一種基于可穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)芯片的無線收發(fā)器

引言

健康與每個人都息息相關，已成為當今人類社會關注的熱點。可穿戴式醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)可以很方便地收集人體的健康數(shù)據(jù)，對疾病進行預測和早期診斷?；诘统杀?、低功耗、高傳輸速率無線通信技術實現(xiàn)的可穿戴醫(yī)療芯片系統(tǒng)方案，有助于病人在日常工作、生活中實時采集身體的基本生命參數(shù)，通過減少醫(yī)患面對面的問診時間，以縮短病人在醫(yī)院的等候時間，從而緩解目前醫(yī)務資源不足的矛盾，同時也提高患者就醫(yī)的質(zhì)量。另外，慢性病(如高血壓、糖尿病、高血脂)已成為當今人類健康的頭號殺手，慢性病的治療離不開長期、不間斷地對患者的身體健康數(shù)據(jù)進行采集和監(jiān)控。可穿戴式醫(yī)療芯片由于體積小、功耗低、使用成本低，患者較易于接受，龐大的潛在消費市場前景吸引了多家芯片設計公司如(Philips、Zarlink、Ti等)加入到其研發(fā)和商業(yè)推廣中。

穿戴于指尖的血氧傳感器、腕表型血糖傳感器、腕表型睡眠品質(zhì)監(jiān)測器、睡眠生理檢查器、腰帶式呼吸心跳監(jiān)護儀、可植入型身份識別組件等。無線可穿戴式醫(yī)療微系統(tǒng)由一些安置在人體體表的無線傳感器組成，如人們平時穿戴的衣帽、腕表、首飾等，都可以用來置入微型可穿戴式醫(yī)療芯片。由于置于體表的不同部位，不同傳感器之間以及和主處理顯示芯片之間的大量導線連接，勢必給使用者帶來極大的不便，無線通信技術作為導線的替代傳輸方式，其優(yōu)勢就顯得尤為突出。目前，大多數(shù)無線通信技術都專注于提高無線數(shù)據(jù)的傳輸速率，而用于穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)的無線傳輸技術還必須同時考慮盡量減少無線信號傳輸過程中的功耗?？纱┐麽t(yī)療芯片上用于收發(fā)無線信號的收發(fā)器部分通常是整個醫(yī)療芯片中能耗最大的部分，為了方便客戶長時間的穿戴使用，無線傳輸部分電路的功耗無疑是穿戴式芯片設計者需重點考慮的問題。圍繞著低功耗、高傳輸速率這些目標，Zarlink、Nordic、Philips、chipcon等公司都陸續(xù)推出了超低功耗射頻收發(fā)芯片的解決方案。

1　可穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)芯片結(jié)構

基于無線通信技術的可穿戴式醫(yī)療芯片的總體結(jié)構如圖1所示，一般由生理信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(ADC)、數(shù)字信號基帶處理電路、控制器、發(fā)

射接收電路幾部分組成。首先，由信號采集低噪聲儀表放大器電路對人體的生理數(shù)據(jù)進行采集，然后將獲取的生理信號通過AD轉(zhuǎn)換，量化生成易處理的數(shù)字信號，經(jīng)過編碼、FFT等數(shù)字信號處理后，通過發(fā)射電路發(fā)送出去。同時，外界控制信號、數(shù)據(jù)也可以通過芯片上的接收電路接收。控制器用來控制整個芯片的工作，并可以通過對控制器的編程，滿足不同的應用需求。通常，一款高性能的可穿戴式醫(yī)療芯片由高性能的數(shù)字、模擬和射頻部分組成，尤其是模擬和射頻部分的性能好壞，直接影響芯片的整體性能。而醫(yī)療芯片模擬和射頻收發(fā)器部分顯然是整個芯片中功耗最大的部分，因此設計這兩部分電路時，設計者通常要在低功耗、高性能兩方面進行權衡。下面，介紹典型的可穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)芯片的各個組成部分。

