UWB在生物醫學電子中的應用研究進展

韋保林　徐衛林　韋雪明　段吉海

摘 要： 在介紹UWB技術在植入式和體外生物醫學電子系統中的應用研究成果及進展的基礎上，分析其在生物醫學電子系統中廣泛應用所面臨關鍵技術、難點以及可能的解決方法；最后討論了生物醫學電子系統的發展方向，使UWB在生物醫學中所需要研究的問題和方向更加具體化和明確化。

關鍵詞： 超寬帶技術； 生物醫學電子系統； 植入式電子系統； 無線體域網

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

生物醫學電子系統是綜合電子信息、通信、計算機、傳感器等技術以用于解決生物醫學中的問題，從生命體本身的特殊性出發來研究生物醫學信號的檢測、處理、通信、顯示與記錄等的設備；實現對生命體的生理、生化參數進行測量，對疾病進行診斷、治療，或改善生物體生存、健康質量等功能。近年來，隨著通信技術、計算機科學、傳感器技術以及微納電子技術等領域的研究不斷取得突破，生物醫學電子系統正朝著集成化、微型化、無線化及智能化等方向迅速發展，體現在生物醫學傳感器、生物醫學信號處理、植入式電子系統、無線體域網（WBAN）及現代遠程監護系統等各個方面[1]；同時，隨著技術的進步、老齡化社會的到來以及人們生活水平的不斷提高，各種應用需求應運而生。

當前，有多種無線通信技術應用于生物醫學電子系統的無線通信中，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、天線特性及接收機設計的要求，且不會對其他頻道產生干擾。

但是隨著醫學技術的發展及各種應用的需要，越來越多的生物醫學電子設備需要更小的體積、更低的功耗、更高的傳輸速率以及更持續有效的供電方式以保證設備能夠長期持久工作，上述無線通信技術遠遠不能滿足這些應用需求。工作于3.1～10.6 GHz 的超寬帶技術（UWB）因其收發機結構相對簡單、數據傳輸速率較高、功耗低等，具有能滿足生物醫學電子設備的上述嚴格要求的潛力而成為近幾年其在該方面應用研究的一個熱點[2?8]。

本文在總結介紹國內、國際上有關UWB技術在生物醫學電子系統的最新應用研究進展的基礎上，討論了其系統實現的關鍵技術及難點，并分析其發展方向。

1 植入式UWB生物醫學電子

植入式生物醫學電子系統是21世紀生物醫學電子發展的一個重要的方向，也是2010年美國《技術評論》雜志評選出的10項可能改變世界面貌的方興未艾的技術之一；大規模集成電路技術及微加工技術水平的提高為其飛速發展帶來了契機。植入式電子系統可置于生物體或人體內，用于測量生命體內生理、生化參數的長期變化及診斷、治療某些疾病，實現在生命體無拘束自然狀態下體內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備主要應用于心臟起搏器、神經遙測器、人工耳蝸、植入式視網膜以及自動給藥系統、假肢控制及體內生化指標測量等方面。

越來越多的植入式生物醫學電子設備需要體積更小、功耗更低、速率更高，如膠囊式內窺鏡的速率要求達10 Mb/s以上、多通道神經信號記錄系統的速率要求達100 Mb/s或更高。但當前工作于402～405 MHz MICS頻段植入式電子系統傳輸速率只能達到800 Kb/s，而且該技術屬于窄帶通信系統，需要復雜的收發機結構，包含中頻級、混頻器、本機振蕩器等等，其功耗、集成度遠遠不能滿足要求。

基于UWB具有相對簡單的收發機結構而易于獲得小體積和低功耗及其相對較高的數據傳輸速率，其應用于植入式生物醫學電子設備的研究逐漸凸顯出迅猛的發展勢頭。國內外很多公司、醫院、大學、研究所等機構正積極開展此項研究。法國施樂公司的GHILDIYAL A等于2008年開始對UWB頻段信號在人體組織內的傳播特性進行研究，證實了UWB在5～10 cm短距離植入式生物醫學電子設備通信中應用的可能性[4]。挪威奧斯陸大學醫院、挪威科技大學與加拿大大不列顛哥倫比亞大學合作，采用人體異類解剖學模型進行仿真，第一個建立了體內植入式的UWB通信信道傳播特性模型[5]；該統計模型詳細描述了1～6 GHz UWB信號在人體內的路徑衰落、衰落陰影、信道沖激響應、多址分量及其時延等，為人體植入式UWB通信系統的設計提供了理論依據。KHALEGHI A等通過數字電磁場仿真得到消化道內膠囊內窺鏡的UWB信道特性，并設計了一個應用于膠囊式內窺鏡的IR?UWB發射機及相應的UWB相關接收機，其系統結構如圖1所示[2]。

