可以消除糖尿病患者抽血的必要性的植入式可穿戴醫療監測技術

可以消除糖尿病患者抽血的必要性的植入式可穿戴醫療監測技術

摘要：糖尿病是一種使人衰弱的疾病，全世界大約有3億6600萬人。它今天的治療要求病人定期進行自我血糖測量，通過穿刺皮膚來抽血。這是一個痛苦的過程，不斷重復，有助于病人的痛苦。那么，如果證明射頻技術可以消除抽血的必要性呢?近場通信(NFC)是一種射頻協議，用于在接近或接觸的設備之間交換數據(相距10厘米)。由于Android操作系統在智能手機和平板電腦上的支持，現在它已被廣泛采用。

糖尿病是一種使人衰弱的疾病，全世界大約有3億6600萬人。它今天的治療要求病人定期進行自我血糖測量，通過穿刺皮膚來抽血。這是一個痛苦的過程，不斷重復，有助于病人的痛苦。

　　那么，如果證明射頻技術可以消除抽血的必要性呢?近場通信(NFC)是一種射頻協議，用于在接近或接觸的設備之間交換數據(相距10厘米)。由于Android操作系統在智能手機和平板電腦上的支持，現在它已被廣泛采用。

　　例如，醫療設備制造商正在研究在糖尿病患者的皮膚下立即植入一種微型的NFC型血糖傳感器的潛力。傳感器可以隨時讀取，只需手持一個Android手機或平板電腦運行一個專用的應用程序旁邊的植入物。

　　主機設備可以自動向病人的醫生上傳讀數。它也可以被編程，提醒病人定期閱讀，并提醒醫務人員，如果病人沒有采取預定的閱讀。

　　一個NFC功能的傳感器是這個應用程序的理想選擇，因為：

　　它不需要外部電源，因為傳感器接口工作在從NFC讀取器輸入的rf發射中獲得的能量上。

　　它是快速和方便的，因為傳感器對主機設備立即和自動。

　　這是微小的

　　它是便宜的

　　這個植入式血糖測量的例子展示了這種新型的NFC功能傳感器的前景——但事實上，這種設備類型可以在許多市場部門中的數百個應用中使用。

　　具有NFC功能的傳感器的體系結構

　　一種支持NFC的傳感器是一種RFID標簽，它包含一個傳感器接口(用于調節和數字化傳感器的輸入信號)。與其他RFID標簽一樣，它有一個唯一的ID，它允許用戶驗證對象的起源。然而，它也可以驗證對象暴露的環境條件(見圖1)，或者提供其他類型的測量，如植入傳感器的生物數據。

　　將傳感器獲取的數據添加到標簽上不會改變通信的基本方法：當標簽接近RFID讀取器或具有專用應用程序的NFC功能的電話時，可以讀取唯一的id和傳感器數據。

　　當然，還有其他方法來實現無線傳感。今天很容易將傳感器連接到一個對象上，將其連接到微控制器和rf收發器，以便在智能傳感器和讀取器之間建立無線通信。

　　用NFC功能的傳感器實現這個功能提供了一個更簡單的系統設計，并提供了一個更靈活的電源管理方法。事實上，對于相對低的數據速率和短距離應用，NFC是一項非常有吸引力的技術：

　　NFC使兩個設備之間的直觀、簡單的交互，因為它們只需要相互接觸。

　　建立一個NFC鏈路只需要一小部分，而其他系統通常需要幾秒鐘。

　　NFC具有低功耗要求，支持非常長的電池壽命和實現完全沒有電池。

　　NFC應用的系統成本較低，因為該技術不比用于無線傳感的競爭技術復雜，如ZigBee或藍牙低能量。

　　因為NFC通過近場耦合，它不會受到竊聽和干擾

　　NFC系統可以依靠現有的基礎設施——通常，系統實現只需要為主機設備創建應用程序。

　　在完全被動(無源)模式，NFC功能的傳感器獲取能量從傳入的射頻輻射(來自讀者)功率傳感器接口和射頻傳輸。在半被動(電池輔助)模式下，啟用NFC的傳感器可以在需要自治和長期監控的應用程序中獨立運行。或者，它可以為傳感器提供用戶控制的板載電源。

