王權 李澍 蘇宗文 任海萍 中國食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所 （北京 100050）

0.引言

射頻識別技術（RFID）是一種非接觸式的自動識別技術，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數(shù)據(jù)，無需人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境[1]。RFID 在許多工業(yè)領域，特別是在醫(yī)療和制藥領域快速增長并具有廣闊的市場前景。據(jù)市場分析人士預計，醫(yī)療和制藥領域RFID 標簽或系統(tǒng)，在全球市場份額將迅速上升（從2006的1.1 億至2016 年的26 億美元）[2]。醫(yī)療衛(wèi)生機構所處的是一個復雜的電磁環(huán)境，因此，若希望在醫(yī)療環(huán)境下大規(guī)模應用RFID 技術必須要考慮電磁輻射所產(chǎn)生的相關問題，主要考慮各種設備產(chǎn)生的電磁場對RFID 設備能否正常工作的影響，以及考慮RFID 設備是否會對其他的醫(yī)療器械產(chǎn)生負面影響。同時，還要考慮大規(guī)模使用RFID 技術所產(chǎn)生的電磁輻射對人體的生物學影響?，F(xiàn)階段，在醫(yī)療衛(wèi)生機構使用RFID系統(tǒng)還比較少，這兩方面的問題并沒有突顯。針對這種情況，更應該加快各方面的研究，通過現(xiàn)場分析、評估等方法，篩選出適合于工作在醫(yī)療復雜環(huán)境下且能和醫(yī)療設備和諧共處的RFID 系統(tǒng)[3]。

1.RFID技術介紹

1.1 RFID 設備組成與分類

RFID 射頻識別系統(tǒng)是由三部分組成，分別是RFID 讀寫器、應答器（RFID 標簽）和計算機，見圖1。應答器（RFID 標簽）一般放置在被識別物體處，讀寫器是一種讀或?qū)?只讀裝置。實際中，當應答器（RFID 標簽）進入讀寫器的識別范圍時，應答器和讀寫器二者無線通信，讀寫器無接觸地獲應答器標簽中的信息，并將信息傳送到后臺計算機，實現(xiàn)了自動識別設備或者自動采集設備運行信息的功能[4]。

圖1. RFID 組成圖。分由RFID 讀寫器（RFID）、應答器（標簽）和計算機組成。

圖2. RFID 設備能量耦合原理圖 A）電感耦合原理示意圖 B）電磁耦合原理示意圖

應答器內(nèi)含的電子設備工作時需要能量來驅(qū)動。根據(jù)標簽獲取能量的方式；可以將應答器分為：主動式、半被動式和被動式。主動式和半被動式設備一般含有電源，被動式標簽沒有電源。主動式標簽因為有電源可以主動發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，識別距離遠。當電子標簽離開讀寫器的場區(qū)時，數(shù)字芯片將自動進入省電模式以減少能耗。當電子標簽接收到讀寫器發(fā)出電磁場強度足夠強時，芯片重新激活并進入到正常工作狀態(tài)。由于有源標簽使用電池供電，讀寫器發(fā)射射頻查詢信號的強度大大減小，系統(tǒng)的抗電磁干擾能力得到增強。主動式標簽的工作距離可達到100m 以上。被動式標簽沒有電源，只有當讀寫器發(fā)出查詢信號后才進入通信狀態(tài)。它通過電感耦合或電磁耦合的方式傳遞能量，當與閱讀器距離足夠近，使其感應的電磁場強度足夠強時，才會傳遞信息。被動式標簽的工作距離可達3～5m，一般為20～40cm。半被動式標簽與被動式標簽相似，但它內(nèi)部含有一個小型電池，它提供的電量剛好可以驅(qū)動標簽芯片，使得芯片處于工作狀態(tài)。天線充分用于回傳信號，不用負責接收電磁波的任務。