圖1　可穿戴式醫(yī)療芯片系統(tǒng)結(jié)構圖

1.1　生理信號采集低噪聲放大器

生理信號的采集一般通過片上集成的生物傳感器采集得到。為了方便集成，傳感器采用CMOS工藝的低噪聲放大器實現(xiàn)，可將生物信號轉(zhuǎn)成生物電信號。為了同時得到多種生理信息，在芯片上可集成多個不同功能的放大器形成多通道，以采集血壓、血氧飽和度、呼吸速率、心跳、體溫等體征參數(shù)。由于人體的生理信號比較微弱，容易受到周圍環(huán)境的噪聲干擾，所以放大器要做到高靈敏度、高增益、低噪聲、低功耗;同時，在放大器后使用截止頻率在1kHz左右的低通濾波器，以進一步濾除生物電信號以外其他頻率的干擾噪聲。放大器可以設計成多種工作模式，如監(jiān)聽、工作和睡眠等模式，以便減少芯片功耗。

1.2　AD轉(zhuǎn)換器(ADC)

前置的多通道生理信號采集放大器采集多種生理信息，通過模擬多路復接器連接到ADC的輸入端口，模擬多路復接器一次只能選擇一個前置放大器的輸出。為了減小功耗，通常ADC選取逐次逼近的結(jié)構，位數(shù)為10 bit左右。為了提高精度和轉(zhuǎn)換速率，也可以采用sigma-delta或者流水線型結(jié)構的ADC，其位數(shù)越高，轉(zhuǎn)換速率越高，但是功耗也較大，而設計可穿戴醫(yī)療芯片，低功耗是關鍵。另外，ADC的單位電容要選取得當，選取太大會很占芯片面積，同時也要考慮盡量減少寄生電容對單位電容的影響。

1.3　控制器

芯片可采用ARM核、MCU作為控制器，通過總線對芯片其他部分電路的工作模式進行控制;可以控制數(shù)據(jù)的工作時序，對寄存器進行配置，并控制芯片其他部分占用數(shù)據(jù)總線實時通信。

1.4　數(shù)字信號處理基帶

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎蜏蚀_性、安全性，ADC輸出的數(shù)字信號需要經(jīng)過數(shù)字信號機基帶處理器，進行數(shù)字壓縮和編碼，也可以通過FFT變換、數(shù)字濾波，進一步濾除干擾頻率噪聲。

1.5　射頻收發(fā)器

由于人體生理信號的采集需根據(jù)生理特點，將可穿戴式醫(yī)療芯片置于身體的不同部位，芯片之間互聯(lián)導線的存在令人活動不便，且導線太多容易纏繞也令人極為不適，因此采用無線方式傳輸信號和數(shù)據(jù)是最直接、最自然的方法。在可穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)芯片上集成無線射頻收發(fā)器，所要考慮的關鍵問題和一般無線產(chǎn)品應用關注的問題有很大不同。首先，這是一種非對稱的無線傳輸方式，主要是采集人體信號并發(fā)射出去，而接收的信號主要來自于一些控制命令，數(shù)據(jù)量很小，所以可以采用半雙工的通信模式，并且下行用低速、上行用高速傳輸。其次，芯片要長時間工作，且用于穿戴式芯片的電池一般為鈕扣電池，工作電壓在1.2～1.5 V之間，電池容量也小于幾百mA·h。無線收發(fā)部分通常是芯片功耗最大的部分，設計者面臨的難題是低工作電壓、低功耗和較高的傳輸速率，因此要仔細考慮無線收發(fā)器所采用的結(jié)構，以及載波頻率、傳輸方式、調(diào)制方式、傳輸速率和功耗等關鍵技術的實現(xiàn)。

2　可穿戴式醫(yī)療芯片的無線通信標準

無線通信技術日新月異地發(fā)展，對現(xiàn)代醫(yī)療技術的進步起到了巨大的推動作用。目前，存在多種通信標準可以用于穿戴式醫(yī)療芯片之間的通信，這些標準根據(jù)自身的特點能很好地適用于特定的應用場合，但同時也可能導致不能很好地發(fā)揮穿戴式醫(yī)療芯片低功耗、短距離通信的特點。下面對這些通信標準各自的性能、特點做簡要的介紹(見圖2)。

