用FRAM RFID改善醫(yī)療滅菌過程

　　醫(yī)院和醫(yī)療機構(gòu)正面臨在使用、消毒、儲存和銷毀醫(yī)療設(shè)備和用品的過程中如何記錄的難題。首先，醫(yī)療和設(shè)備供應(yīng)商必須確保他們的醫(yī)療設(shè)備和用品從制造到被專業(yè)醫(yī)護人員使用的整個過程中做到安全和無菌。如今，醫(yī)護人員還需要一種防患于未然的方法，記錄這些設(shè)備在醫(yī)療機構(gòu)內(nèi)的使用情況。這種記錄對于確保醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療用品的清潔和無污染非常必要。

　　現(xiàn)在，富士通(Fujitsu)公司的鐵電隨機存取存儲器(FRAM)結(jié)合射頻識別(RFID)技術(shù)，正在簡化確保這些關(guān)鍵產(chǎn)品的安全這一過程。RFID技術(shù)為醫(yī)療用品提供了一種快捷和高效的電子方法來跟蹤和保存使用記錄，然而大部分RFID技術(shù)缺乏醫(yī)療環(huán)境中所需的耐久性和可靠性。例如，醫(yī)療機構(gòu)常用的伽瑪射線滅菌方法會破壞標(biāo)準(zhǔn)的RFID標(biāo)簽。

　　本文將介紹富士通的FRAMRFID技術(shù)。該技術(shù)將高性能和高容量的RFID跟蹤能力與抗輻射特性相結(jié)合，能夠承受伽瑪射線滅菌(圖1)。

圖1：富士通RFID芯片提供了24pF和96pF的阻抗選項，能夠?qū)崿F(xiàn)更簡單的標(biāo)簽設(shè)計以適應(yīng)各種形態(tài)。

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　　富士通FRAMRFID的優(yōu)勢

　　通過電子方式管理材料和資產(chǎn)已經(jīng)成為必然趨勢而不僅是一個參考，RFID的應(yīng)用將成指數(shù)增長。標(biāo)簽物品和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)完整性已經(jīng)成為至關(guān)重要的管理問題。在物品所附的RFID標(biāo)簽中本地儲存基本信息比起完全依賴只能通過在線網(wǎng)絡(luò)訪問的后端數(shù)據(jù)庫更為明智。

　　這是富士通FRAMRFID技術(shù)的核心優(yōu)勢。富士通FRAMRFID既可以被附加在各種移動物品上，也可以應(yīng)用在固定設(shè)施上。醫(yī)生、護士和醫(yī)院的工作人員都可以第一時間看到這些信息，而不再需要依賴于保存在其他地方的記錄(圖2)。

圖2：FRAMRFID可以在第一時間向醫(yī)生、護士以及醫(yī)務(wù)工作人員提供重要信息。即便標(biāo)簽受到污染或難以認(rèn)清，RFID也能無線傳輸標(biāo)簽中的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

　　與僅提供識別的RFID相比，富士通的大容量RFID可以包含更多信息，并且可以與讀寫器實現(xiàn)更多互動。這些RFID本質(zhì)上來講是具有唯一識別碼(UID)的移動數(shù)據(jù)庫。

　　對移動物品而言，RFID的標(biāo)簽功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出條形碼的功能。由于RFID的存儲器容量增加了，儲存的信息可以包括詳細(xì)的產(chǎn)品信息、使用說明或其它歷史記錄，由此可以在供應(yīng)鏈乃至整個生命周期中追蹤該物品。用戶幾乎可以隨時隨地離線查詢，在第一時間獲得所查物品的重要信息。

　　FRAM的另一個主要優(yōu)勢是抗輻射性，這在涉及CT掃描X射線、用于消毒的紫外線和伽馬射線等醫(yī)學(xué)和生物處理領(lǐng)域的RFID應(yīng)用中顯得至關(guān)重要。如前所述，F(xiàn)RAM對輻射有很強的耐受性。基于FRAM的RFID可以輕松通過標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療滅菌過程，而基于E2PROM的RFID在這一過程會被擦除(圖3)。為了實現(xiàn)這些應(yīng)用以及其他更多的RFID應(yīng)用，富士通提供的基于FRAM的高頻(13.56MHz)RFID產(chǎn)品符合ISO/IEC15693和ISO/IEC18000-3標(biāo)準(zhǔn)。這些器件具有256B和2kB兩種不同的內(nèi)存選擇。這些高頻RFID可以在不同應(yīng)用領(lǐng)域的感應(yīng)卡或標(biāo)簽中廣為使用，包括工廠自動化、資產(chǎn)追蹤以及醫(yī)療用途。

