医用植入体通信系统（MICS）的网络配置与技术要求

⃝⃝可在www.sciencedirect.com在线获取ScienceDirectICT Express 2（2016）188www.elsevier.com/locate/icte医用植入体通信系统（MICS）频带和网络配置综述放大图片作者：Mohd Noor Islama， Mehmet R. 宇策Ba澳大利亚纽卡斯尔大学电气工程与计算机科学学院澳大利亚维多利亚州克莱顿莫纳什大学电气与计算机系统工程接收日期：2016年7月20日;接受日期：2016年2016年9月6日摘要医疗植入体通信系统（MICS）是一种低功耗、短距离（2 m）、高数据速率、401该频段被探索用于设计移动和舒适的通信系统，以支持人类生活。本文回顾了MICS设备的现状，并根据世界各地不同频率管理机构发布的建议，总结了成功实现MICS网络的技术要求。c2016韩国通信信息科学研究所。出版社：Elsevier B.V. 这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。关键词：医疗植入通信系统（MICS）;植入器械;穿戴式器械;感应链路;协议1. 介绍数以百万计的人受到心脏病的影响，并患有慢性疾病，如疼痛，糖尿病和高血压。早期诊断慢性病很重要，这样医生就可以提供必要的医疗，患者可以在病情恶化之前改变生活方式，从而避免更复杂和昂贵的治疗。具有无线功能的有源植入设备可用于诊断和提供警告，以支持人类生命。不同的植入式装置，例如植入式心脏起搏器（ICD）、起搏器、神经刺激器、药物泵和巴氯芬泵已经用于人体。来自体外的控制对于不同的目的也是必要的，包括设备参数调整（例如，起搏速率），存储信息的传输（例如，存储的心电图），和真实的-*通讯作者。电子邮件地址：mohdnoor. uon.edu.au（M.N. 伊斯兰教），mehmet. monash.edu（M.R. Yuce）。同行评审由韩国通信信息科学研究所负责。本文是题为《新兴市场医学诊断技术由Ki H.Chon，Sangho Ha，Jinseok Lee，Yunyoung Nam，Jo Woon Chong and Marco DiRienzo.在短时间段内及时传输生命监测信息（例如，植入手术期间的心脏性能）。感应链路是在程控仪/控制器（体外）和植入器械之间提供通信的常规方法。然而，该通信系统具有若干限制。例如，两个线圈（一个在体内，另一个在体外）之间的最大间距不得超过6 cm。因此，身体外部的线圈应保持靠近或接触身体。由于数据速率也非常低（大约100 kbps），数据传输速率非常低传输需要很长时间。通常，患者必须保持不舒服的姿势以允许适当的交流。此外，具有植入器械的患者应避免可能源自在相同环境中运行的其他电场、MRI机器和移动通信器械的不必要激活。此外，干扰是基于感应链路的医疗通信系统中的重要问题，因为在相同频带中存在其他通信系统。为了避免感应链路通信所施加的限制，已经提出了用于医疗植入通信系统（MICS）的401-406 MHz的通用射频（RF）频带，其核心频带为402-405 MHz。该带在人体内具有良好的导电性，http://dx.doi.org/10.1016/j.icte.2016.08.0102405-9595/c2016韩国通信信息科学研究所。Elsevier B. V.的出版服务。这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4. 0/）。M.N. Islam，M.R.Yuce/ICT Express 2（2016）188189Fig. 1. 完整的MICS通信网络。更高的数据速率和高达2m的通信范围。MICS网络包括被称为植入设备（IMD）的植入体内的设备或被称为身体穿戴设备（BWD）的放置在身体上或可穿戴的设备以及程序/控制器（P/C）。在MICS网络中，IMD执行感知和治疗功能，P/C除了从植入器械收集数据外，还用于向植入器械再现和发送命令P/C还可以因特网），用于远程控制和监视病人状况。一个完整的网络配置的MICS是如图1所示。患者和医生可以在2米范围内监测植入的器械此外，P/C单元可以通过利用现有的通信系统以更长的距离将从植入设备收集的数据植入物还可以经由无线通信链路从健康专业人员接收命令。