1.2 RFID 的通信原理

讀寫器和標簽之間射頻信號的通信主要通過耦合實現(xiàn)，具體的耦合類型有兩種：近距離的電感耦合與遠距離的電磁耦合（電磁反向散射）。電感耦合原理等同于變壓器模型，讀寫器形成交變磁場，標簽內(nèi)部的電感線圈形成感應電壓。當滿足一定的距離范圍內(nèi)，獲得的能量能夠供應芯片正常工作，讀寫器和標簽完成信息交換，如圖2a所示。電磁反向散射耦合即為雷達原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標后反射，同時攜帶回目標信息，全過程服從電磁波的空間傳播規(guī)律。如圖2b 所示。醫(yī)療系統(tǒng)應用的RFID 多為電磁耦合方式。

2.RFID技術帶來的電磁兼容問題

RFID 系統(tǒng)的讀寫器和標簽都具有雙向通信廣播的能力，都包含天線并可調(diào)制和解調(diào)無線電信號。一般來說，國際上RFID 廣泛采用的頻率分為低頻（125kHz）、高頻（13.65MHz）、超高頻（433MHz、860-960MHz）和微波（2.45GHz、5.8GHz）。這些頻段大部分是與醫(yī)療行為中有意使用的頻段是重疊的，見表1。因此，這種天線在接收有用信號的同時，同樣會將醫(yī)療噪聲信號同時接收，從而最終導致輸入信息的無效，導致信息重傳。同時，對于醫(yī)療器械來說，RFID 系統(tǒng)發(fā)射的無用電磁信號即為典型的電磁輻射騷擾源，這種電磁輻射同樣會被醫(yī)療器械內(nèi)部電路或系統(tǒng)接收，最終造成醫(yī)療器械的錯誤操作或失效。

Yue Ying 等人[6]分析了兩種不同的超高頻RFID 系統(tǒng)（868 MHz）對15 種常見的醫(yī)療器械（輸液泵、監(jiān)護儀、心肺機、麻醉工作站、重癥監(jiān)護呼吸機等）的影響。測試中，15 種醫(yī)療設備分別使用兩個不同的RFID 設備進行騷擾測試。實驗結果顯示，其中8 種的醫(yī)療器械沒有受到干擾，另外的7 種發(fā)生了明顯的干擾現(xiàn)象。同時，測試結果還發(fā)現(xiàn)，干擾結果的嚴重性與測試距離非常相關，距離越近，設備收到電磁輻射干擾的場強越強，設備越容易收到干擾。作者同時比較了在正常使用距離下的RFID 射頻天線輻射場強與GB 17626.3 標準要求值（3 V/m）的關系。發(fā)現(xiàn)RFID設備有可能造成10 V/m 以上的輻射場強。綜上所述，作者認為，在通過若干防護措施的前提下，RFID 技術可以用于醫(yī)療環(huán)境。

表1. RFID 不同頻帶的應用及與醫(yī)療行為使用頻帶的關系

Houliston 等人[7]分析RFID 系統(tǒng)與輸液泵的互相影響。作者認為，在直接接觸的條件下，發(fā)現(xiàn)輸液泵可以耐受低功耗狀態(tài)下RFID 讀寫器的電磁騷擾。然而，在RFID 設備輸入功率增大的條件下，在10cm 的距離處泵性能受到了電磁騷擾的影響。

Seidman 等人[8]研究RFID 讀寫器和植入式心臟起搏器之間的電磁兼容性。在體外試驗中，實驗了15 個植入式心臟起搏器分別暴露于13 個RFID 讀寫器的電磁輻射下。發(fā)現(xiàn)在最大距離為60 厘米的條件下，67%的起搏器受到了不同程度的騷擾。植入式起搏器受到騷擾的主要現(xiàn)象包括起搏抑制、錯誤起搏、起搏頻率改變和器件編程變化等。

