导言
健康与每个人都休戚相关，已成为当今人类社会重视的热门。可穿戴式医疗监护体系能够很便利地搜集人体的健康数据，对疾病进行猜测和前期确诊。依据低本钱、低功耗、高传输速率无线通讯技能完成的可穿戴医疗芯片体系计划，有助于患者在日常作业、日子中实时收集身体的根本生命参数，经过削减医患面临面的问诊时刻，以缩短患者在医院的等候时刻，然后缓解现在医务资源缺乏的对立，一起也前进患者就医的质量。别的，慢性病(如高血压、糖尿病、高血脂)已成为当今人类健康的头号杀手，慢性病的医治离不开长时间、不间断地对患者的身体健康数据进行收集和监控。可穿戴式医疗芯片因为体积小、功耗低、运用本钱低，患者较易于承受，巨大的潜在消费商场远景招引了多家芯片规划公司如(Philips、Zarlink、Ti等)加入到其研发和商业推行中。
穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡觉质量监测器、睡觉生理查看器、腰带式呼吸心跳监护仪、可植入型身份辨认组件等。无线可穿戴式医疗微体系由一些安顿在人体体表的无线传感器组成，如人们平常穿戴的衣帽、腕表、首饰等，都能够用来置入微型可穿戴式医疗芯片。因为置于体表的不同部位，不同传感器之间以及和主处理显现芯片之间的许多导线衔接，必定给运用者带来极大的不便利利利，无线通讯技能作为导线的代替传输办法，其优势就显得尤为杰出。现在，大多数无线通讯技能都专心于前进无线数据的传输速率，而用于穿戴式医疗体系的无线传输技能还必须一起考虑尽量削减无线信号传输过程中的功耗。可穿戴医疗芯片上用于收发无线信号的收发器部分一般是整个医疗芯片中能耗最大的部分，为了便利客户长时刻的穿戴运用，无线传输部分电路的功耗无疑是穿戴式芯片规划者需求点考虑的问题。围绕着低功耗、高传输速率这些方针，Zarlink、Nordic、Philips、chipcon等公司都连续推出了超低功耗射频收发芯片的解决计划。
1 可穿戴式医疗体系芯片结构
依据无线通讯技能的可穿戴式医疗芯片的全体结构如图1所示，一般由生理信号收集电路、模数转化电路(ADC)、数字信号基带处理电路、操控器、发
射接纳电路几部分组成。首要，由信号收集低噪声外表放大器电路对人体的生理数据进行收集，然后将获取的生理信号经过AD转化，量化生成易处理的数字信号，经过编码、FFT等数字信号处理后，经过发射电路发送出去。一起，外界操控信号、数据也能够经过芯片上的接纳电路接纳。操控器用来操控整个芯片的作业，并能够经过对操控器的编程，满意不同的运用需求。一般，一款高功用的可穿戴式医疗芯片由高功用的数字、模仿和射频部分组成，尤其是模仿和射频部分的功用好坏，直接影响芯片的全体功用。而医疗芯片模仿和射频收发器部分显然是整个芯片中功耗最大的部分，因而规划这两部分电路时，规划者一般要在低功耗、高功用两方面进行权衡。下面，介绍典型的可穿戴式医疗体系芯片的各个组成部分。
图1 可穿戴式医疗芯片体系结构图
1.1 生理信号收集低噪声放大器
生理信号的收集一般经过片上集成的生物传感器收集得到。为了便利集成，传感器选用CMOS工艺的低噪声放大器完成，可将生物信号转成生物电信号。为了一起得到多种生理信息，在芯片上可集成多个不同功用的放大器构成多通道，以收集血压、血氧饱和度、呼吸速率、心跳、体温等体征参数。因为人体的生理信号比较弱小，简略遭到周围环境的噪声搅扰，所以放大器要做到高灵敏度、高增益、低噪声、低功耗;一起，在放大器后运用截止频率在1kHz左右的低通滤波器，以进一步滤除生物电信号以外其他频率的搅扰噪声。放大器能够规划成多种作业形式，如监听、作业和睡觉等形式，以便削减芯片功耗。
1.2 AD转化器(ADC)
