醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)中RFID 設(shè)備的電磁輻射相關(guān)問(wèn)題

王權(quán) 李澍 蘇宗文 任海萍 中國(guó)食品藥品檢定研究院醫(yī)療器械檢定所 （北京 100050）

0.引言

射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，無(wú)需人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境[1]。RFID 在許多工業(yè)領(lǐng)域，特別是在醫(yī)療和制藥領(lǐng)域快速增長(zhǎng)并具有廣闊的市場(chǎng)前景。據(jù)市場(chǎng)分析人士預(yù)計(jì)，醫(yī)療和制藥領(lǐng)域RFID 標(biāo)簽或系統(tǒng)，在全球市場(chǎng)份額將迅速上升（從2006的1.1 億至2016 年的26 億美元）[2]。醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)所處的是一個(gè)復(fù)雜的電磁環(huán)境，因此，若希望在醫(yī)療環(huán)境下大規(guī)模應(yīng)用RFID 技術(shù)必須要考慮電磁輻射所產(chǎn)生的相關(guān)問(wèn)題，主要考慮各種設(shè)備產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)RFID 設(shè)備能否正常工作的影響，以及考慮RFID 設(shè)備是否會(huì)對(duì)其他的醫(yī)療器械產(chǎn)生負(fù)面影響。同時(shí)，還要考慮大規(guī)模使用RFID 技術(shù)所產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)人體的生物學(xué)影響。現(xiàn)階段，在醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)使用RFID系統(tǒng)還比較少，這兩方面的問(wèn)題并沒(méi)有突顯。針對(duì)這種情況，更應(yīng)該加快各方面的研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析、評(píng)估等方法，篩選出適合于工作在醫(yī)療復(fù)雜環(huán)境下且能和醫(yī)療設(shè)備和諧共處的RFID 系統(tǒng)[3]。

1.RFID技術(shù)介紹

1.1 RFID 設(shè)備組成與分類

RFID 射頻識(shí)別系統(tǒng)是由三部分組成，分別是RFID 讀寫器、應(yīng)答器（RFID 標(biāo)簽）和計(jì)算機(jī)，見(jiàn)圖1。應(yīng)答器（RFID 標(biāo)簽）一般放置在被識(shí)別物體處，讀寫器是一種讀或?qū)?只讀裝置。實(shí)際中，當(dāng)應(yīng)答器（RFID 標(biāo)簽）進(jìn)入讀寫器的識(shí)別范圍時(shí)，應(yīng)答器和讀寫器二者無(wú)線通信，讀寫器無(wú)接觸地獲應(yīng)答器標(biāo)簽中的信息，并將信息傳送到后臺(tái)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別設(shè)備或者自動(dòng)采集設(shè)備運(yùn)行信息的功能[4]。

