UWB在生物医学电子中的应用研究进展

韦保林　徐卫林　韦雪明　段吉海

摘 要： 在介绍UWB技术在植入式和体外生物医学电子系统中的应用研究成果及进展的基础上，分析其在生物医学电子系统中广泛应用所面临关键技术、难点以及可能的解决方法；最后讨论了生物医学电子系统的发展方向，使UWB在生物医学中所需要研究的问题和方向更加具体化和明确化。

关键词： 超宽带技术； 生物医学电子系统； 植入式电子系统； 无线体域网

中图分类号： TN99?34 文献标识码： A 文章编号： 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

生物医学电子系统是综合电子信息、通信、计算机、传感器等技术以用于解决生物医学中的问题，从生命体本身的特殊性出发来研究生物医学信号的检测、处理、通信、显示与记录等的设备；实现对生命体的生理、生化参数进行测量，对疾病进行诊断、治疗，或改善生物体生存、健康质量等功能。近年来，随着通信技术、计算机科学、传感器技术以及微纳电子技术等领域的研究不断取得突破，生物医学电子系统正朝着集成化、微型化、无线化及智能化等方向迅速发展，体现在生物医学传感器、生物医学信号处理、植入式电子系统、无线体域网（WBAN）及现代远程监护系统等各个方面[1]；同时，随着技术的进步、老龄化社会的到来以及人们生活水平的不断提高，各种应用需求应运而生。

当前，有多种无线通信技术应用于生物医学电子系统的无线通信中，如工作于902～928 MHz或2.4～2.483 5 GHz等的ISM（Industrial Scientific Medical）频段、工作于402～405 MHz 频段的MICS （Medical Implant Communications Service）等。这些频率范围能满足大多场合下的尺寸、功率、天线特性及接收机设计的要求，且不会对其他频道产生干扰。

但是随着医学技术的发展及各种应用的需要，越来越多的生物医学电子设备需要更小的体积、更低的功耗、更高的传输速率以及更持续有效的供电方式以保证设备能够长期持久工作，上述无线通信技术远远不能满足这些应用需求。工作于3.1～10.6 GHz 的超宽带技术（UWB）因其收发机结构相对简单、数据传输速率较高、功耗低等，具有能满足生物医学电子设备的上述严格要求的潜力而成为近几年其在该方面应用研究的一个热点[2?8]。

本文在总结介绍国内、国际上有关UWB技术在生物医学电子系统的最新应用研究进展的基础上，讨论了其系统实现的关键技术及难点，并分析其发展方向。

1 植入式UWB生物医学电子

植入式生物医学电子系统是21世纪生物医学电子发展的一个重要的方向，也是2010年美国《技术评论》杂志评选出的10项可能改变世界面貌的方兴未艾的技术之一；大规模集成电路技术及微加工技术水平的提高为其飞速发展带来了契机。植入式电子系统可置于生物体或人体内，用于测量生命体内生理、生化参数的长期变化及诊断、治疗某些疾病，实现在生命体无拘束自然状态下体内的直接测量和控制功能，或代替功能已丧失的器官[9]。常见的植入式电子设备主要应用于心脏起搏器、神经遥测器、人工耳蜗、植入式视网膜以及自动给药系统、假肢控制及体内生化指标测量等方面。

越来越多的植入式生物医学电子设备需要体积更小、功耗更低、速率更高，如胶囊式内窥镜的速率要求达10 Mb/s以上、多通道神经信号记录系统的速率要求达100 Mb/s或更高。但当前工作于402～405 MHz MICS频段植入式电子系统传输速率只能达到800 Kb/s，而且该技术属于窄带通信系统，需要复杂的收发机结构，包含中频级、混频器、本机振荡器等等，其功耗、集成度远远不能满足要求。

基于UWB具有相对简单的收发机结构而易于获得小体积和低功耗及其相对较高的数据传输速率，其应用于植入式生物医学电子设备的研究逐渐凸显出迅猛的发展势头。国内外很多公司、医院、大学、研究所等机构正积极开展此项研究。法国施乐公司的GHILDIYAL A等于2008年开始对UWB频段信号在人体组织内的传播特性进行研究，证实了UWB在5～10 cm短距离植入式生物医学电子设备通信中应用的可能性[4]。挪威奥斯陆大学医院、挪威科技大学与加拿大大不列颠哥伦比亚大学合作，采用人体异类解剖学模型进行仿真，第一个建立了体内植入式的UWB通信信道传播特性模型[5]；该统计模型详细描述了1～6 GHz UWB信号在人体内的路径衰落、衰落阴影、信道冲激响应、多址分量及其时延等，为人体植入式UWB通信系统的设计提供了理论依据。KHALEGHI A等通过数字电磁场仿真得到消化道内胶囊内窥镜的UWB信道特性，并设计了一个应用于胶囊式内窥镜的IR?UWB发射机及相应的UWB相关接收机，其系统结构如图1所示[2]。