前置的多通道生理信号收集放大器收集多种生理信息，经过模仿多路复接器衔接到ADC的输入端口，模仿多路复接器一次只能挑选一个前置放大器的输出。为了减小功耗，一般ADC选取逐次迫临的结构，位数为10 bit左右。为了前进精度和转化速率，也能够选用sigma-delta或许流水线型结构的ADC，其位数越高，转化速率越高，可是功耗也较大，而规划可穿戴医疗芯片，低功耗是要害。别的，ADC的单位电容要选取妥当，选取太大会很占芯片面积，一起也要考虑尽量削减寄生电容对单位电容的影响。
1.3 操控器
芯片可选用ARM核、MCU作为操控器，经过总线对芯片其他部分电路的作业形式进行操控;能够操控数据的作业时序，对寄存器进行装备，并操控芯片其他部分占用数据总线实时通讯。
1.4 数字信号处理基带
为了前进数据传输的速率和精确性、安全性，ADC输出的数字信号需求经过数字信号机基带处理器，进行数字紧缩和编码，也能够经过FFT改换、数字滤波，进一步滤除搅扰频率噪声。
1.5 射频收发器
因为人体生理信号的收集需依据生理特色，将可穿戴式医疗芯片置于身体的不同部位，芯片之间互联导线的存在令人活动不便利利利，且导线太多简略环绕也令人极为不适，因而选用无线办法传输信号和数据是最直接、最天然的办法。在可穿戴式医疗体系芯片上集成无线射频收发器，所要考虑的要害问题和一般无线产品运用重视的问题有很大不同。首要，这是一种非对称的无线传输办法，首要是收集人体信号并发射出去，而接纳的信号首要来自于一些操控指令，数据量很小，所以能够选用半双工的通讯形式，并且下行用低速、上行用高速传输。其次，芯片要长时刻作业，且用于穿戴式芯片的电池一般为钮扣电池，作业电压在1.2～1.5 V之间，电池容量也小于几百mA·h。无线收发部分一般是芯片功耗最大的部分，规划者面临的难题是低作业电压、低功耗和较高的传输速率，因而要细心考虑无线收发器所选用的结构，以及载波频率、传输办法、调制办法、传输速率和功耗等要害技能的完成。
2 可穿戴式医疗芯片的无线通讯规范
无线通讯技能一日千里地展开，对现代医疗技能的前进起到了巨大的推进效果。现在，存在多种通讯规范能够用于穿戴式医疗芯片之间的通讯，这些规范依据本身的特色能很好地适用于特定的运用场合，但一起也或许导致不能很好地发挥穿戴式医疗芯片低功耗、短间隔通讯的特色。下面临这些通讯规范各自的功用、特色做扼要的介绍(见图2)。
图2 各种无线通讯办法传输间隔和功耗的比较
2.1 蓝牙
蓝牙(blue tooth)规范选用跳频和扩频技能，能够很好地按捺码间搅扰，前进通讯质量，坚持通话的安全性。蓝牙规范可别离支撑1、10和100 m三种不同的通讯间隔，并可供给高达1 Mbps的通讯速率。它结构简略，并可使单芯片价格降到5美元以下，技能老练，非常有商场竞争力。蓝牙规范供给点对点串行通讯和同享信道的主操控器接口的通讯办法，这样非常合适人体局域网的建立。可是，因为穿戴式医疗芯片的通讯规模一般约束在近人体区域，而蓝牙作业在2.4 GHz，如此高的频率对人体的影响还不可知，因为人们对高频通讯的惊骇，且其功耗比较大，因而蓝牙规范并不是抱负的挑选。
2.2 Zigbee
Zigbee可作业在3种不同的作业频率：2.4 GHz、900 MHz和800 MHz频段。比较蓝牙规范，Zigbee的功耗较小。当作业在2.4 GHz频段时，可到达其最大的数据传输率240 kbps。Zigbee的缺陷便是数据传输率太低，传输延时大，安全性欠好，并且当作业在2.4 GHz频率时，因为会集在该作业频段的通讯协议品种杂乱，使得Zigbee很简略遭到其他品种通讯电波的搅扰。
2.3 UWB