圖2　各種無線通信方式傳輸距離和功耗的比較

2.1　藍牙

藍牙(blue tooth)標準采用跳頻和擴頻技術，能夠很好地抑制碼間干擾，提高通信質(zhì)量，保持通話的安全性。藍牙標準可分別支持1、10和100 m三種不同的通信距離，并可提供高達1 Mbps的通信速率。它結(jié)構簡單，并可使單芯片價格降到5美元以下，技術成熟，非常有市場競爭力。藍牙標準提供點對點串行通信和共享信道的主控制器接口的通信方式，這樣非常適合人體局域網(wǎng)的搭建。但是，由于穿戴式醫(yī)療芯片的通信范圍一般局限在近人體區(qū)域，而藍牙工作在2.4 GHz，如此高的頻率對人體的影響還不可知，由于人們對高頻通信的恐懼，且其功耗比較大，因此藍牙標準并不是理想的選擇。

2.2　Zigbee

Zigbee可工作在3種不同的工作頻率：2.4 GHz、900 MHz和800 MHz頻段。相比藍牙標準，Zigbee的功耗較小。當工作在2.4 GHz頻段時，可達到其最大的數(shù)據(jù)傳輸率240 kbps。Zigbee的缺點就是數(shù)據(jù)傳輸率太低，傳輸延時大，安全性不好，并且當工作在2.4 GHz頻率時，由于集中在該工作頻段的通信協(xié)議種類龐雜，使得Zigbee很容易受到其他種類通信電波的干擾。

2.3　UWB

UWB的工作頻率范圍是3.1～10 GHz，它的平均數(shù)據(jù)傳輸速率可達850 kbps，并可增加到26Mbps。該標準規(guī)定了功率譜密度為-41dB(m) MHz，但是時域波形尚沒有具體要求，因此可以采用脈沖傳輸技術，使得射頻發(fā)送器的結(jié)構十分簡單，而把設計壓力、功耗設計轉(zhuǎn)移到射頻接收器的設計上來。如前所述，可穿戴式醫(yī)療芯片是非對稱性信號傳輸，發(fā)射數(shù)據(jù)流量遠遠大于輸入數(shù)據(jù)流量，所以UWB十分適合這種非對稱性無線通信的特點，從而降低了功耗和系統(tǒng)復雜度。而且UWB是一種超寬帶技術，利用超寬帶來換得低功耗，使得功耗相對較低。

2.4　WLAN 802.11

IEEE 802.11 WLAN工作在ISM頻段(工業(yè)、科學和醫(yī)用頻段)。其中802.11b和802.11g工作在2.4 GHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸率分別為11 Mbps和54Mbps。802.11a工作在5 GHz頻段，可提供最高54Mbps的傳輸率。它的通信距離比較大，并且由于采用直接序列擴頻技術，抗干擾能力強，但是其功耗大、結(jié)構復雜、價格太高，因此不適合用于穿戴式醫(yī)療芯片的設計。

2.5　無線USB

無線USB(wirelessUSB)技術是和UWB一樣，是一種基于超寬帶技術的無線通信技術。它工作在3.1～10.6 GHz，其通信距離分為3和10 m兩種，適于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸速率可分別高達480 Mbps和110 Mbps。但是，這種技術面臨的最大挑戰(zhàn)還是功耗問題，也是限制其在醫(yī)療芯片通信上應用的最大因素。

2.6　紅外通信(IrDa)

紅外通信是一種成本低廉、實現(xiàn)簡易的無線通信方式，但是由于紅外線的直射特性，IrDa只適用于5834期黃進等：基于可穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)芯片的無線收發(fā)器短距離、點對點并且需要對準，且傳輸速率也不高。相比Blue tooth、Zigbee等無線通信技術，其使用極不方便。

2.7　射頻識別技術

射頻識別技術RFID是一種利用空間耦合交變電磁場實現(xiàn)無人體接觸的數(shù)據(jù)通信的射頻識別技術。我國規(guī)劃的RFID頻段為50～190 kHz，高頻波段為13.56 MHz±7 kHz，還有432～434.79 MHz;我國規(guī)劃的另外一個頻段就是900、910和、910.1 MHz這三個頻點，已廣泛應用于列車車輛識別。同IrDa、Zigbee一樣，RFID是一種室內(nèi)無線通信技術，通信距離短，可以在醫(yī)療領域的多種應用中發(fā)揮作用，如移動資產(chǎn)管理、庫存管理、實時病人監(jiān)測、藥品追蹤和分配等。但是，這種技術本身是一種電子標簽、射頻識別技術，傳輸速率極低，且信息很容易被盜取，因此不適合穿戴式醫(yī)療芯片的實時無線互聯(lián)應用。

