基于可穿戴式医疗系统芯片的无线传输技术剖析

时间:2019-4-9 分享到:

引言

健康与每个人都息息相关,已成为当今人类社会关注的热点。可穿戴式医疗监护系统可以很方便地收集人体的健康数据,对疾病进行预测和早期诊断。基于低成本、低功耗、高传输速率无线通信技术实现的可穿戴医疗芯片系统方案,有助于病人在日常工作、生活中实时采集身体的基本生命参数,通过减少医患面对面的问诊时间,以缩短病人在医院的等候时间,从而缓解目前医务资源不足的矛盾,同时也提高患者就医的质量。另外,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,慢性病的治疗离不开长期、不间断地对患者的身体健康数据进行采集和监控。可穿戴式医疗芯片由于体积小、功耗低、使用成本低,患者较易于接受,庞大的潜在消费市场前景吸引了多家芯片设计公司如(Philips、Zarlink、Ti等)加入到其研发和商业推广中。

穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠品质监测器、睡眠生理检查器、腰带式呼吸心跳监护仪、可植入型身份识别组件等。无线可穿戴式医疗微系统由一些安置在人体体表的无线传感器组成,如人们平时穿戴的衣帽、腕表、首饰等,都可以用来置入微型可穿戴式医疗芯片。由于置于体表的不同部位,不同传感器之间以及和主处理显示芯片之间的大量导线连接,势必给使用者带来极大的不便,无线通信技术作为导线的替代传输方式,其优势就显得尤为突出。目前,大多数无线通信技术都专注于提高无线数据的传输速率,而用于穿戴式医疗系统的无线传输技术还必须同时考虑尽量减少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通常是整个医疗芯片中能耗最大的部分,为了方便客户长时间的穿戴使用,无线传输部分电路的功耗无疑是穿戴式芯片设计者需重点考虑的问题。围绕着低功耗、高传输速率这些目标,Zarlink、Nordic、Philips、chipcon等公司都陆续推出了超低功耗射频收发芯片的解决方案。

1 可穿戴式医疗系统芯片结构

基于无线通信技术的可穿戴式医疗芯片的总体结构如图1所示,一般由生理信号采集电路、模数转换电路(ADC)、数字信号基带处理电路、控制器、发

射接收电路几部分组成。首先,由信号采集低噪声仪表放大器电路对人体的生理数据进行采集,然后将获取的生理信号通过AD转换,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,通过发射电路发送出去。同时,外界控制信号、数据也可以通过芯片上的接收电路接收。控制器用来控制整个芯片的工作,并可以通过对控制器的编程,满足不同的应用需求。通常,一款高性能的可穿戴式医疗芯片由高性能的数字、模拟和射频部分组成,尤其是模拟和射频部分的性能好坏,直接影响芯片的整体性能。而医疗芯片模拟和射频收发器部分显然是整个芯片中功耗最大的部分,因此设计这两部分电路时,设计者通常要在低功耗、高性能两方面进行权衡。下面,介绍典型的可穿戴式医疗系统芯片的各个组成部分。

基于可穿戴式医疗系统芯片的无线传输技术剖析

图1 可穿戴式医疗芯片系统结构图

1.1 生理信号采集低噪声放大器

生理信号的采集一般通过片上集成的生物传感器采集得到。为了方便集成,传感器采用CMOS工艺的低噪声放大器实现,可将生物信号转成生物电信号。为了同时得到多种生理信息,在芯片上可集成多个不同功能的放大器形成多通道,以采集血压、血氧饱和度、呼吸速率、心跳、体温等体征参数。由于人体的生理信号比较微弱,容易受到周围环境的噪声干扰,所以放大器要做到高灵敏度、高增益、低噪声、低功耗;同时,在放大器后使用截止频率在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干扰噪声。放大器可以设计成多种工作模式,如监听、工作和睡眠等模式,以便减少芯片功耗。

1.2 AD转换器(ADC)

前置的多通道生理信号采集放大器采集多种生理信息,通过模拟多路复接器连接到ADC的输入端口,模拟多路复接器一次只能选择一个前置放大器的输出。为了减小功耗,通常ADC选取逐次逼近的结构,位数为10 bit左右。为了提高精度和转换速率,也可以采用sigma-delta或者流水线型结构的ADC,其位数越高,转换速率越高,但是功耗也较大,而设计可穿戴医疗芯片,低功耗是关键。另外,ADC的单位电容要选取得当,选取太大会很占芯片面积,同时也要考虑尽量减少寄生电容对单位电容的影响。

1.3 控制器

芯片可采用ARM核、MCU作为控制器,通过总线对芯片其他部分电路的工作模式进行控制;可以控制数据的工作时序,对寄存器进行配置,并控制芯片其他部分占用数据总线实时通信。