圖1. RFID 組成圖。分由RFID 讀寫器（RFID）、應(yīng)答器（標(biāo)簽）和計(jì)算機(jī)組成。

圖2. RFID 設(shè)備能量耦合原理圖 A）電感耦合原理示意圖 B）電磁耦合原理示意圖

應(yīng)答器內(nèi)含的電子設(shè)備工作時(shí)需要能量來(lái)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)標(biāo)簽獲取能量的方式；可以將應(yīng)答器分為：主動(dòng)式、半被動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式和半被動(dòng)式設(shè)備一般含有電源，被動(dòng)式標(biāo)簽沒(méi)有電源。主動(dòng)式標(biāo)簽因?yàn)橛须娫纯梢灾鲃?dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)給讀寫器，識(shí)別距離遠(yuǎn)。當(dāng)電子標(biāo)簽離開(kāi)讀寫器的場(chǎng)區(qū)時(shí)，數(shù)字芯片將自動(dòng)進(jìn)入省電模式以減少能耗。當(dāng)電子標(biāo)簽接收到讀寫器發(fā)出電磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)時(shí)，芯片重新激活并進(jìn)入到正常工作狀態(tài)。由于有源標(biāo)簽使用電池供電，讀寫器發(fā)射射頻查詢信號(hào)的強(qiáng)度大大減小，系統(tǒng)的抗電磁干擾能力得到增強(qiáng)。主動(dòng)式標(biāo)簽的工作距離可達(dá)到100m 以上。被動(dòng)式標(biāo)簽沒(méi)有電源，只有當(dāng)讀寫器發(fā)出查詢信號(hào)后才進(jìn)入通信狀態(tài)。它通過(guò)電感耦合或電磁耦合的方式傳遞能量，當(dāng)與閱讀器距離足夠近，使其感應(yīng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度足夠強(qiáng)時(shí)，才會(huì)傳遞信息。被動(dòng)式標(biāo)簽的工作距離可達(dá)3～5m，一般為20～40cm。半被動(dòng)式標(biāo)簽與被動(dòng)式標(biāo)簽相似，但它內(nèi)部含有一個(gè)小型電池，它提供的電量剛好可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)簽芯片，使得芯片處于工作狀態(tài)。天線充分用于回傳信號(hào)，不用負(fù)責(zé)接收電磁波的任務(wù)。

1.2 RFID 的通信原理

讀寫器和標(biāo)簽之間射頻信號(hào)的通信主要通過(guò)耦合實(shí)現(xiàn)，具體的耦合類型有兩種：近距離的電感耦合與遠(yuǎn)距離的電磁耦合（電磁反向散射）。電感耦合原理等同于變壓器模型，讀寫器形成交變磁場(chǎng)，標(biāo)簽內(nèi)部的電感線圈形成感應(yīng)電壓。當(dāng)滿足一定的距離范圍內(nèi)，獲得的能量能夠供應(yīng)芯片正常工作，讀寫器和標(biāo)簽完成信息交換，如圖2a所示。電磁反向散射耦合即為雷達(dá)原理模型，發(fā)射出去的電磁波碰到目標(biāo)后反射，同時(shí)攜帶回目標(biāo)信息，全過(guò)程服從電磁波的空間傳播規(guī)律。如圖2b 所示。醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用的RFID 多為電磁耦合方式。

2.RFID技術(shù)帶來(lái)的電磁兼容問(wèn)題

RFID 系統(tǒng)的讀寫器和標(biāo)簽都具有雙向通信廣播的能力，都包含天線并可調(diào)制和解調(diào)無(wú)線電信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，國(guó)際上RFID 廣泛采用的頻率分為低頻（125kHz）、高頻（13.65MHz）、超高頻（433MHz、860-960MHz）和微波（2.45GHz、5.8GHz）。這些頻段大部分是與醫(yī)療行為中有意使用的頻段是重疊的，見(jiàn)表1。因此，這種天線在接收有用信號(hào)的同時(shí)，同樣會(huì)將醫(yī)療噪聲信號(hào)同時(shí)接收，從而最終導(dǎo)致輸入信息的無(wú)效，導(dǎo)致信息重傳。同時(shí)，對(duì)于醫(yī)療器械來(lái)說(shuō)，RFID 系統(tǒng)發(fā)射的無(wú)用電磁信號(hào)即為典型的電磁輻射騷擾源，這種電磁輻射同樣會(huì)被醫(yī)療器械內(nèi)部電路或系統(tǒng)接收，最終造成醫(yī)療器械的錯(cuò)誤操作或失效。

Yue Ying 等人[6]分析了兩種不同的超高頻RFID 系統(tǒng)（868 MHz）對(duì)15 種常見(jiàn)的醫(yī)療器械（輸液泵、監(jiān)護(hù)儀、心肺機(jī)、麻醉工作站、重癥監(jiān)護(hù)呼吸機(jī)等）的影響。測(cè)試中，15 種醫(yī)療設(shè)備分別使用兩個(gè)不同的RFID 設(shè)備進(jìn)行騷擾測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其中8 種的醫(yī)療器械沒(méi)有受到干擾，另外的7 種發(fā)生了明顯的干擾現(xiàn)象。同時(shí)，測(cè)試結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，干擾結(jié)果的嚴(yán)重性與測(cè)試距離非常相關(guān)，距離越近，設(shè)備收到電磁輻射干擾的場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，設(shè)備越容易收到干擾。作者同時(shí)比較了在正常使用距離下的RFID 射頻天線輻射場(chǎng)強(qiáng)與GB 17626.3 標(biāo)準(zhǔn)要求值（3 V/m）的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)RFID設(shè)備有可能造成10 V/m 以上的輻射場(chǎng)強(qiáng)。綜上所述，作者認(rèn)為，在通過(guò)若干防護(hù)措施的前提下，RFID 技術(shù)可以用于醫(yī)療環(huán)境。