UWB的作业频率规模是3.1～10 GHz，它的均匀数据传输速率可达850 kbps，并可增加到26Mbps。该规范规则了功率谱密度为-41dB(m) MHz，可是时域波形尚没有具体要求，因而能够选用脉冲传输技能，使得射频发送器的结构非常简略，而把规划压力、功耗规划转移到射频接纳器的规划上来。如前所述，可穿戴式医疗芯片对错对称性信号传输，发射数据流量远远大于输入数据流量，所以UWB非常合适这种非对称性无线通讯的特色，然后下降了功耗和体系杂乱度。并且UWB是一种超宽带技能，运用超宽带来换得低功耗，使得功耗相对较低。
2.4 WLAN 802.11
IEEE 802.11 WLAN作业在ISM频段(工业、科学和医用频段)。其间802.11b和802.11g作业在2.4 GHz频段，数据传输率别离为11 Mbps和54Mbps。802.11a作业在5 GHz频段，可供给最高54Mbps的传输率。它的通讯间隔比较大，并且因为选用直接序列扩频技能，抗搅扰才能强，可是其功耗大、结构杂乱、价格太高，因而不合适用于穿戴式医疗芯片的规划。
2.5 无线USB
无线USB(wirelessUSB)技能是和UWB相同，是一种依据超宽带技能的无线通讯技能。它作业在3.1～10.6 GHz，其通讯间隔分为3和10 m两种，适于短间隔无线数据传输，其数据传输速率可别离高达480 Mbps和110 Mbps。可是，这种技能面临的最大应战仍是功耗问题，也是约束其在医疗芯片通讯上运用的最大要素。
2.6 红外通讯(IrDa)
红外通讯是一种本钱低价、完成简易的无线通讯办法，可是因为红外线的直射特性，IrDa只适用于5834期黄进等：依据可穿戴式医疗体系芯片的无线收发器短间隔、点对点并且需求对准，且传输速率也不高。比较Blue tooth、Zigbee等无线通讯技能，其运用极不便利利利。
2.7 射频辨认技能
射频辨认技能RFID是一种运用空间耦合交变电磁场完成无人体触摸的数据通讯的射频辨认技能。我国规划的RFID频段为50～190 kHz，高频波段为13.56 MHz±7 kHz，还有432～434.79 MHz;我国规划的别的一个频段便是900、910和、910.1 MHz这三个频点，已广泛运用于列车车辆辨认。同IrDa、Zigbee相同，RFID是一种室内无线通讯技能，通讯间隔短，能够在医疗范畴的多种运用中发挥效果，如移动财物办理、库存办理、实时患者监测、药品追寻和分配等。可是，这种技能本身是一种电子标签、射频辨认技能，传输速率极低，且信息很简略被盗取，因而不合适穿戴式医疗芯片的实时无线互联运用。
2.8 人体通讯
人体通讯(Bio-channel)技能即人体通讯技能，是近年才鼓起的新概念，它最先由MIT媒体实验室的Zimmerman于1995年提出。不同于以往的任何无线通讯技能，人体通讯运用近人体磁场或人体本身作为通讯前言，通讯间隔非常短，乃至需求人体触摸才干通讯，因而能够人为精确地操控通讯规模和通讯的方针，大大下降了不同信道信号窜扰的问题，并且也使得通话的安全性得到了很好的确保。一般，在近人体区域的通讯办法还能够选用有线的办法，这能确保数据高速、精确地传输而不受外界噪声的搅扰，可是导线简略环绕，人们运用起来极为不便利利利。另一方面，选用如Zigbee和Blue tooth这样老练的数据通讯技能，尽管避免了导线带来的费事，可是又存在通讯速度慢、芯片功耗大、易受空间杂波电磁信号搅扰等问题。因而，人体通讯的概念一经提出，马上引起了学术界和业界的广泛重视。
3 依据穿戴式医疗体系芯片的无线收发器的开发实例