2.8　人體通信

人體通信(Bio-channel)技術即人體通信技術，是近年才興起的新概念，它最先由MIT媒體實驗室的Zimmerman于1995年提出。不同于以往的任何無線通信技術，人體通信利用近人體磁場或人體本身作為通信媒介，通信距離非常短，甚至需要人體接觸才能通信，因此可以人為精確地控制通信范圍和通信的對象，大大降低了不同信道信號竄擾的問題，而且也使得通話的安全性得到了很好的保證。通常，在近人體區(qū)域的通信方式還可以采用有線的方式，這能保證數(shù)據(jù)高速、準確地傳輸而不受外界噪聲的干擾，但是導線容易纏繞，人們使用起來極為不便。另一方面，采用如Zigbee和Blue tooth這樣成熟的數(shù)據(jù)通信技術，雖然避免了導線帶來的麻煩，但是又存在通信速度慢、芯片功耗大、易受空間雜波電磁信號干擾等問題。因此，人體通信的概念一經(jīng)提出，立刻引起了學術界和業(yè)界的廣泛關注。

3　基于穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)芯片的無線收發(fā)器的開發(fā)實例

由于微電子技術的迅猛發(fā)展和當前老齡化的人類社會的需要，人們開發(fā)出了可穿戴式的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。體域網(wǎng)(BAN)由許多人體傳感器節(jié)點組成，每個無線傳感器節(jié)點都可以通過穿戴式醫(yī)療芯片內(nèi)的無線收發(fā)器和其他節(jié)點(或者中心節(jié)點)進行通信。早期的人體醫(yī)療監(jiān)護的短距離無線通信芯片研究，很多采用ASK FSK調(diào)制、低功耗、簡單的晶體振蕩器充當發(fā)射器，這種結(jié)構只能傳輸單一的人體體征數(shù)據(jù)，性能不高，且晶體振蕩器頻率低，開關啟動時間較長，造成通信傳輸速率很低。隨著現(xiàn)代生物醫(yī)學工程技術研究的深入開展，在過去的十幾年里，人們又提出了一些基于電感耦合線圈通信的新型電路和系統(tǒng)，但這種基于電感線圈的方案同樣存在通信質(zhì)量差、傳輸速率低、傳輸時間長的問題，這就等于降低了通信效率，變相減少了供電電池的使用時間。

以上這些非標準化的通信系統(tǒng)難以滿足追求超低功耗、超小體積、高可靠性、高通信速率的穿戴式醫(yī)療無線通信的要求，在日益增長的無線健康監(jiān)護需求的推動下，各國科研機構和各大芯片公司都競相在這一領域針對這些要求開展了大量的應用研究和開發(fā)，其中極具代表性的有：加拿大Zarlink公司開發(fā)ZL70101射頻收發(fā)芯片、英國Toumaz公司開發(fā)的Sensium系統(tǒng)芯片，以及美國UC Berkeley大學無線節(jié)點網(wǎng)通信芯片研究小組設計的2.4 GHz 400mV供電電壓的低功耗射頻收發(fā)芯片和韓國科學院研發(fā)的人體通信無線收發(fā)芯片。

3.1　Zarlink醫(yī)療植入通信系統(tǒng)ZL70101芯片

2006年，加拿大Zarlink半導體公司推出了一款超低功耗的、用于醫(yī)療植入系統(tǒng)的高性能射頻收發(fā)芯片ZL70101。這款芯片集成度非常高，如果不算匹配網(wǎng)絡，僅需1顆24 MHz的石英晶體和2顆退耦電容總共3個片外元件;其工作頻段為433 MHz的ISM頻段，采用0.18μm RF CMOS工藝。收發(fā)器工作電流為5.5 mA，在睡眠模式下僅為250 nA。整塊芯片上集成了400 MHz的射頻收發(fā)器，2.45 GHz的喚醒信號監(jiān)聽接收器和1個介質(zhì)通路控制器(MAC)，芯片結(jié)構圖如圖3所示。

