．用FRAM RFID 改善醫療滅菌過程

医療の安心のために！FRAM-RFID

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來源：RFID世界網

醫院和醫療機構正面臨在使用、消毒、儲存和銷毀醫療設備和用品的過程中如何記錄的難題。首先，醫療和設備供應商必須確保他們的醫療設備和用品從製造到被專業醫護人員使用的整個過程中做到安全和無菌。

如今，醫護人員還需要一種防患於未然的方法，記錄這些設備在醫療機構內的使用情況。這種記錄對於確保醫療設備和醫療用品的清潔和無污染非常必要。

現在，富士通(Fujitsu)公司的鐵電隨機存取儲存器(FRAM)結合射頻辨識(RFID)技術，正在簡化確保這些關鍵產品的安全這一過程。RFID技術為醫療用品，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技術缺乏醫療環境中所需的耐久性和可靠性。例如，醫療機構常用的伽瑪射線滅菌方法會破壞標準的RFID標籤。

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

圖1：富士通RFID晶片提供了24pF和96pF的阻抗選項，能夠實現更簡單的標籤設計，以適應各種形態。

富士通FRAMR FID的優勢

通過電子方式管理材料和資產，已經成為必然趨勢，而不僅是一個參考，RFID的應用將成指數成長。標籤物品和遠端數據庫之間的數據完整性，已經成為非常重要的管理問題。在物品所附的RFID標籤中，本地儲存基本比起完全依賴，只能透過線上網路訪問的後端數據庫更為明智。

這是富士通FRAMRFID技術的核心優勢。富士通FRAMRFID既可以被附加在各種移動物品上，也可以應用在固定設施上。醫生、護士和醫院的工作人員，都可以第一時間看到這些資訊，而不再需要依賴於保存在其他地方的記錄(圖2)。

圖2：FRAMRFID可以在第一時間向醫生、護士以及醫務工作人員提供重要信息。即便標籤受到污染或難以認清，RFID也能無線傳輸標籤中的準確數據。

與僅提供辨識的RFID相比，富士通的大容量RFID，可以包含更多資訊，並且可以與讀寫器實現更多互動。這些RFID本質上來講是具有唯一辨識碼(UID)的行動數據庫。

對移動物品而言，RFID的標籤功能，遠遠超出條形碼的功能。由於RFID的儲存器容量增加了，儲存的資訊可以包括詳細的產品資訊、使用說明或其它歷史記錄，由此可以在供應鏈，乃至整個生命週期中追蹤該物品。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資訊。

FRAM的另一個主要優勢是抗輻射性，這在涉及CT掃描X射線、用於消毒的紫外線和伽馬射線等，醫學和生物處理領域的RFID應用中顯得非常重要。如前所述，FRAM對輻射有很強的耐受性。基於FRAM的RFID可以輕鬆透過標準的醫療滅菌過程，而基於E2PROM的RFID在這一過程會被擦除(圖3)。

為了實現這些應用，以及其他更多的RFID應用，富士通提供的基於FRAM的高頻(13.56MHz)RFID產品，符合ISO/IEC15693和ISO/IEC18000-3標準。這些器件具有256B和2kB兩種不同的內存選擇。這些高頻RFID可以在，不同應用領域的感應卡或標籤中廣為使用，包括工廠自動化、資產追蹤以及醫療用途。

圖3：FRAM比EEPROM更耐輻射。

消毒方法

高壓滅菌器是相對便宜的小型消毒設備，通常在醫院和診所用於對無需深度清潔的物品，進行現場消毒，比如剪刀、鉗子、醫療袍服和夾具。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，經過一段設定的時間進行消毒。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，去除所有有害物質的深度清潔。

其它受歡迎的消毒方法有電子束滅菌、環氧乙烷(EtO)氣體滅菌，和伽馬射線滅菌，它們都已經使用了很長一段時間。在產品被送往終端用戶(如醫院和醫療機構)之前，伽馬射線消毒經常用在器械、試管和酶，這些產品的製造過程當中。伽馬射線消毒在很大程度上，是在受控環境下製造過程的一部分。

這種方法有幾大優點。由於伽馬射線具有高穿透性，產品可以在包裝後、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過程的最後一步，這樣往往可以節省生產過程中，昂貴的清潔室費用。

輻射量取決於物品的原始微生物狀況，和期望達到的安全水平，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)。

