì)，未來的生物醫(yī)學(xué)電子還將很快地從醫(yī)院使用環(huán)境轉(zhuǎn)為家庭使用，使得醫(yī)生和家庭成員均能實(shí)時(shí)地掌握患者的情況和發(fā)展趨勢(shì)，可方便地鏈接到患者的電子病歷，了解其過去及當(dāng)前的狀況[25]。UWB因具有高速率、低功耗、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)良特性而容易滿足新一代生物醫(yī)學(xué)電子的發(fā)展需要。

5 結(jié) 語

UWB具有低功耗、結(jié)構(gòu)簡單、高速率等優(yōu)點(diǎn)，非常適合植入式、便攜式、穿戴式生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的應(yīng)用需求，因而成為近幾年UWB應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本文對(duì)近5年來UWB技術(shù)在植入式、便攜式、穿戴式生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)的應(yīng)用研究成果以及所面臨的關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)和發(fā)展方向做了總結(jié)分析，希望能對(duì)從事生物醫(yī)學(xué)電子系統(tǒng)和微電子等方面研究的人員提供一些幫助，推動(dòng)我國電子信息在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

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