接收機采用低中頻結(jié)構，由低噪聲放大器、鏡像頻率抑制混頻器、中頻鏡像抑制多相濾波器(PPF)、信號強度指示器(RSSI)、ADC組成。發(fā)送器由上混頻器和功率放大器組成，采用FSK頻移鍵控的調(diào)制方式。喚醒系統(tǒng)是一個采用OOK調(diào)制方式的接收機，工作在2.45 GHz頻段，可以定時探測基站發(fā)來的啟動信號，以開啟整個芯片的電源，這樣就能極大地降低整款芯片的平均工作電流。這款芯片是針對植入式醫(yī)療監(jiān)護應用的，但是由于其超低功耗的設計、2 m的通信距離、高達800kbps的傳輸速率，也能很好地滿足體外穿戴式醫(yī)療芯片的無線互聯(lián)要求。

圖3　Zarlink公司MICS射頻收發(fā)器原理框圖

3.2　Toumaz用于生物遙感的超低功耗系統(tǒng)芯片的無線收發(fā)器

2007年，英國的Toumaz公司發(fā)布了一款系統(tǒng)集成芯片Sensium，它集成了SPI總線、ADC、MCU、SRAM和一個超低功耗的射頻收發(fā)器。這款Sensium芯片的射頻收發(fā)器部分芯片面積為7 mm2，采用0.13μm RF CMOS工藝，1 V工作電壓，工作頻率能同時滿足歐洲標準870 MHz頻段和美國標準928MHz頻段，接收時消耗電流僅為2.1 mA，發(fā)射功率為-7 dB(m)，發(fā)射時消耗電流為2.6 mA;收發(fā)部分采取半雙工的工作方式，F(xiàn)SK調(diào)制，誤碼率為10-3，數(shù)據(jù)傳輸率為50 kbps。由于此芯片是針對ECG、心博和人體體溫的遙測采集應用而開發(fā)的，所以其性能指標完全可以達到設計應用的要求。芯片采用Sliding-IF結(jié)構，相比傳統(tǒng)的低中頻結(jié)構收發(fā)器，具有更高的鏡像頻率抑制能力，而且由于采用兩級頻率遷移，比零中頻結(jié)構的收發(fā)器直流漂移要小很多。

為達到低功耗的要求，整個芯片的工作電壓為1 V，這個值要小于0.13μm工藝下PMOS和NMOS的Vth之和，因此很多器件尤其是模擬和射頻部分的很多管子都工作在亞閾值和弱反型區(qū)，極大地減少了功耗，但也為射頻模擬部分電路的設計帶來了挑戰(zhàn)。接收部分采用零中頻結(jié)構，整塊芯片的系統(tǒng)結(jié)構如圖4所示。

LNA是單端輸入共源共柵結(jié)構，輸出采用片上平面電感和可調(diào)電容矩陣作為匹配負載，LNA的輸出直接接到第一級下混頻器的一端，而這個雙平衡吉爾伯特單元混頻器的另一輸入端接到電源，形成偽差分工作模式的混頻器結(jié)構。發(fā)送部分的最后一級驅(qū)動緩沖器采用開漏結(jié)構的單管NMOS放大器，其漏極直接接到片外電感電容匹配網(wǎng)絡。這一級NMOS管漏級直接接到電源，因此必須用雙柵的厚柵NMOS管，以防芯片擊穿。發(fā)送器結(jié)構簡單，其VCO工作在自振狀態(tài)。通信鏈路的通信損失可以通過基于RSSI的自動增益控制(AGC)來調(diào)節(jié)，且發(fā)送器的驅(qū)動緩沖器的增益可調(diào)，從而達到提高功率發(fā)射效率的目的。