由於輻射會產生危害，消毒過程需要嚴格監管。輻射設施價格昂貴，而且通常由專業機構運作。

FRAM和FRAMR FID簡介

FRAM將閃存和E2PROM的非易失性特點，與SRAM類似的性能相結合，為獨立儲存器晶片和嵌入式儲存器，帶來了一系列獨一無二的優點。

富士通開創了FRAM技術，並在該領域耕耘了超過10年，FRAM在對需要非易失性儲存、高安全性、高速、低功耗、耐久性和抗輻射性，這些綜合性能的應用領域表現出眾、口碑良好。

FRAM的應用包括智慧卡、RFID標籤和航空航太設備，但最引人注目的應用領域是醫療領域。

和非接觸式智慧卡類似，RFID標籤透過射頻電磁場，與閱讀器進行數據傳輸。FRAM非常適合用於智慧卡，同樣，它也是RFID的理想選擇：快速數據寫入、低功耗、高耐久性。為充分發揮FRAM的獨特優勢，富士通將重點放在具有大容量內存的高性能RFID上。

使用RFID標籤跟蹤滅菌產品並擴展內存容量

培育酶、培養物、疫苗和藥物需要無污染的環境，連接器、試管和容器等設備，都需要仔細對待並保持清潔。富士通RFAMRFID為醫療環境中的這類嚴重問題，提供瞭解決方案。

有許多方法可以殺死細菌、真菌及病毒等微生物。最常見的方法是在高壓滅菌器中，透過熱量和高壓進行殺菌。在生產過程中殺菌有一種更精細的方法——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品，需要進行跟蹤。通常情況下會使用一個簡單的標記(例如，當已被使用時，化學指示劑會改變顏色)標識該物品已消毒。有時候物品本身沒有任何標記，但是其包裝上卻有(比如覆蓋注射器的塑料包裝袋)。問題是使用現有的標識手段，很難防止已消毒產品重複使用的發生。

在這一過程中，RFID技術非常有用。RFID在物流中已應用了很長一段時間，通過一個類似於條形碼標籤的唯一辨識碼，來實現電子RFID的作用。然而，RFID標籤和條形碼不同的是，它可以通過空中接口來讀取。

這一非接觸式接口無需傳統條形碼，所需的視線和直接光學接觸。例如，RFID技術的重要特性——防撞結構可以清楚地辨識RF場附近的許多RFID。因此，無需開啓或拆開外部包裝，就可以跟蹤和辨識相關的產品或物件。

電子RFID標籤有了大容量的存儲空間後，就可以儲存除標籤上簡單ID碼之外的更多數據(圖4)。數據可以在生產過程中寫入(如批號、生產日期和失效日期)，也可以貫穿整個供應鏈過程(如出廠日期、殺菌日期和物流合作夥伴名稱)。

圖4：更大容量的RFID可以使重要數據(除了簡單的ID)被離線讀出。

醫療器械和產品尤其需要得到可靠的辨識，而它們的治療和生產過程也要得到記錄。監測和檢查流程可以包括在物流操作中，以防假冒產品，和保證產品的可靠性。

RFID可以用來確保，經授權的一次性組件，恰到好處地連接到相應的設備，盡量減少被誤用的潛在風險。RFID可以連接到一次性組件，必須透過連接設備中的閱讀器來驗證，確保使用的是經過授權的組件。

RFID還有一個優點，就是如果沒有RFID，就沒有便捷的方式來追蹤，經消毒的設備是否被重新使用。RFID有助於防止再次使用，這是因為RFID中的數據，不能被用戶或其他醫療工作人員輕易更改。

不過，基於E2PROM的傳統RFID產品，面臨著一個重大缺陷，即它們無法承受輻射過程。內存的內容經照射會被擦除或損壞。為了充分發揮RFID在醫療應用方面的優勢，有必要將伽瑪射線照射過程，同採用鐵電技術的RFID技術融合在一起。這就是富士通FRAM技術的用武之地。

同傳統的非易失性儲存器、閃存以及E2PROM相反的是，FRAM內存的內容，並非以「浮柵」電荷載體的形式儲存。而資訊(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，置於兩個電極之間，同電容器結構相類似。在施加電場的條件下，該材料在一個方向實現極化，而且即便在電場消失後，其仍然保持這一結構。如果電場的方向被翻轉，原子也會相應地進行反向極化。