除此之外，尚有不少針對植入式生物醫學應用的UWB無線通信系統或芯片，這些主要應用于植入式視網膜、神經記錄儀、內窺鏡、無線體域網等[10?13]。如YUCE M R等所設計的IR?UWB系統芯片主要針對植入式神經記錄儀以及多通道人體無線遙測監護系統[13]。該系統已通過鹽焗牛肉做植入式的通信測試；猶他州立大學的LUO Yi等則主要針對UWB在植入式視網膜等皮下植入應用進行研究[10]。

2 體外UWB生物醫學電子

結構簡單、高速率、低功耗的UWB對體外應用（特別是體表應用）的生物醫學電子系統也非常具有發展潛力。簡單的收發機結構和相對較低的功耗使得UWB系統容易實現微型化，滿足便攜或可穿戴的需要。UWB在體外生物醫學電子系統的應用研究主要體現在無線遙測監護系統、多通道神經信號記錄儀、無線體域網（WBAN）、人體傳感器網絡等。

澳大利亞莫納什大學的YUCE M R等提出了一個采用UWB進行收發的人體生理參數遠程監護WBAN系統[14]，如圖5（a）所示，腦電信號（EEG）、心電心號（ECG）、體溫等生理參數通過置于體表的UWB傳感器節點傳送到近距離網關（body control unit， BCU），BCU再通過無線方式將數據傳送到遠程接收設備，然后通過互聯網連接到遠程監護端。置于體表的傳感器節點由于采用UWB收發，因其結構簡單、功耗低，故體積較小、便于攜帶，如圖5（b）所示，其系統電路板體積僅為25 mm×27 mm×1.5 mm。

加州大學圣克魯茲分校的CHAE M S等在美國國防部高級防御研究計劃局（DARPA）、美國國家半導體公司等的資助下，采用0.35 mm CMOS工藝成功設計了采用UWB收發的多通道神經信號記錄系統[3]，如圖6所示。該系統具有8個16通道前端記錄模塊，以及棘波檢測及特征提取數字信號處理模塊、模/數轉換模塊（ADC）、UWB發射模塊等；其UWB收發機工作在3.1～5 GHz頻率范圍，通過活體細胞外進行神經探測測試，系統傳輸速率可達90 Mb/s，功耗僅為6 mW，其中UWB發射部分功耗僅為1.6 mW，芯片面積為8.8 mm×7.2 mm。

加拿大多倫多大學的ABDELHALIM K等針對神經疾病監護治療的需要，采用0.13 mm CMOS工藝設計了一種64通道UWB無線神經向量分析儀SoC芯片[15]，其系統框圖如圖7所示。該SoC芯片包括64路含有開關電容可調濾波器的神經記錄放大器、64路8位SAR ADC、64路16階可編程FIR濾波器、一個三核CORDIC處理器、64路雙波段電流刺激通道、1 KB存儲器以及一個3.1～10.6 GHz UWB無線發射機，芯片面積僅為4 mm×3 mm。該系統已通過人體活體神經測試實驗，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，尚有不少有關體表生物醫學應用的UWB無線通信系統或芯片，除可實現上述功能外，還可用于乳腺癌、乳腺瘤檢測[16?17]，呼吸活躍程度監測[18]，醫學成像[19]，腦電信號機接口或腦監護[20]等。

3 關鍵技術和難點

近年來，雖然UWB技術在植入式或體表生物醫學電子方面的應用研究取得了不錯的進展，但是UWB技術在生物醫學電子系統的廣泛應用仍面臨諸多關鍵技術和難點的挑戰，主要表現在以下幾個方面：

（1） UWB天線設計技術。多年來，雖然不少科技工作者對UWB天線的設計技術進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應用的小型化、寬頻帶UWB天線仍然是UWB技術在生物醫學電子系統中廣泛應用所面臨關鍵技術之一。這主要源于以下兩個原因：首先，體表或植入式生物醫學電子系統要求其體積盡量小，以便于攜帶或植入，而天線的體積是影響系統體積的一個重要部分；其次，生物體具有一定的電磁介質特性，對體表或植入使用的天線特性會產生一定的影響[21]。對于植入式應用而言，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（如膠囊式內窺鏡），這對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，故其相當于天線的一部分，對天線相當于一個屏蔽器，給天線設計帶來一定的難度[21]。