因为微电子技能的迅猛展开和当时老龄化的人类社会的需求，人们开发出了可穿戴式的医疗监护体系。体域网(BAN)由许多人体传感器节点组成，每个无线传感器节点都能够经过穿戴式医疗芯片内的无线收发器和其他节点(或许中心节点)进行通讯。前期的人体医疗监护的短间隔无线通讯芯片研讨，许多选用ASK FSK调制、低功耗、简略的晶体振荡器充任发射器，这种结构只能传输单一的人体体征数据，功用不高，且晶体振荡器频率低，开关发动时刻较长，构成通讯传输速率很低。跟着现代生物医学工程技能研讨的深入展开，在曩昔的十几年里，人们又提出了一些依据电感耦合线圈通讯的新式电路和体系，但这种依据电感线圈的计划相同存在通讯质量差、传输速率低、传输时刻长的问题，这就等于下降了通讯功率，变相削减了供电电池的运用时刻。
以上这些非规范化的通讯体系难以满意寻求超低功耗、超小体积、高可靠性、高通讯速率的穿戴式医疗无线通讯的要求，在日益增长的无线健康监护需求的推进下，各国科研机构和各大芯片公司都竞相在这一范畴针对这些要求展开了许多的运用研讨和开发，其间极具代表性的有：加拿大Zarlink公司开发ZL70101射频收发芯片、英国Toumaz公司开发的Sensium体系芯片，以及美国UC Berkeley大学无线节点网通讯芯片研讨小组规划的2.4 GHz 400mV供电电压的低功耗射频收发芯片和韩国科学院研发的人体通讯无线收发芯片。
3.1 Zarlink医疗植入通讯体系ZL70101芯片
2006年，加拿大Zarlink半导体公司推出了一款超低功耗的、用于医疗植入体系的高功用射频收发芯片ZL70101。这款芯片集成度非常高，假如不算匹配网络，仅需1颗24 MHz的石英晶体和2颗退耦电容一共3个片外元件;其作业频段为433 MHz的ISM频段，选用0.18μm RF CMOS工艺。收发器作业电流为5.5 mA，在睡觉形式下仅为250 nA。整块芯片上集成了400 MHz的射频收发器，2.45 GHz的唤醒信号监听接纳器和1个介质通路操控器(MAC)，芯片结构图如图3所示。
接纳机选用低中频结构，由低噪声放大器、镜像频率按捺混频器、中频镜像按捺多相滤波器(PPF)、信号强度指示器(RSSI)、ADC组成。发送器由上混频器和功率放大器组成，选用FSK频移键控的调制办法。唤醒体系是一个选用OOK调制办法的接纳机，作业在2.45 GHz频段，能够守时勘探基站发来的发动信号，以敞开整个芯片的电源，这样就能极大地下降整款芯片的均匀作业电流。这款芯片是针对植入式医疗监护运用的，可是因为其超低功耗的规划、2 m的通讯间隔、高达800kbps的传输速率，也能很好地满意体外穿戴式医疗芯片的无线互联要求。
图3 Zarlink公司MICS射频收发器原理框图
3.2 Toumaz用于生物遥感的超低功耗体系芯片的无线收发器
2007年，英国的Toumaz公司发布了一款体系集成芯片Sensium，它集成了SPI总线、ADC、MCU、SRAM和一个超低功耗的射频收发器。这款Sensium芯片的射频收发器部分芯片面积为7 mm2，选用0.13μm RF CMOS工艺，1 V作业电压，作业频率能一起满意欧洲规范870 MHz频段和美国规范928MHz频段，接纳时耗费电流仅为2.1 mA，发射功率为-7 dB(m)，发射时耗费电流为2.6 mA;收发部分采纳半双工的作业办法，FSK调制，误码率为10-3，数据传输率为50 kbps。因为此芯片是针对ECG、心博和人体体温的遥测收集运用而开发的，所以其功用指标彻底能够到达规划运用的要求。芯片选用Sliding-IF结构，比较传统的低中频结构收发器，具有更高的镜像频率按捺才能，并且因为选用两级频率搬迁，比零中频结构的收发器直流漂移要小许多。
为到达低功耗的要求，整个芯片的作业电压为1 V，这个值要小于0.13μm工艺下PMOS和NMOS的Vth之和，因而许多器材尤其是模仿和射频部分的许多管子都作业在亚阈值和弱反型区，极大地削减了功耗，但也为射频模仿部分电路的规划带来了应战。接纳部分选用零中频结构，整块芯片的体系结构如图4所示。