3.涉及RFID技術的電磁輻射評估和測量

RFID 系統(tǒng)的標簽與讀寫器工作時均向進行電磁輻射。電磁輻射對人身健康安全帶來的影響和危害同樣為公眾所重視，主要危害包括對中樞神經(jīng)系統(tǒng)、機體免疫功能、心血管系統(tǒng)、生殖和遺傳系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)的危害以及致癌作用等。其作用機理為電磁波攜帶的電磁能量被生物體吸收，引起生物體全身或者局部的溫度升高，從而造成其生理和行為的改變。不同頻率的高強度電磁輻射會對人體造成不同的影響，從輕微的神經(jīng)疼痛到組織興奮、皮膚發(fā)熱，到產(chǎn)生熱效應、激發(fā)體內(nèi)的熱調(diào)節(jié)反應，使體溫升高造成人體傷亡。

現(xiàn)階段針對RFID 電磁輻射能量對人體產(chǎn)生的生物學效應方面開始受到各國學者關注，但都還處于初步階段。RFID 設備對人體輻射的主要目標區(qū)域可能為身體各個部分，對于植入式設備，甚至有可能形成內(nèi)照射。而且RFID 設備一般還是處于長時間的工作通信互聯(lián)（例如心電的監(jiān)測）狀態(tài)。

Findlay, R. P.[9]等人使用人體像素模型計算了人體在變姿態(tài)下的RFID 電磁輻射比吸收率分布，并認為大部分輻射源在體表若干毫米的地方達到最大值，同時不同的身體姿態(tài)造成的分布差異很大；Luebbers, R.[10]等人通過仿真驗證了RFID 電磁輻射暴露會造成組織溫升，并證實了血液等體液的定向流動會造成溫升的重新分布。

Wang, Jianqing[11]等人首次提出通過使用電磁暗室測試一位男性志愿者全身平均比吸收率，最終在RFID 設備輸出頻率1、1.5 和2 Ghz 以及輸出功率為30～40 mW 條件下，測得人體的全身電磁輻射比吸收率為6.6 μWcm-2；Aliou[12]等人實驗證明了由于在室內(nèi)存在漫反射多徑分量(Diffuse Multipath Component)，造成人體受到的RFID 電磁輻射要高于不考慮反射條件下的計算機仿真輻射計算值。

4.結論

通過文章綜述和調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，RFID 設備在工作狀態(tài)下和醫(yī)療環(huán)境下的醫(yī)療器械在極端情況下存在發(fā)生相互干擾的可能；同時，所產(chǎn)生的電磁輻射對人體也有一定影響。因此，RFID 應用布局時需要使其和醫(yī)療器械保持適當?shù)木嚯x，并合理設置天線方向，從而保證雙方都能夠正常工作。但是隨著移動醫(yī)療、穿戴式醫(yī)療設備的廣泛應用，RFID 設備會更多的出現(xiàn)在醫(yī)療和生活環(huán)境之中。這樣在實際工作時可能難以達到可靠的距離隔離，這就大大增加了發(fā)生相互干擾的可能。因此，為了保證病人的安全和提高效率，有必要制定醫(yī)療環(huán)境下的RFID 標準，從而更好的為各種RFID 新技術發(fā)展保駕護航。

致謝：本研究受中國食品藥品檢定研究院中青年發(fā)展研究基金課題任務書（項目號：2014C6）資助。

[1] 宋楠——天津大學.RFID 技術與電磁兼容性分析

[2] 徐恒, 田金, 許鋒. 射頻識別技術在醫(yī)療設備管理應用中電磁干擾的探討[J]. 中國醫(yī)學裝備, 2013, (11):45-47.

[3] 常天海, 高加志. RFID 設備電磁兼容性的研究[C].通信理論與技術新發(fā)展——全國青年通信學術會議. 2009.

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[12] Bamba, A., et al., Validation of experimental whole-body SAR assessment method in acomplex indoor environment. Bioelectromagnetics, 2013. 34(2): p. 122-132.