表1. RFID 不同頻帶的應(yīng)用及與醫(yī)療行為使用頻帶的關(guān)系

Houliston 等人[7]分析RFID 系統(tǒng)與輸液泵的互相影響。作者認(rèn)為，在直接接觸的條件下，發(fā)現(xiàn)輸液泵可以耐受低功耗狀態(tài)下RFID 讀寫器的電磁騷擾。然而，在RFID 設(shè)備輸入功率增大的條件下，在10cm 的距離處泵性能受到了電磁騷擾的影響。

Seidman 等人[8]研究RFID 讀寫器和植入式心臟起搏器之間的電磁兼容性。在體外試驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)了15 個(gè)植入式心臟起搏器分別暴露于13 個(gè)RFID 讀寫器的電磁輻射下。發(fā)現(xiàn)在最大距離為60 厘米的條件下，67%的起搏器受到了不同程度的騷擾。植入式起搏器受到騷擾的主要現(xiàn)象包括起搏抑制、錯(cuò)誤起搏、起搏頻率改變和器件編程變化等。

3.涉及RFID技術(shù)的電磁輻射評(píng)估和測(cè)量

RFID 系統(tǒng)的標(biāo)簽與讀寫器工作時(shí)均向進(jìn)行電磁輻射。電磁輻射對(duì)人身健康安全帶來(lái)的影響和危害同樣為公眾所重視，主要危害包括對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)、機(jī)體免疫功能、心血管系統(tǒng)、生殖和遺傳系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)的危害以及致癌作用等。其作用機(jī)理為電磁波攜帶的電磁能量被生物體吸收，引起生物體全身或者局部的溫度升高，從而造成其生理和行為的改變。不同頻率的高強(qiáng)度電磁輻射會(huì)對(duì)人體造成不同的影響，從輕微的神經(jīng)疼痛到組織興奮、皮膚發(fā)熱，到產(chǎn)生熱效應(yīng)、激發(fā)體內(nèi)的熱調(diào)節(jié)反應(yīng)，使體溫升高造成人體傷亡。

現(xiàn)階段針對(duì)RFID 電磁輻射能量對(duì)人體產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)方面開(kāi)始受到各國(guó)學(xué)者關(guān)注，但都還處于初步階段。RFID 設(shè)備對(duì)人體輻射的主要目標(biāo)區(qū)域可能為身體各個(gè)部分，對(duì)于植入式設(shè)備，甚至有可能形成內(nèi)照射。而且RFID 設(shè)備一般還是處于長(zhǎng)時(shí)間的工作通信互聯(lián)（例如心電的監(jiān)測(cè)）狀態(tài)。

Findlay, R. P.[9]等人使用人體像素模型計(jì)算了人體在變姿態(tài)下的RFID 電磁輻射比吸收率分布，并認(rèn)為大部分輻射源在體表若干毫米的地方達(dá)到最大值，同時(shí)不同的身體姿態(tài)造成的分布差異很大；Luebbers, R.[10]等人通過(guò)仿真驗(yàn)證了RFID 電磁輻射暴露會(huì)造成組織溫升，并證實(shí)了血液等體液的定向流動(dòng)會(huì)造成溫升的重新分布。