圖3：FRAM比EEPROM更耐輻射。

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　　消毒方法

　　高壓滅菌器是相對便宜的小型消毒設(shè)備，通常在醫(yī)院和診所用于對無需深度清潔的物品進行現(xiàn)場消毒，比如剪刀、鉗子、醫(yī)療袍服和夾具。高壓滅菌時，需要消毒的物品暴露在約125℃的高壓蒸汽或水中經(jīng)過一段設(shè)定的時間進行消毒。高壓滅菌器為許多診所提供簡便的消毒過程，然而卻無法做到去除所有有害物質(zhì)的深度清潔。

　　其它受歡迎的消毒方法有電子束滅菌、環(huán)氧乙烷(EtO)氣體滅菌和伽馬射線滅菌，它們都已經(jīng)使用了很長一段時間。在產(chǎn)品被送往終端用戶(如醫(yī)院和醫(yī)療機構(gòu))之前，伽馬射線消毒經(jīng)常用在器械、試管和酶這些產(chǎn)品的制造過程當(dāng)中。伽馬射線消毒在很大程度上是在受控環(huán)境下制造過程的一部分。

　　這種方法有幾大優(yōu)點。由于伽馬射線具有高穿透性，產(chǎn)品可以在包裝后、在大箱子中或在托盤中進行常溫消毒。物品的消毒實際上被安排在生產(chǎn)過程的最后一步，這樣往往可以節(jié)省生產(chǎn)過程中昂貴的清潔室費用。

　　輻射量取決于物品的原始微生物狀況和期望達(dá)到的安全水平。通常需要約20kGy的輻射量(kGy是電離輻射所吸收輻射量的國際度量單位)。

　　由于輻射會產(chǎn)生危害，消毒過程需要嚴(yán)格監(jiān)管。輻射設(shè)施價格昂貴，而且通常由專業(yè)機構(gòu)運作。

　　FRAM和FRAMRFID簡介

　　FRAM將閃存和E2PROM的非易失性特點與SRAM類似的性能相結(jié)合，為獨立存儲器芯片和嵌入式存儲器帶來了一系列獨一無二的優(yōu)點。富士通開創(chuàng)了FRAM技術(shù)，并在該領(lǐng)域耕耘了超過10年，F(xiàn)RAM在對需要非易失性存儲、高安全性、高速、低功耗、耐久性和抗輻射性這些綜合性能的應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出眾、口碑良好。FRAM的應(yīng)用包括智能卡、RFID標(biāo)簽和航空航天設(shè)備，但最引人注目的應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療領(lǐng)域。

　　和非接觸式智能卡類似，RFID標(biāo)簽通過射頻電磁場與閱讀器進行數(shù)據(jù)傳輸。FRAM非常適合用于智能卡，同樣，它也是RFID的理想選擇：快速數(shù)據(jù)寫入、低功耗、高耐久性。為充分發(fā)揮FRAM的獨特優(yōu)勢，富士通將重點放在具有大容量內(nèi)存的高性能RFID上。

　　使用RFID標(biāo)簽跟蹤滅菌產(chǎn)品并擴展內(nèi)存容量

　　培育酶、培養(yǎng)物、疫苗和藥物需要無污染的環(huán)境，連接器、試管和容器等設(shè)備都需要仔細(xì)對待并保持清潔。富士通RFAMRFID為醫(yī)療環(huán)境中的這類嚴(yán)重問題提供了解決方案。

　　有許多方法可以殺死細(xì)菌、真菌及病毒等微生物。最常見的方法是在高壓滅菌器中通過熱量和高壓進行殺菌。在生產(chǎn)過程中殺菌有一種更精細(xì)的方法——用伽馬射線或電子束照射或用EtO氣體處理殺菌。

　　用這些方法消毒的產(chǎn)品需要進行跟蹤。通常情況下會使用一個簡單的標(biāo)記(例如，當(dāng)已被使用時，化學(xué)指示劑會改變顏色)標(biāo)識該物品已消毒。有時候物品本身沒有任何標(biāo)記，但是其包裝上卻有(比如覆蓋注射器的塑料包裝袋)。問題是使用現(xiàn)有的標(biāo)識手段很難防止已消毒產(chǎn)品重復(fù)使用的發(fā)生。