　　感覺標記的生命可能包括兩種模式的操作：半被動直到電池耗盡，然后是被動模式。(數據存儲在非易失性存儲器中，當設備不供電時保留)。

　　完全被動模式下的操作

　　對RFID系統的操作的一個基本原則是標簽得到所有的能量重新奎雷斯由閱讀器產生的磁場。在一個NFC功能的傳感器，這個收獲的權力(通常約4毫安在3.3 V)也可用于功率傳感器。即使所獲得的能量對于傳感器來說是不夠的，例如，如果標簽有一個小天線，或者與讀取器距離很長，則可以在測量之前加上一個電容器的小補充電源，并且在測量期間從中提取功率。

　　在完全被動模式下啟用NFC功能的傳感器，可以讓設計工程師將他們的想象力展現在一個新的可能性范圍內。標簽的生命周期在理論上是無限的，它不需要有線連接。因此，這些感官標簽可以嵌入，例如，內部結構，如墻壁和密封的產品。可以想象，建筑商在供水管道或廢水排水管道旁的墻壁或地板上嵌入一個新的NFC功能的濕度傳感器。這將有助于及早發現今天的泄漏，直到它們對結構造成嚴重損壞為止。

　　半被動模式運行

　　半無源標簽包括車載電源，通常是電池，以支持標簽和傳感器操作。數據傳輸的工作方式與普通無源標簽一樣，使用讀寫器發出的反向散射功率。

　　用戶控制的半被動感覺標簽花費大部分時間處于靜止狀態，從電池中抽出的電流可以忽略不計。傳感器功能和測量是由用戶激活的，通常是在喚醒閱讀器或NFC設備的rf發射時喚醒設備。

　　獨立的長期監控應用程序(所謂的數據記錄器)中使用的獨立半被動式標記可由外部事件激活，或由集成實時時鐘(RTC)觸發。這樣的應用程序將需要一個連續的電流通常為2μ從電池支持RTC或事件觸發喚醒。這種監測NFC感覺標簽的條件可以安裝在運輸過程中需要特殊護理的物品上。在供應鏈的末端，一個支持NFC的讀取器設備檢查感官標簽并在未經批準的運輸過程中發生警報時發出警報。此外，傳感器數據是時間戳的，允許進行詳細的事件監視。

　　具有NFC功能的傳感器的圖像

　　圖1：一個啟用NFC的傳感器使對象保持的條件及其唯一ID被監視。

　　啟用NFC感知的實現

　　因此，基于NFC的傳感應用需要能量收集能力、傳感器接口、電源管理電路和實時時鐘(RTC)。這些功能現在在sl13a提供NFC轉發器單片機感覺從AMS(見圖2)。該芯片符合nfc-v(ISO15693)標準，并集成了一個板上溫度傳感器。

　　感官標簽在完全被動以及半被動模式下工作;當需要片上RTC時，電池用于支持自主數據記錄。在被動模式下，讀取器或NFC功能的手機代替了時間戳，而支持傳感器操作的能量則從讀取器的字段中獲得。

　　記錄的傳感器數據存儲在片上EEPROM中，并用密碼保護，以防止數據的操作和未經授權的使用。

　　對sl13a NFC框圖使傳感器從AMS

　　圖2：啟用NFC的sl13a框圖傳感器從AMS。

　　sl13a可以支持非常廣泛的應用和無線數據傳輸的傳感器數據采集的要求。這些措施包括：

　　有保質期提醒–在運輸和儲存貨物的條件下的供應鏈，以及環境條件，可以進行監測和記錄sl13a。易腐物品如食物、飲料和藥物受溫度依賴化學反應，這決定了其保質期。一些感官標簽包括動態計算貨架壽命的算法，并在到期日期時提供警報。

　　樓宇監控–一sl13a和適當的嵌入式傳感器的結構如建筑物內，橋梁和高架橋的記錄條件包括溫度、濕度、壓力、振動、和傳輸數據時引發一個NFC閱讀器。藥物治療-配藥和泡罩包集成的感覺標簽可以記錄和時間戳藥丸的消費。這使得醫務人員能夠監測病人是否遵守了他們的處方。

　　過程控制——在工廠自動化中，感官標簽可以在過程的每一步控制過程及其質量。這比成品的最終質量保證更有效。

　　遠程計量–sl13a感覺標記可以被集成到設備的無線連接，如WLAN、GSM、延長跟蹤和監視的對象或環境在遠程位置的能力。

　　實現一個成熟的通信協議，提供準確和精確的傳感器接口，sl13a演示的新的可能性，使多個電子功能集成到一個單一的設備。然而，這種靈活的設備的廣泛應用尚未被發現——系統設計者的想象力將為這種新的感覺RFID標簽的潛在用途提供最好的指導。