Análisis de la tecnología de transmisión inalámbrica basada en chips de sistemas médicos portátiles

　　Introducción

　　La salud está estrechamente relacionada con todos y se ha convertido en un tema candente de preocupación en la sociedad humana actual. Los sistemas portátiles de monitorización médica pueden recopilar cómodamente datos de salud humana para la predicción de enfermedades y el diagnóstico precoz. La solución de sistema de chip médico portátil, basada en tecnología de comunicación inalámbrica de bajo coste, bajo consumo y alta transmisión, ayuda a los pacientes a recopilar parámetros vitales básicos en tiempo real durante el trabajo y la vida diaria. Al reducir el tiempo de consulta presencial entre médicos y pacientes, se acortan los tiempos de espera en los hospitales, aliviando así la actual escasez de recursos médicos y mejorando la calidad de la atención al paciente. Además, las enfermedades crónicas (como la hipertensión, la diabetes y los lípidos altos en sangre) se han convertido hoy en día en la principal causa de muerte de la salud humana. El tratamiento de las enfermedades crónicas requiere una recopilación y seguimiento continuo y a largo plazo de los datos de salud de los pacientes. Los chips médicos portátiles, debido a su pequeño tamaño, bajo consumo energético y bajos costes operativos, son más fáciles de aceptar para los pacientes. El vasto mercado potencial de consumo ha atraído a muchas empresas de diseño de chips como Philips, Zarlink, Ti, etc., para participar en su investigación y desarrollo y promoción comercial.

　　Sensores de oxígeno en sangre que llevan en la muñeca, sensores de glucosa en sangre tipo reloj de pulsera, monitores de calidad del sueño tipo reloj de pulsera, comprobadores de fisiología del sueño, monitores de respiración y latidos cardíacos tipo cinturón, componentes implantables para el reconocimiento de identidad y más. Los microsistemas médicos portátiles inalámbricos consisten en sensores inalámbricos incrustados en la superficie del cuerpo, como ropa cotidiana, relojes, joyas, etc., todos los cuales pueden usarse para implantar microchips médicos portátiles. Debido a que la tecnología de comunicación inalámbrica se coloca en diferentes partes de la superficie del cuerpo, con numerosos cables conectando distintos sensores y entre los chips principales de la pantalla, inevitablemente causa importantes molestias a los usuarios. Como método alternativo de transmisión para cables, la tecnología de comunicación inalámbrica destaca como una ventaja especialmente destacada. Actualmente, la mayoría de las tecnologías de comunicación inalámbrica se centran en aumentar la velocidad de transmisión de datos inalámbricos, y las tecnologías de transmisión inalámbrica utilizadas en sistemas médicos portátiles también deben considerar minimizar el consumo de energía durante la transmisión inalámbrica de señales. La parte transceptora utilizada para la transmisión inalámbrica de señales en chips médicos portátiles suele ser la parte que más consume energía de todo el chip médico. Para facilitar el uso a largo plazo de dispositivos portátiles, el consumo energético del circuito de transmisión inalámbrica es sin duda una consideración clave para los diseñadores de chips portátiles. Centrados en los objetivos de bajo consumo energético y altas tasas de transmisión, empresas como Zarlink, Nordic, Philips y chipcon han lanzado sucesivamente soluciones para chips transceptores RF de ultra bajo consumo.

　　1. Estructura de chips de sistemas médicos portátiles

　　La estructura general de un chip médico portátil basado en tecnología de comunicaciones inalámbricas se muestra en la Figura 1, que generalmente consiste en un circuito fisiológico de adquisición de señal, un circuito de conversión analógico-digital (ADC), un circuito de procesamiento de banda base de señal digital, un controlador y una fuente de alimentación