LNA是单端输入共源共栅结构，输出选用片上平面电感和可调电容矩阵作为匹配负载，LNA的输出直接接到榜首级下混频器的一端，而这个双平衡吉尔伯特单元混频器的另一输入端接到电源，构成伪差分作业形式的混频器结构。发送部分的最终一级驱动缓冲器选用开漏结构的单管NMOS放大器，其漏极直接接到片外电感电容匹配网络。这一级NMOS管漏级直接接到电源，因而必须用双栅的厚栅NMOS管，以防芯片击穿。发送器结构简略，其VCO作业在自振状况。通讯链路的通讯丢失能够经过依据RSSI的自动增益操控(AGC)来调理，且发送器的驱动缓冲器的增益可调，然后到达前进功率发射功率的意图。
3.3 依据人体通讯的无线收发器芯片
2007年，韩国科学院Seong-Jun Son领导的研发小组规划出了当今世界上功耗最低、一起数据传输率可达2 Mbps的人体通讯(Bio-Channel)无线收发器芯片[55]。这款芯片选用类似于UWB的宽带通讯技能，依靠人体近磁场传导通讯数据。整个收发机上集成了全数字的收发机体系(见图5)，许多字调制办法，芯片作业电压为1 V，功耗仅为0.2 mW，芯片面积为0.85 mm2，全体功用指标使其非常合适运用于短间隔、高数据传输率且要求极低功耗的穿戴式芯片的互联。
因为此芯片规划依据人体通讯的原理，其作业频率能够是1～200 MHz，选用0.25μm CMOS工艺，整个收发器芯片上只要一个信号传导电极触摸人体皮肤或许贴在衣物上，省去了以往无线人体通讯所需额定的大局接地电极。芯片的发送器部分首要由环形振荡器、伪随机码发生器(PRBS)和驱动缓冲器组成，芯片的接纳器部分则由模仿前端放大器，电平移位电路、施密特触发器和时钟康复锁相环电路(CDR)组成。为了下降功耗，芯片选用了无调制直接数字传输，选用200 MHz宽带数据传输、全数字时钟康复电路、全数控数字振荡器(DCO)、正交采样技能。这些低功耗电路规划技能的运用，使最耗电的前端放大器电路和时钟发生电路的功耗降到最低。
图4 Toumaz公司射频收发器原理框图
图5 人体通讯原理的无线收发器
4 穿戴式医疗无线收发芯片远景展望
当今社会人们的日子作业压力非常大，跟着人们对本身健康的要求越来越高，穿戴式医疗芯片正在逐渐融入到现实日子中。跟着生物医学工程技能和微电子技能的不断展开，穿戴式医疗芯片也在逐渐走向微型化、网络化。穿戴式医疗微体系要求将生理信号传感器节点设备穿戴在患者身上，因而要求微型化，使患者在长时间穿戴过程中坚持低负荷。一起，需求将患者的生理特征信号经过无线网络传送到中心基站节点或许其他传感器节点，因而网络化也是其展开最根本的要求。因而，当时的穿戴式医疗芯片必定走向体系全集成SOC，以到达微型化和低本钱;一起，片上集成射频收发电路部分，也使传感器的节点信号能够便利、实时地传输出去，以使人体的健康状况得到随时随地的移动监控。
现在国际上并没有拟定出针对个人穿戴式医疗体系的专门无线通讯规范，方针商场为工业、家庭、医学低本钱低功耗无线通讯的IEEE802.15系列规范被用于个人穿戴式医疗芯片的研发。尽管现在上已经有依据Zigbee、Blue tooth、WLAN的穿戴式医疗芯片面世，可是因为其通讯协议并不是彻底针对穿戴式医疗运用拟定的，其MAC层、QoS不能依据穿戴式医疗无线数据传输的低功耗、高传输速度、短间隔的特色进行优化，因而还达不到运用的要求。面临上述应战，医疗芯片的规划者在低功耗电路规划、无线通讯的传输办法等范畴都还有很大的空间去发挥，许多依据此考虑的立异电路体系结构和概念的实用性都还有待进一步的研讨和改善。跟着无线通讯技能的展开、集成电路技能水平的前进、运用商场的不断开发，这些问题必将得到解决，并引领着现代人类医疗健康工程向低本钱、微型化、智能化、网络化不断展开。