MICS波段的高级摘要已在[1]中介绍;本文涵盖MICS收发器，包括相关规则和条例。在本文中，我们提出了一个广泛的评估的规则和法规，已提出了不同的频率管理机构。我们还详细讨论了MICS设备和网络，包括与实施相关的挑战。2. 公司简介自1980年以来，感应链路已用于植入器械和程控仪之间的无线通信[2]。双线圈初级线圈和具有低频传输的次级线圈用于激活植入器械和数据通信。这种通信系统有几个局限性。在过去十年中，引入了402-405 MHz的核心频带RF频率以及401-402 MHz和405-406 MHz的两个翼频带作为MICS频带。这个乐队被提出用于IMD或BWD与P/C之间的通信，以克服传统的基于感应链路的医疗植入通信系统的限制该频段与其他几个国家用于气象辅助设备（MetAids）、地球探测卫星和气象卫星的通信设备共享。1998年，国际电信联盟（ITU）- R在建议SA 1346 [3]中建议MICS和MetAids共享4011999年7月，美国美国联邦通信委员会（FCC）提出了在402-405 MHz频率范围内工作的MICS频段，以允许新的超低功率医疗植入器械（如心脏起搏器和除颤器）MICS是一种未经许可的移动无线电服务，用于传输数据，以支持与医疗植入器械相关的诊断和治疗功能。在FCC提出这一建议后，其他国家也考虑了这一频段。2003年10月，澳大利亚通信协会（ACA）提出了MICS和相关设备的计划[5]。ACA根据ITU-R建议[ 3 ]和其他国际监管安排，引入了监管安排，支持MICS设备在无保护、无干扰的基础上在402-405 MHz频段运行在澳大利亚，403允许在403-405MHz频段内操作医疗植入器械，以提供与国际安排的一致性然而，ACA避免了此类MICS设备从海外进入澳大利亚可能产生的法律技术问题，即使只是暂时的。2002年，英国无线电通信公司机构[6]支持在402-2008年，在第五届APT无线论坛会议上，中国、香港、日本、韩国、马来西亚、新西兰、菲律宾和越南同意根据ITU-R的建议[ 3 ]使用402-2006年，欧洲电信标准协会（ESTI）的电子通信委员会2007年[9]和2009年[10]ESTI发布了文件，其中包含分别使用401-402 MHz和405-406 MHz以及402-405 MHz频段的植入器械的ESTI将IMD或BWD定义为超低功率有源医疗植入物（ULP- AMI），将P/C定义为超低功率有源医疗植入物外围设备（ULP-AMI-P）。2009年，FCC还在401-402 MHz和405-406 MHz的相邻“翼”频段的新频谱中增加了2 MHz，总而言之，5MHz连续频谱将在二次和无干扰基础上用于先进的无线医疗通信设备。最后，在2010年2月，加拿大工业部提议将401-406 MHz频段用于190M.N. Islam，M.R.Yuce/ICT Express 2（2016）188±表1MICS网络发送器/MedRadio的参数。MICS设备频率（MHz）授权最大信道带宽（kHz）调制频率稳定性不同发射机类型1和类型2频率监控低功耗、低占空比）（无LBT/AFA）也不例外频率监测（带LBT/AFA）最大发射功率占空比（小时）IMD，BWD，P/C401.85-402(onlyFCC[11]）150 FSK [3] 100 ppm（.01%）适用于25℃至45℃（IMD）和0℃至55℃（P/C和BWD）≤25 µWEIRP≤ 0。百分之一401-402 100 ≤ 250 nW EIRP ≤ 0. 1%≤25 µWEIRP402-405 300 ≤ 100 nW EIRP a ≤ 0. 01%≤25µW EIRP405-406 100 ≤ 250 nW EIRP ≤ 0. 1%≤25 µWEIRP身体穿戴设备(i) 体外穿戴式手术仅限于评价完全植入的永久性医疗器械的有效性，该器械预期用于替代临时性穿戴式器械，(ii) 在患者评估期（不得超过30天）后，必须停止外部器械的FR传输，除非医疗保健从业者确定由于不可预见的情况需要额外的时间，(iii) 临时体戴式器械的最大输出功率不得超过200 nW EIRP，以及（iv）临时体戴式器械必须完全符合适用于402-405 MHz频段内医疗植入器械操作的所有其他MedRadio规则表2测试MICS发射机的参数传输功率等效辐射距离器械3 m处的场强（mV/m）开阔试验自由空间测试，如全消声测试室25 µWEIRP18.29.1250 nW EIRP1.80.9100 nW EIRP1.20.63. MICS波段发射机目前，允许MICS设备在401-406 MHz的频带中操作。