FRAM內存結構和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，FRAM內存包含了一個帶鐵電媒介的電容器。

圖5：FRAM信息(二進制0或1)包含於鐵電材料鋯鈦酸鉛(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實現極化。儘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，大多數的測試要求達到25kGy的劑量。獨立的科學研究，驗證了FRAM對高達50kGy劑量放射的抵抗力。這就相當於受到連續兩次25kGy的輻射，總共為50kGy，而這一劑量基本沒必要。

因此，FRAM比其他用於儲存產品的典型材料要更耐輻射。

FRAM還提供了其它優勢，特別是在RFID產品應用中，它無需採用產生高編程電壓的電荷泵。因此，FRAM技術要比E2PROM更節能。這會對RFID標籤的運行範圍，產生直接積極影響。由於FRAM耗電量微乎其微，因此為給定電場強度或功率密度，提供了要大的工作範圍。

而且，FRAM儲存器可以予以讀取一樣快的速度寫入數據。

FRAM寫訪問要比E2PROM寫訪問大約快25倍。閃存和E2PROM的最大刪/寫週期數，在10,000和100,000之間。如果超過這個範圍，材料疲勞問題就會導致內存內容，不能被可靠地儲存。比較起來，FRAM儲存器的讀/寫週期超過100億次(1010)，使用壽命幾乎沒有限制。

這就意味著FRAM標籤，可以被使用很多次。對於有許多寫要求的應用而言，FRAM比傳統的非易失儲存器選擇(例如E2PROM和閃存)，擁有不可否認的優勢。

儘管有時候FRAM同鐵磁特性不是很吻合，但是磁場不會影響鐵電材料。

採用FRAM技術

與基於E2PROM/閃存的傳統RFID晶片相比，富士通FerVID系列能夠實現相同的遠端讀寫高速數據傳輸速率。100億週期的寫能力，要遠高於傳統RFID標籤，減少了應用中的成本和時間。

富士通提供HF和UHFFRAMRFID產品，ISO15693箱容設備覆蓋13.56MHz工作頻率，分別具備2kB和256B內存。在860~960MHz的UHF波段中，富士通提供4kB和64kB的FRAM儲存器，同EPCglobalC1G2標準相容。除了標準的ISO命令，產品還具備防撞能力，和自定義快速讀/寫傳輸命令。

另外，雙接口器件有兩種類型：一種是傳統的非接觸式EPCglobalRFID產品，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的一部分來實現。

FRAM具有同類產品無法企及的顯著優勢，將其與RFID的追蹤能力相結合，簡化了醫療設備的追蹤過程，從而確保關鍵醫療產品的安全性。

Batteryless Solutions with Non-volatile Memory, FRAM (Ferroelectric RAM): Fujitsu Semiconductor

FerVID FRAM RFID系列

富士通提供了帶有嵌入式FRAM的HF和UHFRFID產品。同基於RFID晶片的傳統E2PROM/閃存相比，FerVID系列使具有相同數據傳輸速率的遠端讀寫成為可能。

100億週期條件下的寫能力，要遠遠高於傳統RFID標籤，因此可以節省應用中的成本和時間。這些產品同ISO/IEC15693、ISO/IEC18000-3或EPCglobalC1G2相容。富士通提供晶圓、鋸狀晶圓或封裝晶片，也提供帶非接觸式和接觸式SPI整合接口的衍生產品。富士通RFID產品具有256B至4KB的FRAM。

抗輻射性

與E2PROM不同，鐵電儲存器不會因受到輻射而遺失內容。因此，基於FRAM的RFID標籤，非常適合醫療應用或食品行業應用(這些行業中殺菌通過輻射實現)。FRAM可防止高達50kGy伽瑪射線消毒對數據造成影響。

雙接口

FerVID系列包括傳統的非接觸式EPCglobalRFID產品，和帶有基於SPI接口的附加接觸方式的衍生產品。這一雙接口類型可以作為微處理器嵌入式系統的一部分來實現。

由傳感器和微控制器捕捉到的數據，會被儲存在FRAM設備中。用戶可以透過非接觸式UHF接口，輕鬆獲得這一數據。反之，用戶可以透過RF場將配置，和控制數據傳給嵌入式系統。許多應用可以從中受益，例如物流追蹤系統、數據採集、資訊顯示或自動售貨機。