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。可穿戴式醫療監護系統可以很方便地收集人體的健康數據，對疾病進行預測和早期診斷。基于低成本、低功耗、高傳輸速率無線通信技術實現的可穿戴醫療芯片系統方案，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，通過減少醫患面對面的問診時間，以縮短病人在醫院的等候時間，從而緩解目前醫務資源不足的矛盾，同時也提高患者就醫的質量。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據進行采集和監控。可穿戴式醫療芯片由于體積小、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）加入到其研發和商業推廣中。

穿戴于指尖的血氧傳感器、腕表型血糖傳感器、腕表型睡眠品質監測器、睡眠生理檢查器、腰帶式呼吸心跳監護儀、可植入型身份識別組件等。無線可穿戴式醫療微系統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，其優勢就顯得尤為突出。目前，大多數無線通信技術都專注于提高無線數據的傳輸速率，而用于穿戴式醫療系統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。可穿戴醫療芯片上用于收發無線信號的收發器部分通常是整個醫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等公司都陸續推出了超低功耗射頻收發芯片的解決方案。

1　可穿戴式醫療系統芯片結構

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

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據進行采集，然后將獲取的生理信號通過AD轉換，量化生成易處理的數字信號，經過編碼、FFT等數字信號處理后，通過發射電路發送出去。同時，外界控制信號、數據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療芯片由高性能的數字、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。而醫療芯片模擬和射頻收發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療系統芯片的各個組成部分。

圖1　可穿戴式醫療芯片系統結構圖

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，可將生物信號轉成生物電信號。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。由于人體的生理信號比較微弱，容易受到周圍環境的噪聲干擾，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，如監聽、工作和睡眠等模式，以便減少芯片功耗。

1.2　AD轉換器（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選取逐次逼近的結構，位數為10 bit左右。為了提高精度和轉換速率，也可以采用sigma-delta或者流水線型結構的ADC，其位數越高，轉換速率越高，但是功耗也較大，而設計可穿戴醫療芯片，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;可以控制數據的工作時序，對寄存器進行配置，并控制芯片其他部分占用數據總線實時通信。

1.4　數字信號處理基帶

為了提高數據傳輸的速率和準確性、安全性，ADC輸出的數字信號需要經過數字信號機基帶處理器，進行數字壓縮和編碼，也可以通過FFT變換、數字濾波，進一步濾除干擾頻率噪聲。

1.5　射頻收發器

由于人體生理信號的采集需根據生理特點，將可穿戴式醫療芯片置于身體的不同部位，芯片之間互聯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據是最直接、最自然的方法。在可穿戴式醫療系統芯片上集成無線射頻收發器，所要考慮的關鍵問題和一般無線產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射出去，而接收的信號主要來自于一些控制命令，數據量很小，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器所采用的結構，以及載波頻率、傳輸方式、調制方式、傳輸速率和功耗等關鍵技術的實現。

2　可穿戴式醫療芯片的無線通信標準

無線通信技術日新月異地發展，對現代醫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療芯片之間的通信，這些標準根據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揮穿戴式醫療芯片低功耗、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的搭建。但是，由于穿戴式醫療芯片的通信范圍一般局限在近人體區域，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，可達到其最大的數據傳輸率240 kbps。Zigbee的缺點就是數據傳輸率太低，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，它的平均數據傳輸速率可達850 kbps，并可增加到26Mbps。該標準規定了功率譜密度為-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，使得射頻發送器的結構十分簡單，而把設計壓力、功耗設計轉移到射頻接收器的設計上來。如前所述，可穿戴式醫療芯片是非對稱性信號傳輸，發射數據流量遠遠大于輸入數據流量，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、科學和醫用頻段）。其中802.11b和802.11g工作在2.4 GHz頻段，數據傳輸率分別為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、結構復雜、價格太高，因此不適合用于穿戴式醫療芯片的設計。

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，適于短距離無線數據傳輸，其數據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