除此之外，尚有不少针对植入式生物医学应用的UWB无线通信系统或芯片，这些主要应用于植入式视网膜、神经记录仪、内窥镜、无线体域网等[10?13]。如YUCE M R等所设计的IR?UWB系统芯片主要针对植入式神经记录仪以及多通道人体无线遥测监护系统[13]。该系统已通过盐焗牛肉做植入式的通信测试；犹他州立大学的LUO Yi等则主要针对UWB在植入式视网膜等皮下植入应用进行研究[10]。

2 体外UWB生物医学电子

结构简单、高速率、低功耗的UWB对体外应用（特别是体表应用）的生物医学电子系统也非常具有发展潜力。简单的收发机结构和相对较低的功耗使得UWB系统容易实现微型化，满足便携或可穿戴的需要。UWB在体外生物医学电子系统的应用研究主要体现在无线遥测监护系统、多通道神经信号记录仪、无线体域网（WBAN）、人体传感器网络等。

澳大利亚莫纳什大学的YUCE M R等提出了一个采用UWB进行收发的人体生理参数远程监护WBAN系统[14]，如图5（a）所示，脑电信号（EEG）、心电心号（ECG）、体温等生理参数通过置于体表的UWB传感器节点传送到近距离网关（body control unit， BCU），BCU再通过无线方式将数据传送到远程接收设备，然后通过互联网连接到远程监护端。置于体表的传感器节点由于采用UWB收发，因其结构简单、功耗低，故体积较小、便于携带，如图5（b）所示，其系统电路板体积仅为25 mm×27 mm×1.5 mm。

加州大学圣克鲁兹分校的CHAE M S等在美国国防部高级防御研究计划局（DARPA）、美国国家半导体公司等的资助下，采用0.35 mm CMOS工艺成功设计了采用UWB收发的多通道神经信号记录系统[3]，如图6所示。该系统具有8个16通道前端记录模块，以及棘波检测及特征提取数字信号处理模块、模/数转换模块（ADC）、UWB发射模块等；其UWB收发机工作在3.1～5 GHz频率范围，通过活体细胞外进行神经探测测试，系统传输速率可达90 Mb/s，功耗仅为6 mW，其中UWB发射部分功耗仅为1.6 mW，芯片面积为8.8 mm×7.2 mm。

加拿大多伦多大学的ABDELHALIM K等针对神经疾病监护治疗的需要，采用0.13 mm CMOS工艺设计了一种64通道UWB无线神经向量分析仪SoC芯片[15]，其系统框图如图7所示。该SoC芯片包括64路含有开关电容可调滤波器的神经记录放大器、64路8位SAR ADC、64路16阶可编程FIR滤波器、一个三核CORDIC处理器、64路双波段电流刺激通道、1 KB存储器以及一个3.1～10.6 GHz UWB无线发射机，芯片面积仅为4 mm×3 mm。该系统已通过人体活体神经测试实验，在工作电压为1.2 V的情况下，功耗仅为1.4 mW；在10 Mb/s传输速率下，误码率仅为[5×10-5]。

此外，尚有不少有关体表生物医学应用的UWB无线通信系统或芯片，除可实现上述功能外，还可用于乳腺癌、乳腺瘤检测[16?17]，呼吸活跃程度监测[18]，医学成像[19]，脑电信号机接口或脑监护[20]等。

3 关键技术和难点

近年来，虽然UWB技术在植入式或体表生物医学电子方面的应用研究取得了不错的进展，但是UWB技术在生物医学电子系统的广泛应用仍面临诸多关键技术和难点的挑战，主要表现在以下几个方面：

（1） UWB天线设计技术。多年来，虽然不少科技工作者对UWB天线的设计技术进行不懈地研究并取得了不凡的成果，但是适合生物体表或体内应用的小型化、宽频带UWB天线仍然是UWB技术在生物医学电子系统中广泛应用所面临关键技术之一。这主要源于以下两个原因：首先，体表或植入式生物医学电子系统要求其体积尽量小，以便于携带或植入，而天线的体积是影响系统体积的一个重要部分；其次，生物体具有一定的电磁介质特性，对体表或植入使用的天线特性会产生一定的影响[21]。对于植入式应用而言，不仅要求天线体积非常小，而且植入后不能保证天线的位置和方向固定不变（如胶囊式内窥镜），这对天线的方向性提出了更高的要求；此外，由于生物体电磁特性的影响，故其相当于天线的一部分，对天线相当于一个屏蔽器，给天线设计带来一定的难度[21]。

