RF技术为可植入医疗器件带来新的通信方式

目前,在可植入医疗器件领域出现的新一类个人局域网络有望提高医疗保健的质量,并降低成本。

领先的医疗设备供应商Medtronic和Guidant公司都在开发将利用特定的400MHz RF频段与外部手持仪器通信的心脏植入器件。当植入器件侦测到异常情况时,外部仪器能自动通知医师,其作用实际上类似于一部专用的蜂窝电话。这两家美国供应商正在与一家德国的心脏植入器件制造商Biotronik进行竞争,据估计,Biotronik已经售出3,000颗这种器件。

这些前沿工作反映了以下趋势,即将植入器件所采用的通信技术由目前的磁感应耦合技术转换到射频网络技术。这项变革还将从心脏植入器件扩展到为生理问题提供早期诊断的一系列内置与外部器件和传感器。在此进程中,这些趋势可以为医疗电子产业的商用芯片创造新的市场机遇。

“所有主要的医疗器件制造商都瞄准了这个相同的研究方向。我们抢在竞争对手一年多前就开始着手这方面的工作,”Biotronik北美公司的工程师Robert Leong表示,他曾是该公司早期侦测系统开发团队的成员。

目前,Biotronik的某些心脏起搏器和除纤颤器使用医疗植入器件通信服务(MICS)的402至405MHz RF频段,该频段是由美国联邦通信委员会(FCC)在1999年确定的。Biotronik的CardioMessenger是一种条形可佩带设备,它集成了一个三频段GSM模块、SIM卡和专有的MICS模块,以自动报告植入器件侦测到的急性心脏病症状。

“如果能尽早发现这些症状,医生就可以挽救病人的生命或改善他们的生活质量,”Leong表示,“业界已经认识到,无线技术是从患者身上获取这些先兆信息,然后将它们传送给医生的一个途径。”

Biotronik的器件能监测十多种症状,如心脏顶部的心跳不均和底部的心律紊乱,它们可能是心脏病发作的早期迹象,因而需要新的治疗。“许多病人自己感觉不到这些异常,”Leong表示。

虽然FCC尚未为Guidant公司颁发MICS许可证,但这家公司准备不久后推出类似的心脏病治疗器件。“我们相信,该技术能够在全集成系统中工作,而且对医疗保健领域具有重要价值,”Guidant公司产品开发总监David Wood表示。

2002年11月,FCC已经授予Medtronic公司开发MICS产品的许可证。在向FCC提交的公开文件中,Medtronic描述了一个包含植入器件、台式编程器和可佩带监视器(供私人和临床使用)的无线通信系统。植入器件可同时与编程器和可佩带监视器通信；编程器能对一家医院范围内的多个植入器件编程。

Medtronic的通信系统工程总监Jos Donders透露,该公司将在年底前发布采用RF技术的产品。“通信领域变化非常迅速。但我们关注的是如何使医疗器件变得更鲁棒和可靠,”他说。align=RIGHT VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="Guidant的Wood:“RF技术对医疗领域具有重要价值。”">

Medical公司也正在考虑从磁耦合技术转向MICS标准,以突破目前数据速率小于50 kbps、通信距离仅限于几英寸的障碍。

在心脏病及其它医疗领域,RF通信技术的应用预计将不断增长。Biotronik公司的Leong预测:仅在美国,每年植入患者体内的心脏病治疗器件就将从2003年的30万增长到2008年的64万。“我们将看到,这种无线功能还可用于身体全面检查或糖尿病等其它疾病的治疗,”他表示。

此外,业界正在考虑双向通信。“现在,我们已经能够与置入体内的器件通信,并命令它执行任务。医师可以向器件发送信息,以开始实施新的治疗方案。不过,这引起了有关伦理和安全性的质疑,”Leong表示。

“在器件方面,某些收发器制造商已经声称在未来产品中支持MICS标准,但目前仍未供应任何产品,”Guidant的首席工程师Prashant Rawat指出。

不过,一家致力于神经系统科学研究的新兴公司正在为医疗器件开发用于通信的芯片组和IP内核。

“我们试图创建可用于众多产品的通用双向无线通信构造模块,”Sigenics公司的Glenn DeMichele表示,“我们的目标是提供这样的技术:神经科学家能够使用它们从对象读取数据,并向对象发送数据。思路是创造客户在设计系统级芯片时能根据需要进行整合和匹配的标准单元,所以设计复用对我们而言很重要。”

“迄今为止,业界还没有可植入无线通信的集成解决方案,因为这个市场不是太大,”DeMichele补充道。

根据自己的工作,DeMichele得出结论:磁耦合和RF技术将共存。“我看到一种混合方法正在浮出水面:磁耦合用于电源和控制,RF用于高带宽数据输出。”他表示。

Sigenics预计在6个月内发布一款感应耦合芯片组,并计划在9个月后推出一种带宽为15MHz、功耗约150毫瓦的RF模块。该公司的RF技术首先将用于为神经系统科学实验提供多通道宽带短距离通信链接。之后,它可能开发用于耳蜗(内耳)植入、马达控制和其它领域的RF和磁感应芯片组。

用于植入器件的RF技术可以在非常有限的频率里提供250kbps的速度,而磁感应子系统在2 MHz带宽的条件下,目前能提供最高达500kbps的速度,DeMichele介绍道。

“磁感应方案具有更高的功效,但提供的带宽更窄,”他指出。

的确,对可植入系统设计师来说,RF技术的额外功耗一直是最大的问题,因为他们设计的系统通常在使用一颗锂离子或聚合物电池的条件下,必须能工作5到7年。

另一个主要问题是要求发送的RF信号既要穿透器件的密闭钛封装,又要能通过人体组织。但OEM厂商正在解决这些挑战。

“我们能够在现有器件的尺寸限制下解决问题,而且不用损失任何系统性能,”Guidant的Wood表示。

Biotronik的Leong指出,在最坏的情况下(每天发送约10次信号),RF部分的功耗小于植入器件能量储备的2%。

不过,为了延长电池寿命和降低风险,Biotronik的植入器件仍采用磁耦合技术来连接医生的编程系统。Biotronik认为目前没必要使用RF技术取代该信道。

作者:麦利