对通道带宽、输出功率电平和占空比的一些限制被指定，以避免与其他服务的意外干扰提出了两种类型的MICS设备：（i）低功率、低占空比，不具有先听后说（LBT）/自适应频率灵活性（AFA），以及（ii）具有LBT/AFA的高功率[8，11]。LBT是一种频率监测系统，建议用于在MICS频带内选择可用频谱。AFA技术应用于提供移动到所选频率进行操作的能力。MICS设备的最大通道带宽被确定为载波中心频率两侧点之间的信号宽度，该载波中心频率相对于调制发射的最大电平下降20 dB。表1显示了两种类型的器件及其信道带宽、传输功率限制、频率稳定性和占空比限制。该表总结了FCC [11]、ESTI [9，10]、ITU-R [3]和几个国家对MICS设备提出的限制。只有FCC[11]允许401.85-402 MHz具有更高的使DexCom更高的功率也为其他制造商设计该频段的医疗器械提供了灵活性。在使用任何MICS设备之前，必须测试其辐射发射和有效各向同性辐射功率（EIRP）限值对于不同的发射功率（即，EIRP）水平。可接受值见表2。应根据[13]中BWD和P/C的测试设置方法在IEEE无线电噪声发射测量方法标准[14]中进行了解释在MICS网络中，P/C和IMD之间的通信介质由空气、皮肤和脂肪组织组成。它在设计MICS器件时，考虑介质中传播引起的损耗非常重要在[15]中提出了MICS频带的统计路径损耗模型IEEE802.15体域网工作组TG6也采用了该模型。其他链路参数，如噪声系数、极化损耗、衰落损耗、噪声容限、天线增益和SNR，M.N. Islam，M.R.Yuce/ICT Express 2（2016）188191在MICS发射器/接收器设计中考虑。关于这些参数的更多信息可以在ITU-R建议[3]中找到。4. MICS网络MICS与其他服务共享MICS频段，包括MetAids、地球探测卫星和气象卫星。地球探测卫星和气象卫星具有从地球到太空的通信链路，而MetAids则从太空到地球进行通信。MICS接收机可能会受到气象发射机的干扰FCC [4]、[11]建议MICS设备不应成为MetAids的来源;相反，该设备必须考虑来自MetAids的干扰，因为MICS使用401另一方面，在监测患者的医疗状况时，不得中断医疗植入体通信链路。因此，干扰抑制对于成功的MICS网络至关重要。SA 1346 [3]和ACA [5]中的ITU-R表明，计算MICS器械和MetAids器械之间的最大距离，以使干扰效应最小化。此外，ITU-R [3]对干扰进行了分类（脉冲、窄带和宽带），并提供了消除这些干扰源的方法脉冲干扰可以通过ARQ（自动请求重传）技术或FEC（前向纠错）技术来克服。LBT/AFA可以用来克服窄带干扰。无线电探空仪的典型传输带宽为300 kHz，至少10个无线电探空仪必须位于1公里内，以干扰也使用300 kHz带宽的MICS网络。宽带干扰器可以使整个通道（402-405 MHz）不可用。这种情况可以通过两种方式缓解。其中之一是使物体表面的信号强度比2米处的信号强度强约1000倍第二种方法是将低频电感耦合技术与MICS收发器一起使用。除了干扰缓解之外，确保患者安全也至关重要。发送到植入器械和从植入器械接收的所有数据均应正确。MICS设备可以使用多种错误检测技术，例如[3]中提出的技术。首先，序列号和地址可用于识别所有通信链路。第二，循环冗余码（CRC）可用于验证所有传输的数据。第三，有限的有效命令集可用于每个操作。5. MICS网络到目前为止，还没有专门为MICS网络设计的媒体访问控制MAC协议对于允许MICS设备在同一频带中的其他设备内进行通信是必要的。为了避免干扰，MICS器件可以在低占空比的低功率下工作，也可以在LBT/AFA的高功率 下工 作。FCC 已 经提 出了 用于 在MICS 网 络中 使用LBT/AFA在MICS网络中只有P/C将具有监测系统并将启动通信会话，但任何医疗植入事件（紧急或时间关键数据）除外。P/C的监视单元将在发起通信会话之前的5秒内检查所有信道，以识别空闲或干扰最小的信道（LIC）。