Wang, Jianqing[11]等人首次提出通過(guò)使用電磁暗室測(cè)試一位男性志愿者全身平均比吸收率，最終在RFID 設(shè)備輸出頻率1、1.5 和2 Ghz 以及輸出功率為30～40 mW 條件下，測(cè)得人體的全身電磁輻射比吸收率為6.6 μWcm-2；Aliou[12]等人實(shí)驗(yàn)證明了由于在室內(nèi)存在漫反射多徑分量(Diffuse Multipath Component)，造成人體受到的RFID 電磁輻射要高于不考慮反射條件下的計(jì)算機(jī)仿真輻射計(jì)算值。

4.結(jié)論

通過(guò)文章綜述和調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，RFID 設(shè)備在工作狀態(tài)下和醫(yī)療環(huán)境下的醫(yī)療器械在極端情況下存在發(fā)生相互干擾的可能；同時(shí)，所產(chǎn)生的電磁輻射對(duì)人體也有一定影響。因此，RFID 應(yīng)用布局時(shí)需要使其和醫(yī)療器械保持適當(dāng)?shù)木嚯x，并合理設(shè)置天線方向，從而保證雙方都能夠正常工作。但是隨著移動(dòng)醫(yī)療、穿戴式醫(yī)療設(shè)備的廣泛應(yīng)用，RFID 設(shè)備會(huì)更多的出現(xiàn)在醫(yī)療和生活環(huán)境之中。這樣在實(shí)際工作時(shí)可能難以達(dá)到可靠的距離隔離，這就大大增加了發(fā)生相互干擾的可能。因此，為了保證病人的安全和提高效率，有必要制定醫(yī)療環(huán)境下的RFID 標(biāo)準(zhǔn)，從而更好的為各種RFID 新技術(shù)發(fā)展保駕護(hù)航。

致謝：本研究受中國(guó)食品藥品檢定研究院中青年發(fā)展研究基金課題任務(wù)書（項(xiàng)目號(hào)：2014C6）資助。

[1] 宋楠——天津大學(xué).RFID 技術(shù)與電磁兼容性分析

[2] 徐恒, 田金, 許鋒. 射頻識(shí)別技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備管理應(yīng)用中電磁干擾的探討[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備, 2013, (11):45-47.

[3] 常天海, 高加志. RFID 設(shè)備電磁兼容性的研究[C].通信理論與技術(shù)新發(fā)展——全國(guó)青年通信學(xué)術(shù)會(huì)議. 2009.

[4] 宋起柱. RFID 技術(shù)及電磁兼容研究[J]. 金卡工程, 2007, 11(4):42-45.

[5] 胡前鋒. 車載RFID 設(shè)備電磁兼容性測(cè)試研究[D]. 重慶大學(xué), 2011.

[6] Yue Ying, Dirk Fischer, UvoH?lscher. “Electromagnetic Interferencewith RFID Readers in Hospitals” WC 2009, IFMBE Proceedings 25/VII,2009 pp. 872–875.

[7] Bryan Houliston, David Parry, Craig S Webster, Alan F Merry.“Interference with the operation of medical devices resulting from theuse of radio frequency identification technology”.NZMJ 19 June 2009,Vol 122 No 1297. Pp 9-16.

[8] Seth J. Seidman et al. “In vitro tests reveal sample radiofrequencyidentification readers inducing clinically significant electromagneticinterference to implantable pacemakers and implantable cardioverterdefibrillators”Heart Rhythm, Vol 7, No 1, January 2010, pp. 99-107.

[9] Findlay, R.P. and P.J. Dimbylow, Effects of posture on FDTD calculations of specificabsorption rate in a voxel model of the human body. Physics in Medicine and Biology, 2005.50(16): p. 3825-3835.

[10] Luebbers, R., C.W. Penney, and ieee, FDTD comparison of SAR and temperature rise inhuman tissue. 2004 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, SymposiumRecord 1-3. 2004. 1036-1038.

[11] Wang, J., et al., Measurement and validation of GHz-band whole-body average SAR in ahuman volunteer using reverberation chamber. Physics in Medicine and Biology, 2012.57(23): p. 7893-7903.

[12] Bamba, A., et al., Validation of experimental whole-body SAR assessment method in acomplex indoor environment. Bioelectromagnetics, 2013. 34(2): p. 122-132.