　　在這一過程中RFID技術(shù)非常有用。RFID在物流中已應(yīng)用了很長一段時間，通過一個類似于條形碼標(biāo)簽的唯一識別碼來實現(xiàn)電子RFID的作用。然而，RFID標(biāo)簽和條形碼不同的是，它可以通過空中接口來讀取。這一非接觸式接口無需傳統(tǒng)條形碼所需的視線和直接光學(xué)接觸。例如，RFID技術(shù)的重要特性——防撞結(jié)構(gòu)可以清楚地識別RF場附近的許多RFID。因此，無需開啟或拆開外部包裝，就可以跟蹤和識別相關(guān)的產(chǎn)品或物件。

　　電子RFID標(biāo)簽有了大容量的存儲空間后，就可以存儲除標(biāo)簽上簡單ID碼之外的更多數(shù)據(jù)(圖4)。數(shù)據(jù)可以在生產(chǎn)過程中寫入(如批號、生產(chǎn)日期和失效日期)，也可以貫穿整個供應(yīng)鏈過程(如出廠日期、殺菌日期和物流合作伙伴名稱)。

圖4：更大容量的RFID可以使重要數(shù)據(jù)(除了簡單的ID)被離線讀出。

　　醫(yī)療器械和產(chǎn)品尤其需要得到可靠的識別，而它們的治療和生產(chǎn)過程也要得到記錄。監(jiān)測和檢查流程可以包括在物流操作中，以防假冒產(chǎn)品和保證產(chǎn)品的可靠性。RFID可以用來確保經(jīng)授權(quán)的一次性部件恰到好處地連接到相應(yīng)的設(shè)備，盡量減少被誤用的潛在風(fēng)險。RFID可以連接到一次性部件，必須通過連接設(shè)備中的閱讀器來驗證，確保使用的是經(jīng)過授權(quán)的部件。

　　RFID還有一個優(yōu)點，就是如果沒有RFID，就沒有便捷的方式來追蹤經(jīng)消毒的設(shè)備是否被重新使用。RFID有助于防止再次使用，這是因為RFID中的數(shù)據(jù)不能被用戶或其他醫(yī)療工作人員輕易更改。

　　不過，基于E2PROM的傳統(tǒng)RFID產(chǎn)品面臨著一個重大缺陷，即它們無法承受輻射過程。內(nèi)存的內(nèi)容經(jīng)照射會被擦除或損壞。為了充分發(fā)揮RFID在醫(yī)療應(yīng)用方面的優(yōu)勢，有必要將伽瑪射線照射過程同采用鐵電技術(shù)的RFID技術(shù)融合在一起。這就是富士通FRAM技術(shù)的用武之地。

　　同傳統(tǒng)的非易失性存儲器、閃存以及E2PROM相反的是，F(xiàn)RAM內(nèi)存的內(nèi)容并非以“浮柵”電荷載體的形式存儲。而信息(邏輯“0”或“1”)則包含在鐵電材料鋯鈦酸鉛(PZT，Pb(Zr,Ti)O3)的極化中(圖5)。該材料以薄膜的形式置于兩個電極之間，同電容器結(jié)構(gòu)相類似。在施加電場的條件下，該材料在一個方向?qū)崿F(xiàn)極化，而且即便在電場消失后，其仍然保持這一結(jié)構(gòu)。如果電場的方向被翻轉(zhuǎn)，原子也會相應(yīng)地進行反向極化。FRAM內(nèi)存結(jié)構(gòu)和DRAM一樣，包含了一個晶體管和一個電容器。但是在這種情況下，F(xiàn)RAM內(nèi)存包含了一個帶鐵電介質(zhì)的電容器。

圖5：FRAM信息(二進制0或1)包含于鐵電材料鋯鈦酸鉛(PZT，Pb(Zr,Ti)O3)的極化中。

　　在照射過程中所用的能量消除了E2PROM中的浮柵電荷，但是不會影響FRAM實現(xiàn)極化。盡管典型的伽瑪射線消毒過程所用劑量大約在20kGy左右，但考慮到抗輻射性，大多數(shù)的測試要求達(dá)到25kGy的劑量。獨立的科學(xué)研究驗證了FRAM對高達(dá)50kGy劑量放射的抵抗力。這就相當(dāng)于受到連續(xù)兩次25kGy的輻射，總共為50kGy，而這一劑量基本沒必要。

　　因此，F(xiàn)RAM比其他用于存儲產(chǎn)品的典型材料要更耐輻射。FRAM還提供了其它優(yōu)勢，特別是在RFID產(chǎn)品應(yīng)用中，它無需采用產(chǎn)生高編程電壓的電荷泵。因此，F(xiàn)RAM技術(shù)要比E2PROM更節(jié)能。這會對RFID標(biāo)簽的運行范圍產(chǎn)生直接積極影響。由于FRAM耗電量微乎其微，因此為給定電場強度或功率密度提供了要大的工作范圍。