1.4 数字信号处理基带

为了提高数据传输的速率和准确性、安全性,ADC输出的数字信号需要经过数字信号机基带处理器,进行数字压缩和编码,也可以通过FFT变换、数字滤波,进一步滤除干扰频率噪声。

1.5 射频收发器

由于人体生理信号的采集需根据生理特点,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,且导线太多容易缠绕也令人极为不适,因此采用无线方式传输信号和数据是最直接、最自然的方法。在可穿戴式医疗系统芯片上集成无线射频收发器,所要考虑的关键问题和一般无线产品应用关注的问题有很大不同。首先,这是一种非对称的无线传输方式,主要是采集人体信号并发射出去,而接收的信号主要来自于一些控制命令,数据量很小,所以可以采用半双工的通信模式,并且下行用低速、上行用高速传输。其次,芯片要长时间工作,且用于穿戴式芯片的电池一般为钮扣电池,工作电压在1.2~1.5 V之间,电池容量也小于几百mA·h。无线收发部分通常是芯片功耗最大的部分,设计者面临的难题是低工作电压、低功耗和较高的传输速率,因此要仔细考虑无线收发器所采用的结构,以及载波频率、传输方式、调制方式、传输速率和功耗等关键技术的实现。

2 可穿戴式医疗芯片的无线通信标准

无线通信技术日新月异地发展,对现代医疗技术的进步起到了巨大的推动作用。目前,存在多种通信标准可以用于穿戴式医疗芯片之间的通信,这些标准根据自身的特点能很好地适用于特定的应用场合,但同时也可能导致不能很好地发挥穿戴式医疗芯片低功耗、短距离通信的特点。下面对这些通信标准各自的性能、特点做简要的介绍(见图2)。

基于可穿戴式医疗系统芯片的无线传输技术剖析

图2 各种无线通信方式传输距离和功耗的比较

2.1 蓝牙

蓝牙(blue tooth)标准采用跳频和扩频技术,能够很好地抑制码间干扰,提高通信质量,保持通话的安全性。蓝牙标准可分别支持1、10和100 m三种不同的通信距离,并可提供高达1 Mbps的通信速率。它结构简单,并可使单芯片价格降到5美元以下,技术成熟,非常有市场竞争力。蓝牙标准提供点对点串行通信和共享信道的主控制器接口的通信方式,这样非常适合人体局域网的搭建。但是,由于穿戴式医疗芯片的通信范围一般局限在近人体区域,而蓝牙工作在2.4 GHz,如此高的频率对人体的影响还不可知,由于人们对高频通信的恐惧,且其功耗比较大,因此蓝牙标准并不是理想的选择。

2.2 Zigbee

Zigbee可工作在3种不同的工作频率:2.4 GHz、900 MHz和800 MHz频段。相比蓝牙标准,Zigbee的功耗较小。当工作在2.4 GHz频段时,可达到其最大的数据传输率240 kbps。Zigbee的缺点就是数据传输率太低,传输延时大,安全性不好,并且当工作在2.4 GHz频率时,由于集中在该工作频段的通信协议种类庞杂,使得Zigbee很容易受到其他种类通信电波的干扰。

2.3 UWB

UWB的工作频率范围是3.1~10 GHz,它的平均数据传输速率可达850 kbps,并可增加到26Mbps。该标准规定了功率谱密度为-41dB(m) MHz,但是时域波形尚没有具体要求,因此可以采用脉冲传输技术,使得射频发送器的结构十分简单,而把设计压力、功耗设计转移到射频接收器的设计上来。如前所述,可穿戴式医疗芯片是非对称性信号传输,发射数据流量远远大于输入数据流量,所以UWB十分适合这种非对称性无线通信的特点,从而降低了功耗和系统复杂度。而且UWB是一种超宽带技术,利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工作在ISM频段(工业、科学和医用频段)。其中802.11b和802.11g工作在2.4 GHz频段,数据传输率分别为11 Mbps和54Mbps。802.11a工作在5 GHz频段,可提供最高54Mbps的传输率。它的通信距离比较大,并且由于采用直接序列扩频技术,抗干扰能力强,但是其功耗大、结构复杂、价格太高,因此不适合用于穿戴式医疗芯片的设计。

2.5 无线USB

无线USB(wirelessUSB)技术是和UWB一样,是一种基于超宽带技术的无线通信技术。它工作在3.1~10.6 GHz,其通信距离分为3和10 m两种,适于短距离无线数据传输,其数据传输速率可分别高达480 Mbps和110 Mbps。但是,这种技术面临的最大挑战

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关键字:可穿戴式 无线传输技术  医疗系统

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2019/ic-news04039460.html
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