（2） 硬件系統的低電壓、低功耗設計。不管是植入式還是體外UWB生物醫學電子，均要求采用盡可能低的電壓和功耗來實現系統，以減小因電源引入的系統體積，最大限度地延長系統的可持續工作時間。不論是電路板級還是芯片級的系統設計，低電壓、低功耗實現始終是設計者們追尋的目標之一，也是設計的一大難點。對于UWB無線收發機模塊，如果系統不需要復雜的尋址接入，可采用IR?UWB收發形式，其系統結構相對簡單，有利于降低功耗。此外，還可通過選擇適當的調制、解調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調制可便于采用結構較為簡單的非相關接收機進行接收，有利于降低功耗、提高接收機的能量效率，而OOK調制只需在發送碼元1時產生UWB脈沖，故其功耗更低[13，22]。

（3） 系統能量的供給。能量供給單元是生物醫學電子系統的核心部分，它是確保系統長期穩定工作的必要前提條件。目前在生物醫學電子系統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，這對體外電子設備的應用不會產生太大障礙，但卻給植入式應用帶來不少的困難。對于植入式設備可采用電磁耦合方式供電，即采用面對面的空心感應線圈進行能量傳輸，但該方法一般工作于低MHz級頻率，需要較大的線圈。當前研究者們還提出了自供電的概念，就是使電子系統自動地從其周圍環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]，但這些技術目前尚未成熟，有待于進一步探究。

（4） 系統測試。由于測試的復雜性及測試環境的特殊性，UWB生物醫學電子的系統測試也是當前的一個難點，特別是針對人體植入式系統而言[2，8]。在早期生物醫學電子的UWB信道模型研究中，由于測試和仿真的復雜性，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的相關電磁作用量來進行信道模型研究；或者采用人體截面圖像進行重構獲得3D人體電磁模型，用于電磁仿真得到UWB信號的人體信道模型[2]。在UWB植入式硬件系統的測試中，可采用將系統置入豬肉、牛肉等動物肌肉中進行測試[13]，但該方法所采用的生理組織比較單一，不能反映UWB系統在多層生理組織下的植入情況；此外，還可將UWB系統置于動物（比如豬、兔等）活體中進行實際的植入式測試[8，15]，但活體動物的體積、形狀、電磁特性等跟人體有一定的差異。

4 發展趨勢

伴隨著半導體微電子技術、微加工技術以及計算機、網絡、通信等技術的提高，生物醫學電子設備的發展可謂日新月異。未來生物醫學電子的主要發展趨勢是便攜化、小型化、可連接性、人性化以及安全可靠化[24]；此外，網絡化、遠程化、智能化以及自供電功能等也是其發展的重要方向。這要求系統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、精確的生物信號傳感/刺激器等，同時能夠集CMOS集成電路、MENS技術等為一體。人性化的設計則應從患者和臨床醫學診斷經驗的角度出發；數據的安全性、可靠性則要求在數據的射頻傳輸及存儲過程中有更多的軟硬件工具作為支撐，以及加強各種標準、規范的制定[24]。網絡化可使得遠程監護更便利，使得醫護人員及早發現患者的癥狀，及時地進行醫學干預而有利于提高患者康復幾率。

除了具有上述發展趨勢，未來的生物醫學電子還將很快地從醫院使用環境轉為家庭使用，使得醫生和家庭成員均能實時地掌握患者的情況和發展趨勢，可方便地鏈接到患者的電子病歷，了解其過去及當前的狀況[25]。UWB因具有高速率、低功耗、結構簡單等優良特性而容易滿足新一代生物醫學電子的發展需要。

5 結 語

UWB具有低功耗、結構簡單、高速率等優點，非常適合植入式、便攜式、穿戴式生物醫學電子系統的應用需求，因而成為近幾年UWB應用研究的一個熱點。本文對近5年來UWB技術在植入式、便攜式、穿戴式生物醫學電子系統的應用研究成果以及所面臨的關鍵技術、難點和發展方向做了總結分析，希望能對從事生物醫學電子系統和微電子等方面研究的人員提供一些幫助，推動我國電子信息在生物醫學領域的發展。

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