　　而且，F(xiàn)RAM存儲器可以以與讀取一樣快的速度寫入數(shù)據(jù)。FRAM寫訪問要比E2PROM寫訪問大約快25倍。閃存和E2PROM的最大刪/寫周期數(shù)在10,000和100,000之間。如果超過這個范圍，材料疲勞問題就會導(dǎo)致內(nèi)存內(nèi)容不能被可靠地存儲。比較起來，F(xiàn)RAM存儲器的讀/寫周期超過100億次(1010)，使用壽命幾乎沒有限制。這就意味著FRAM標(biāo)簽可以被使用很多次。對于有許多寫要求的應(yīng)用而言，F(xiàn)RAM比傳統(tǒng)的非易失存儲器選擇(例如E2PROM和閃存)擁有不可否認(rèn)的優(yōu)勢。

　　盡管有時候FRAM同鐵磁特性不是很吻合，但是磁場不會影響鐵電材料。

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　　采用FRAM技術(shù)

　　與基于E2PROM/閃存的傳統(tǒng)RFID芯片相比，富士通FerVID系列能夠?qū)崿F(xiàn)相同的遠(yuǎn)程讀寫高速數(shù)據(jù)傳輸速率。100億周期的寫能力要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)RFID標(biāo)簽，減少了應(yīng)用中的成本和時間。富士通提供HF和UHFFRAMRFID產(chǎn)品。ISO15693兼容設(shè)備覆蓋13.56MHz工作頻率，分別具備2kB和256B內(nèi)存。在860~960MHz的UHF波段中，富士通提供4kB和64kB的FRAM存儲器，同EPCglobalC1G2標(biāo)準(zhǔn)兼容。除了標(biāo)準(zhǔn)的ISO命令，產(chǎn)品還具備防撞能力和自定義快速讀/寫傳輸命令。

　　另外，雙接口器件有兩種類型：一種是傳統(tǒng)的非接觸式EPCglobalRFID產(chǎn)品，另一種是具備額外接觸式SPI接口的衍生品。這種雙接口類型可以作為微控制器嵌入式系統(tǒng)的一部分來實現(xiàn)。

　　FRAM具有同類產(chǎn)品無法企及的顯著優(yōu)勢，將其與RFID的追蹤能力相結(jié)合，簡化了醫(yī)療設(shè)備的追蹤過程，從而確保關(guān)鍵醫(yī)療產(chǎn)品的安全性。

　　FerVIDFRAMRFID系列

　　富士通提供了帶有嵌入式FRAM的HF和UHFRFID產(chǎn)品。同基于RFID芯片的傳統(tǒng)E2PROM/閃存相比，F(xiàn)erVID系列使具有相同數(shù)據(jù)傳輸速率的遠(yuǎn)程讀寫成為可能。100億周期條件下的寫能力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)RFID標(biāo)簽，因此可以節(jié)省應(yīng)用中的成本和時間。這些產(chǎn)品同ISO/IEC15693、ISO/IEC18000-3或EPCglobalC1G2相兼容。富士通提供晶圓、鋸狀晶圓或封裝芯片，也提供帶非接觸式和接觸式SPI集成接口的衍生產(chǎn)品。富士通RFID產(chǎn)品具有256B至4KB的FRAM。

　　抗輻射性

　　與E2PROM不同，鐵電存儲器不會因受到輻射而遺失內(nèi)容。因此，基于FRAM的RFID標(biāo)簽非常適合醫(yī)療應(yīng)用或食品行業(yè)應(yīng)用(這些行業(yè)中殺菌通過輻射實現(xiàn))。FRAM可防止高達(dá)50kGy伽瑪射線消毒對數(shù)據(jù)造成影響。

　　雙接口

　　FerVID系列包括傳統(tǒng)的非接觸式EPCglobalRFID產(chǎn)品和帶有基于SPI接口的附加接觸方式的衍生產(chǎn)品。這一雙接口類型可以作為微處理器嵌入式系統(tǒng)的一部分來實現(xiàn)。由傳感器和微控制器捕捉到的數(shù)據(jù)會被存儲在FRAM設(shè)備中。用戶可以通過非接觸式UHF接口輕松獲得這一數(shù)據(jù)。反之，用戶可以通過RF場將配置和控制數(shù)據(jù)傳給嵌入式系統(tǒng)。許多應(yīng)用可以從中受益，例如物流追蹤系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、信息顯示或自動售貨機。