医疗卫生系统中RFID 设备的电磁辐射相关问题

王权 李澍 苏宗文 任海萍 中国食品药品检定研究院医疗器械检定所 （北京 100050）

0.引言

射频识别技术（RFID）是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无需人工干预，可工作于各种恶劣环境[1]。RFID 在许多工业领域，特别是在医疗和制药领域快速增长并具有广阔的市场前景。据市场分析人士预计，医疗和制药领域RFID 标签或系统，在全球市场份额将迅速上升（从2006的1.1 亿至2016 年的26 亿美元）[2]。医疗卫生机构所处的是一个复杂的电磁环境，因此，若希望在医疗环境下大规模应用RFID 技术必须要考虑电磁辐射所产生的相关问题，主要考虑各种设备产生的电磁场对RFID 设备能否正常工作的影响，以及考虑RFID 设备是否会对其他的医疗器械产生负面影响。同时，还要考虑大规模使用RFID 技术所产生的电磁辐射对人体的生物学影响。现阶段，在医疗卫生机构使用RFID系统还比较少，这两方面的问题并没有突显。针对这种情况，更应该加快各方面的研究，通过现场分析、评估等方法，筛选出适合于工作在医疗复杂环境下且能和医疗设备和谐共处的RFID 系统[3]。

1.RFID技术介绍

1.1 RFID 设备组成与分类

RFID 射频识别系统是由三部分组成，分别是RFID 读写器、应答器（RFID 标签）和计算机，见图1。应答器（RFID 标签）一般放置在被识别物体处，读写器是一种读或写/只读装置。实际中，当应答器（RFID 标签）进入读写器的识别范围时，应答器和读写器二者无线通信，读写器无接触地获应答器标签中的信息，并将信息传送到后台计算机，实现了自动识别设备或者自动采集设备运行信息的功能[4]。

图1. RFID 组成图。分由RFID 读写器（RFID）、应答器（标签）和计算机组成。

图2. RFID 设备能量耦合原理图 A）电感耦合原理示意图 B）电磁耦合原理示意图

应答器内含的电子设备工作时需要能量来驱动。根据标签获取能量的方式；可以将应答器分为：主动式、半被动式和被动式。主动式和半被动式设备一般含有电源，被动式标签没有电源。主动式标签因为有电源可以主动发送数据给读写器，识别距离远。当电子标签离开读写器的场区时，数字芯片将自动进入省电模式以减少能耗。当电子标签接收到读写器发出电磁场强度足够强时，芯片重新激活并进入到正常工作状态。由于有源标签使用电池供电，读写器发射射频查询信号的强度大大减小，系统的抗电磁干扰能力得到增强。主动式标签的工作距离可达到100m 以上。被动式标签没有电源，只有当读写器发出查询信号后才进入通信状态。它通过电感耦合或电磁耦合的方式传递能量，当与阅读器距离足够近，使其感应的电磁场强度足够强时，才会传递信息。被动式标签的工作距离可达3～5m，一般为20～40cm。半被动式标签与被动式标签相似，但它内部含有一个小型电池，它提供的电量刚好可以驱动标签芯片，使得芯片处于工作状态。天线充分用于回传信号，不用负责接收电磁波的任务。

1.2 RFID 的通信原理

读写器和标签之间射频信号的通信主要通过耦合实现，具体的耦合类型有两种：近距离的电感耦合与远距离的电磁耦合（电磁反向散射）。电感耦合原理等同于变压器模型，读写器形成交变磁场，标签内部的电感线圈形成感应电压。当满足一定的距离范围内，获得的能量能够供应芯片正常工作，读写器和标签完成信息交换，如图2a所示。电磁反向散射耦合即为雷达原理模型，发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目标信息，全过程服从电磁波的空间传播规律。如图2b 所示。医疗系统应用的RFID 多为电磁耦合方式。

2.RFID技术带来的电磁兼容问题

RFID 系统的读写器和标签都具有双向通信广播的能力，都包含天线并可调制和解调无线电信号。一般来说，国际上RFID 广泛采用的频率分为低频（125kHz）、高频（13.65MHz）、超高频（433MHz、860-960MHz）和微波（2.45GHz、5.8GHz）。这些频段大部分是与医疗行为中有意使用的频段是重叠的，见表1。因此，这种天线在接收有用信号的同时，同样会将医疗噪声信号同时接收，从而最终导致输入信息的无效，导致信息重传。同时，对于医疗器械来说，RFID 系统发射的无用电磁信号即为典型的电磁辐射骚扰源，这种电磁辐射同样会被医疗器械内部电路或系统接收，最终造成医疗器械的错误操作或失效。