每个通道将检查10 ms。通过比较使用等式计算的阈值来确定空闲通道。（一）.10 logB （ Hz ） − 150 （ d Bm/ Hz ） +G （ d Bi ）（ 1）其中B是最大信道带宽，G是给定设备的天线增益。如果任何空闲信道不可用，则通信会话将使用LIC选择空闲或LIC通道后，P/C和IMD/BWD将使用AFA技术切换到空闲或LIC通道。如果通信会话中断，则存在切换到备用信道的可选规定。备用信道是在信道监视会话期间确定的下一个可能的空闲信道。然而，在切换到先前固定的备用信道之前，P/C必须再次检查备用信道只要连续数据传输突发之间的任何静默时段不超过5s，通信会话就可以继续。Medtronic Inc.和Biotronik Inc.已经制造出了在MICS波段工作的医疗植入设备。他们的协议细节尚未披露。与此同 时 ， 许 多 研 究 者 已 经 将 Zigbee 应 用 于 无 线 体 域 网（WBAN）.为WBAN提出的MAC协议使用载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）、时分多址（TDMA）或CSMA和TDMA的这些用于WBAN的MAC协议在[16]和[17]中进行了审查。IEEE 802.15.6仍在研究WBAN应用。这些活动表明，MICS网络需要一个MAC协议，在使用MICS频带时，该协议将遵循监管机构提出的规则和限制6. 单向遥测本质上，MICS频带支持双向通信。单向遥测医疗植入系统在一个方向上提供从植入设备到外部监测接收器的周期性数据传输。这些设备也被设计为在402-405 MHz频段内工作，尽管它们通常不使用自适应频率捷变（AFA）技术来执行干扰缓解。2000年4月，单向遥测植入装置的操作最初在美国得到支持。然而，由于发射机对其他服务的干扰风险，FCC于2003年2月决定撤销这一授权。同年，美国的两家公司Biotronik Inc.和Doxcom，向FCC发送请求，要求放弃对单向遥测设备使用MICS频段的限制[18]。在2004年和2006年，FCC批准使用单向遥测技术，192M.N. Islam，M.R.Yuce/ICT Express 2（2016）188−−8. MICS设备和网络在 403.65 MHz （ 300 kHz ） （ 对 于 Biotronik 器 械 ） 和402.142 MHz（120 kHz）（对于Dox- com器械）的低功耗、低占空比基础上，持续数年，以遵循针对MICS频段使用提出的规则[11]。尚未建立专门支持在402-405 MHz频段使用单向遥测植入器械的欧洲监管安排。在英国，尚未做出支持在MICS频带中使用单向遥测植入器械的具体安排[6]。ACA尚未引入支持使用单向遥测设备的监管安排[5]。因此，单向遥测通常不支持作为MICS频带网络。7. MICS网络流量病人可以在家里、旅行时或医院接受监测。必须监测的参数数量取决于患者所例如，当患者患有糖尿病时，可以植入胰岛素扩散器以监测血糖并控制血液中的糖水平。类似地，患有心脏问题的患者可以植入心律转复除颤器以监测和调整他们的心率。另一方面，如果患者在重症监护室（ICU）中，则同时监测不同的生理信号，诸如血压、体温、呼吸率、心率、ECG和EEG。表3中示出了不同感测参数所需的数据速率。医疗器械的流量分为三种不同的方式，即，恒定比特率（CBR）、用于体域网应用的信号以三种不同的方式分类，即，按需、紧急和正常[21]。在MICS频带中，来自植入器械的网络数据传输必须经过通道监测过程，并且不允许单向遥测。P/C必须监测通道以找到空闲通道，然后将启动与植入器械的通信会话在自由通道中，医疗植入事件（紧急或时间关键数据）除外。在这种情况下，植入设备立即传输数据，而不执行任何通道监测过程。因此，在MICS频带中存在两种基本类型的业务，即，按需和紧急。不同的公司一直在设计医疗植入装置，如美敦力公司，Biotronik Inc.，St. Jude Medical、Boston Scientific和Cameron Health。目前，数百万人正在使用这些公司设计的设备一些公司正在制造具有感应链路的设备，其中一些使用2.4 GHz ISM频段。使用MICS RF频段，Biotronik Inc.和Medtronic Inc.