引言
健康與每個人都息息相關(guān)，已成為當(dāng)今人類社會關(guān)注的熱點。可穿戴式醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以很方便地收集人體的健康數(shù)據(jù)，對疾病進(jìn)行預(yù)測和早期診斷。基于低成本、低功耗、高傳輸速率無線通信技術(shù)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(wù)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(dāng)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(jìn)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(shè)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(hù)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(dǎo)線連接，勢必給使用者帶來極大的不便，無線通信技術(shù)作為導(dǎo)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(shù)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(shù)還必須同時考慮盡量減少無線信號傳輸過程中的功耗。可穿戴醫(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(shè)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(biāo)，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(gòu)
基于無線通信技術(shù)的可穿戴式醫(yī)療芯片的總體結(jié)構(gòu)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(jìn)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(yīng)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(shè)計這兩部分電路時，設(shè)計者通常要在低功耗、高性能兩方面進(jìn)行權(quán)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(gòu)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(jìn)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(shè)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(fù)接器連接到ADC的輸入端口，模擬多路復(fù)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(gòu)，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(gòu)的ADC，其位數(shù)越高，轉(zhuǎn)換速率越高，但是功耗也較大，而設(shè)計可穿戴醫(yī)療芯片，低功耗是關(guān)鍵。另外，ADC的單位電容要選取得當(dāng)，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(jìn)行控制;可以控制數(shù)據(jù)的工作時序，對寄存器進(jìn)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?zhǔn)確性、安全性，ADC輸出的數(shù)字信號需要經(jīng)過數(shù)字信號機(jī)基帶處理器，進(jìn)行數(shù)字壓縮和編碼，也可以通過FFT變換、數(shù)字濾波，進(jìn)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(dǎo)線的存在令人活動不便，且導(dǎo)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(guān)鍵問題和一般無線產(chǎn)品應(yīng)用關(guān)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(shè)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(xì)考慮無線收發(fā)器所采用的結(jié)構(gòu)，以及載波頻率、傳輸方式、調(diào)制方式、傳輸速率和功耗等關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)。
2 可穿戴式醫(yī)療芯片的無線通信標(biāo)準(zhǔn)
無線通信技術(shù)日新月異地發(fā)展，對現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動作用。目前，存在多種通信標(biāo)準(zhǔn)可以用于穿戴式醫(yī)療芯片之間的通信，這些標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)自身的特點能很好地適用于特定的應(yīng)用場合，但同時也可能導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙
藍(lán)牙（blue tooth）標(biāo)準(zhǔn)采用跳頻和擴(kuò)頻技術(shù)，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(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)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(dá)1 Mbps的通信速率。它結(jié)構(gòu)簡單，并可使單芯片價格降到5美元以下，技術(shù)成熟，非常有市場競爭力。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)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(lán)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(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)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(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee的功耗較小。當(dāng)工作在2.4 GHz頻段時，可達(dá)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(dāng)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(dá)850 kbps，并可增加到26Mbps。該標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，使得射頻發(fā)送器的結(jié)構(gòu)十分簡單，而把設(shè)計壓力、功耗設(shè)計轉(zhuǎn)移到射頻接收器的設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fù)雜度。而且UWB是一種超寬帶技術(shù)，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(xué)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(kuò)頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，但是其功耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格太高，因此不適合用于穿戴式醫(yī)療芯片的設(shè)計。
2.5 無線USB
無線USB（wirelessUSB）技術(shù)是和UWB一樣，是一種基于超寬帶技術(shù)的無線通信技術(shù)。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(dá)480 Mbps和110 Mbps。但是，這種技術(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)