（2） 硬件系统的低电压、低功耗设计。不管是植入式还是体外UWB生物医学电子，均要求采用尽可能低的电压和功耗来实现系统，以减小因电源引入的系统体积，最大限度地延长系统的可持续工作时间。不论是电路板级还是芯片级的系统设计，低电压、低功耗实现始终是设计者们追寻的目标之一，也是设计的一大难点。对于UWB无线收发机模块，如果系统不需要复杂的寻址接入，可采用IR?UWB收发形式，其系统结构相对简单，有利于降低功耗。此外，还可通过选择适当的调制、解调方式以及编码方式来降低功耗，比如采用Manchester编码等，再比如OOK和PPM调制可便于采用结构较为简单的非相关接收机进行接收，有利于降低功耗、提高接收机的能量效率，而OOK调制只需在发送码元1时产生UWB脉冲，故其功耗更低[13，22]。

（3） 系统能量的供给。能量供给单元是生物医学电子系统的核心部分，它是确保系统长期稳定工作的必要前提条件。目前在生物医学电子系统中大量采用电池供电方式。电池有体积较大、寿命有限等缺点，这对体外电子设备的应用不会产生太大障碍，但却给植入式应用带来不少的困难。对于植入式设备可采用电磁耦合方式供电，即采用面对面的空心感应线圈进行能量传输，但该方法一般工作于低MHz级频率，需要较大的线圈。当前研究者们还提出了自供电的概念，就是使电子系统自动地从其周围环境中收集能量为其自身所用，如射频能量收集、温差供能、生物电供能等[23]，但这些技术目前尚未成熟，有待于进一步探究。

（4） 系统测试。由于测试的复杂性及测试环境的特殊性，UWB生物医学电子的系统测试也是当前的一个难点，特别是针对人体植入式系统而言[2，8]。在早期生物医学电子的UWB信道模型研究中，由于测试和仿真的复杂性，一般采用电磁特性和色散特性与人类组织相近的材料建立人体仿真模型，通过测试仿真模型内的相关电磁作用量来进行信道模型研究；或者采用人体截面图像进行重构获得3D人体电磁模型，用于电磁仿真得到UWB信号的人体信道模型[2]。在UWB植入式硬件系统的测试中，可采用将系统置入猪肉、牛肉等动物肌肉中进行测试[13]，但该方法所采用的生理组织比较单一，不能反映UWB系统在多层生理组织下的植入情况；此外，还可将UWB系统置于动物（比如猪、兔等）活体中进行实际的植入式测试[8，15]，但活体动物的体积、形状、电磁特性等跟人体有一定的差异。

4 发展趋势

伴随着半导体微电子技术、微加工技术以及计算机、网络、通信等技术的提高，生物医学电子设备的发展可谓日新月异。未来生物医学电子的主要发展趋势是便携化、小型化、可连接性、人性化以及安全可靠化[24]；此外，网络化、远程化、智能化以及自供电功能等也是其发展的重要方向。这要求系统具有超低功耗的电子线路、高效的能量收集器及电源管理系统、精确的生物信号传感/刺激器等，同时能够集CMOS集成电路、MENS技术等为一体。人性化的设计则应从患者和临床医学诊断经验的角度出发；数据的安全性、可靠性则要求在数据的射频传输及存储过程中有更多的软硬件工具作为支撑，以及加强各种标准、规范的制定[24]。网络化可使得远程监护更便利，使得医护人员及早发现患者的症状，及时地进行医学干预而有利于提高患者康复几率。

除了具有上述发展趋势，未来的生物医学电子还将很快地从医院使用环境转为家庭使用，使得医生和家庭成员均能实时地掌握患者的情况和发展趋势，可方便地链接到患者的电子病历，了解其过去及当前的状况[25]。UWB因具有高速率、低功耗、结构简单等优良特性而容易满足新一代生物医学电子的发展需要。

5 结 语

UWB具有低功耗、结构简单、高速率等优点，非常适合植入式、便携式、穿戴式生物医学电子系统的应用需求，因而成为近几年UWB应用研究的一个热点。本文对近5年来UWB技术在植入式、便携式、穿戴式生物医学电子系统的应用研究成果以及所面临的关键技术、难点和发展方向做了总结分析，希望能对从事生物医学电子系统和微电子等方面研究的人员提供一些帮助，推动我国电子信息在生物医学领域的发展。

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