已经发布了已使用的家庭监控系统（在美国 和 世 界 范 围 内 ） [22] 。 目 前 ， 超 过 1700 家 诊 所 和Concerto心脏除颤治疗除颤器（CRT-D）和Virtuoso植入式心脏除颤器（ICD）是首款采用Medtronic专有ConexusTM无线遥测技术的植入式心脏这些器械是使用MICS频段开发的，可在植入器械与临床医生程控仪和患者家庭监护仪之间实现2 - 5米范围内的可靠通信。Zarlink Semiconductor Inc [23]研制了两种402-405 MHz频段的MICS收发机（ZL 70101和ZL 70102）。这些设备是商业上可获得的收发器，设计为在MICS频带中工作。这两款设备都在唤醒电路中使用2.4 GHz ISM链路。该收发器允许用户通过改变灵敏度从各种数据速率中进行选择，例如200 kbps（灵敏度<20 µV）、400 kbps（<35µV）和800 kbps（<90 µV）。为了实现这种灵活性，系统使用200或400 ksymbols/s的两个FSK或四个FSK调制[24]，[25]。Zarlink Inc.介绍了这些用于植入式设备的收发器，还有其他几个商用收发器从德州仪器和RFM，覆盖MICS的频率带。表4列出了与我们的医疗植入通信调查相关的收发器列表，包括其功耗、数据速率和物理尺寸。目前正在进行的学术项目是开发新的MICS设备。例如，Seungkee Min et al.在[26]中提出了一种MICS波段二进制频移键控（BFSK）收发器，具有少量外部元件，使用唤醒接收、正常接收和发送模式。开关键控（OOK）唤醒接收器的灵敏度在50 kbps时为80 dBm，而BFSK接收器的灵敏度为97 dBm，75 kbps信号和2 mW功耗。其他设计（如[27-29 ]中的设计）提供了MICS收发器架构及其基本部件，包括压控振荡器（VCO）和FSK调制。J. Bee等人[30]设计并实现了一款兼容MICS的FSK收发器，该收发器采用0.18 µmCMOS技术，在250 kbps的数据速率下功耗为49µW9. 多指标类集调查网络这项工作提出了一个详细的概述多指标类集调查波段和限制其使用。现状表3不同流量的数据速率。感测参数数据速率参考心率1个样本/秒或600 bps[19个]医学图像2.4mbps的[19个]血压1.2 kbps[20个]体温1采样/秒至16 kbps[19个]呼吸频率240[19、20]spo2的32 kbps[19个]EMG600 kbps[19个]EEG4.2[19个]ECG1.2[19个]M.N. Islam，M.R.Yuce/ICT Express 2（2016）188193表4收发器的比较型号和公司频率（MHz）数据速率（kbps）最大电流消耗物理芯片尺寸（mm×mm）Rx（mA）Tx（mA）CC 1101（TI）387–4640.6-60014.7 34.4四、3× 4。3CC 1000（TI）300–100076.811.8 26.7第九章六乘六。4CC1010（TI）300–100076.89.1 26.612× 12CC1110（TI）391–46450016.2 15.2第六章3× 6。3ZL70101（Zarlink）402–405800/400/2005 57× 7TRC 105（RFM）300–5102002.7 2.75× 5的MICS设备和几个网络问题进行了讨论。本文档将帮助在医疗植入通信和体域传感器网络领域工作的设计人员和研究人员;它可以为设计满足MICS频段和MICS网络要求的安全可靠的医疗植入通信系统提供快速指南。在设计一个成功的多指标类集调查网络方面存在一些挑战。一种低功耗可靠MAC协议，可满足MICS频段使用的规则和限制对于同时从不同的植入式和身体穿戴式设备收集数据至关重要。需要具有高数据速率的小尺寸天线设计和低功率收发器设计。此外，建议这些无线设备实现FCC规定的频率监测能力。利益冲突作者声明，本文中不存在利益冲突引用[1] H.S. Savci，A. Sula，E. Arvas，MICS收发器：监管标准和应用，在：SoupheCon的Proc.，2005年4月，pp. 179-182.[2] P. 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