Yue Ying 等人[6]分析了两种不同的超高频RFID 系统（868 MHz）对15 种常见的医疗器械（输液泵、监护仪、心肺机、麻醉工作站、重症监护呼吸机等）的影响。测试中，15 种医疗设备分别使用两个不同的RFID 设备进行骚扰测试。实验结果显示，其中8 种的医疗器械没有受到干扰，另外的7 种发生了明显的干扰现象。同时，测试结果还发现，干扰结果的严重性与测试距离非常相关，距离越近，设备收到电磁辐射干扰的场强越强，设备越容易收到干扰。作者同时比较了在正常使用距离下的RFID 射频天线辐射场强与GB 17626.3 标准要求值（3 V/m）的关系。发现RFID设备有可能造成10 V/m 以上的辐射场强。综上所述，作者认为，在通过若干防护措施的前提下，RFID 技术可以用于医疗环境。

表1. RFID 不同频带的应用及与医疗行为使用频带的关系

Houliston 等人[7]分析RFID 系统与输液泵的互相影响。作者认为，在直接接触的条件下，发现输液泵可以耐受低功耗状态下RFID 读写器的电磁骚扰。然而，在RFID 设备输入功率增大的条件下，在10cm 的距离处泵性能受到了电磁骚扰的影响。

Seidman 等人[8]研究RFID 读写器和植入式心脏起搏器之间的电磁兼容性。在体外试验中，实验了15 个植入式心脏起搏器分别暴露于13 个RFID 读写器的电磁辐射下。发现在最大距离为60 厘米的条件下，67%的起搏器受到了不同程度的骚扰。植入式起搏器受到骚扰的主要现象包括起搏抑制、错误起搏、起搏频率改变和器件编程变化等。

3.涉及RFID技术的电磁辐射评估和测量

RFID 系统的标签与读写器工作时均向进行电磁辐射。电磁辐射对人身健康安全带来的影响和危害同样为公众所重视，主要危害包括对中枢神经系统、机体免疫功能、心血管系统、生殖和遗传系统、视觉系统的危害以及致癌作用等。其作用机理为电磁波携带的电磁能量被生物体吸收，引起生物体全身或者局部的温度升高，从而造成其生理和行为的改变。不同频率的高强度电磁辐射会对人体造成不同的影响，从轻微的神经疼痛到组织兴奋、皮肤发热，到产生热效应、激发体内的热调节反应，使体温升高造成人体伤亡。

现阶段针对RFID 电磁辐射能量对人体产生的生物学效应方面开始受到各国学者关注，但都还处于初步阶段。RFID 设备对人体辐射的主要目标区域可能为身体各个部分，对于植入式设备，甚至有可能形成内照射。而且RFID 设备一般还是处于长时间的工作通信互联（例如心电的监测）状态。

Findlay, R. P.[9]等人使用人体像素模型计算了人体在变姿态下的RFID 电磁辐射比吸收率分布，并认为大部分辐射源在体表若干毫米的地方达到最大值，同时不同的身体姿态造成的分布差异很大；Luebbers, R.[10]等人通过仿真验证了RFID 电磁辐射暴露会造成组织温升，并证实了血液等体液的定向流动会造成温升的重新分布。

Wang, Jianqing[11]等人首次提出通过使用电磁暗室测试一位男性志愿者全身平均比吸收率，最终在RFID 设备输出频率1、1.5 和2 Ghz 以及输出功率为30～40 mW 条件下，测得人体的全身电磁辐射比吸收率为6.6 µWcm-2；Aliou[12]等人实验证明了由于在室内存在漫反射多径分量(Diffuse Multipath Component)，造成人体受到的RFID 电磁辐射要高于不考虑反射条件下的计算机仿真辐射计算值。

4.结论

通过文章综述和调研可以发现，RFID 设备在工作状态下和医疗环境下的医疗器械在极端情况下存在发生相互干扰的可能；同时，所产生的电磁辐射对人体也有一定影响。因此，RFID 应用布局时需要使其和医疗器械保持适当的距离，并合理设置天线方向，从而保证双方都能够正常工作。但是随着移动医疗、穿戴式医疗设备的广泛应用，RFID 设备会更多的出现在医疗和生活环境之中。这样在实际工作时可能难以达到可靠的距离隔离，这就大大增加了发生相互干扰的可能。因此，为了保证病人的安全和提高效率，有必要制定医疗环境下的RFID 标准，从而更好的为各种RFID 新技术发展保驾护航。

致谢：本研究受中国食品药品检定研究院中青年发展研究基金课题任务书（项目号：2014C6）资助。

[1] 宋楠——天津大学.RFID 技术与电磁兼容性分析

[2] 徐恒, 田金, 许锋. 射频识别技术在医疗设备管理应用中电磁干扰的探讨[J]. 中国医学装备, 2013, (11):45-47.

[3] 常天海, 高加志. RFID 设备电磁兼容性的研究[C].通信理论与技术新发展——全国青年通信学术会议. 2009.

[4] 宋起柱. RFID 技术及电磁兼容研究[J]. 金卡工程, 2007, 11(4):42-45.

[5] 胡前锋. 车载RFID 设备电磁兼容性测试研究[D]. 重庆大学, 2011.

[6] Yue Ying, Dirk Fischer, UvoHölscher. “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.