3.3　基于人體通信的無線收發(fā)器芯片

2007年，韓國科學院Seong-Jun Son領導的研發(fā)小組設計出了當今世界上功耗最低、同時數(shù)據(jù)傳輸率可達2 Mbps的人體通信(Bio-Channel)無線收發(fā)器芯片[55]。這款芯片采用類似于UWB的寬帶通信技術，依賴人體近磁場傳導通信數(shù)據(jù)。整個收發(fā)機上集成了全數(shù)字的收發(fā)機系統(tǒng)(見圖5)，無數(shù)字調(diào)制方式，芯片工作電壓為1 V，功耗僅為0.2 mW，芯片面積為0.85 mm2，整體性能指標使其十分適合應用于短距離、高數(shù)據(jù)傳輸率且要求極低功耗的穿戴式芯片的互聯(lián)。

由于此芯片設計基于人體通信的原理，其工作頻率可以是1～200 MHz，采用0.25μm CMOS工藝，整個收發(fā)器芯片上只有一個信號傳導電極接觸人體皮膚或者貼在衣物上，省去了以往無線人體通信所需額外的全局接地電極。芯片的發(fā)送器部分主要由環(huán)形振蕩器、偽隨機碼發(fā)生器(PRBS)和驅(qū)動緩沖器組成，芯片的接收器部分則由模擬前端放大器，電平移位電路、施密特觸發(fā)器和時鐘恢復鎖相環(huán)電路(CDR)組成。為了降低功耗，芯片采用了無調(diào)制直接數(shù)字傳輸，采用200 MHz寬帶數(shù)據(jù)傳輸、全數(shù)字時鐘恢復電路、全數(shù)控數(shù)字振蕩器(DCO)、正交采樣技術。這些低功耗電路設計技術的應用，使最耗電的前端放大器電路和時鐘產(chǎn)生電路的功耗降到最低。

圖4　Toumaz公司射頻收發(fā)器原理框圖

圖5　人體通信原理的無線收發(fā)器

4　穿戴式醫(yī)療無線收發(fā)芯片前景展望

當今社會人們的生活工作壓力非常大，隨著人們對自身健康的要求越來越高，穿戴式醫(yī)療芯片正在逐步融入到現(xiàn)實生活中。隨著生物醫(yī)學工程技術和微電子技術的不斷發(fā)展，穿戴式醫(yī)療芯片也在逐步走向微型化、網(wǎng)絡化。穿戴式醫(yī)療微系統(tǒng)要求將生理信號傳感器節(jié)點裝置穿戴在患者身上，因此要求微型化，使患者在長期穿戴過程中保持低負荷。同時，需要將患者的生理特征信號通過無線網(wǎng)絡傳送到中心基站節(jié)點或者其他傳感器節(jié)點，因而網(wǎng)絡化也是其發(fā)展最基本的要求。因此，當前的穿戴式醫(yī)療芯片必然走向系統(tǒng)全集成SOC，以達到微型化和低成本;同時，片上集成射頻收發(fā)電路部分，也使傳感器的節(jié)點信號可以方便、實時地傳輸出去，以使人體的健康狀況得到隨時隨地的移動監(jiān)控。

現(xiàn)在國際上并沒有制定出針對個人穿戴式醫(yī)療系統(tǒng)的專門無線通信標準，目標市場為工業(yè)、家庭、醫(yī)學低成本低功耗無線通信的IEEE802.15系列標準被用于個人穿戴式醫(yī)療芯片的研制。雖然目前上已經(jīng)有基于Zigbee、Blue tooth、WLAN的穿戴式醫(yī)療芯片問世，但是由于其通信協(xié)議并不是完全針對穿戴式醫(yī)療應用制定的，其MAC層、QoS不能根據(jù)穿戴式醫(yī)療無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡凸?、高傳輸速度、短距離的特點進行優(yōu)化，因此還達不到應用的要求。面對上述挑戰(zhàn)，醫(yī)療芯片的設計者在低功耗電路設計、無線通信的傳輸方式等領域都還有很大的空間去發(fā)揮，很多基于此考慮的創(chuàng)新電路系統(tǒng)結(jié)構和概念的實用性都還有待進一步的研究和改進。隨著無線通信技術的發(fā)展、集成電路技術水平的提高、應用市場的不斷開發(fā)，這些問題必將得到解決，并引領著現(xiàn)代人類醫(yī)療健康工程向低成本、微型化、智能化、網(wǎng)絡化不斷發(fā)展。