　　El circuito receptor consta de varias partes. Primero, el circuito amplificador de instrumento de bajo ruido para adquisición de señales recoge datos fisiológicos del cuerpo humano. Luego, las señales fisiológicas adquiridas se convierten mediante AD para cuantificar y generar señales digitales fáciles de procesar. Tras la codificación, la FFT y otros procesamientos digitales de señales, se transmiten a través del circuito transmisor. Al mismo tiempo, también se pueden recibir señales de control externas y datos a través del circuito receptor del chip. El controlador se utiliza para controlar el funcionamiento de todo el chip y puede programarse para satisfacer diferentes requisitos de aplicación. Normalmente, un chip médico portátil de alto rendimiento consiste en componentes digitales, analógicos y de RF de alto desempeño, siendo el rendimiento de estos componentes afectando directamente al rendimiento general del chip. Las partes analógicas y de los transceptores de RF de los chips médicos son, obviamente, las que consumen más energía de todo el chip, por lo que los diseñadores suelen tener que equilibrar bajo consumo y alto rendimiento al diseñar circuitos para estas dos partes. A continuación, presentamos los distintos componentes de un chip típico de sistema médico portátil.

　　Figura 1: Diagrama de estructura del sistema de chip médico portátil

　　1.1. Amplificador de baja ruido para adquisición fisiológica de señales

　　Las señales fisiológicas generalmente se recogen a través de biosensores integrados en chip. Para facilitar la integración, el sensor utiliza un amplificador de bajo ruido mediante proceso CMOS para convertir señales biológicas en señales bioeléctricas. Para obtener simultáneamente múltiples datos fisiológicos, se pueden integrar en el chip múltiples amplificadores con diferentes funciones para formar datos multicanal que recopilen parámetros vitales como la presión arterial, la saturación de oxígeno en sangre, la frecuencia respiratoria, la frecuencia cardíaca y la temperatura corporal. Dado que las señales fisiológicas en el cuerpo humano son relativamente débiles y fácilmente afectadas por el ruido circundante, los amplificadores deben alcanzar alta sensibilidad, alta ganancia, bajo ruido y bajo consumo de energía; Al mismo tiempo, se utiliza un filtro pasa-bajos con una frecuencia de corte de alrededor de 1 kHz después del amplificador para filtrar aún más el ruido de interferencia en frecuencias distintas a las señales bioeléctricas. Los amplificadores pueden diseñarse con múltiples modos de funcionamiento, como escucha, funcionamiento y suspensión, para reducir el consumo de energía del chip.

　　1.2. Convertidor AD (ADC)

　　El amplificador de adquisición de señales fisiológicas multicanal premontado recoge diversas informaciones fisiológicas y se conecta al puerto de entrada del ADC mediante un multiconector analógico multicanal. El amplificador analógico multicanal multicanal solo puede seleccionar la salida de un preamplificador a la vez. Para reducir el consumo de energía, los ADC suelen usar una estructura de aproximación secuencial, con unos 10 bits. Para mejorar la precisión y la velocidad de conversión, también se pueden usar ADC sigma-delta o de pipeline. Cuanto mayor sea el número de bits, mayor será la tasa de conversión, pero mayor será el consumo energético. El bajo consumo de energía es clave al diseñar chips médicos portátiles. Además, la capacitancia unitaria del ADC debe elegirse adecuadamente; seleccionar demasiado grande ocupa mucho espacio en el chip y el impacto de la capacitancia parásita en la capacitancia unitaria debe minimizarse.

　　1.3 Controlador

　　El chip puede usar núcleos ARM y MCU como controladores, controlando los modos de funcionamiento de otras partes de los circuitos del chip mediante un bus; Puede controlar el momento del uso de datos, configurar registros y controlar otras partes del chip para ocupar el bus de datos y la comunicación en tiempo real.

　　1.4 Banda base de procesamiento digital de señales

　　Para mejorar la velocidad, precisión y seguridad de la transmisión de datos, las señales digitales emitidas por el ADC deben pasar por el procesador de banda base del controlador digital de señales, someterse a compresión y codificación digital, y también pueden filtrarse mediante transformación FFT y filtrado digital para filtrar aún más el ruido de interferencias en la frecuencia.

　　1.5, transceptores RF

　　Dado que la recogida de señales fisiológicas del cuerpo humano requiere características fisiológicas, colocar chips médicos portátiles en diferentes partes del cuerpo y la presencia de cables interconectados entre chips hace que el movimiento sea incómodo, y demasiados cables pueden enredarse fácilmente y causar grandes molestias. Por lo tanto, la transmisión inalámbrica de señales y datos es el método más directo y natural. Los aspectos clave a considerar al integrar transceptores inalámbricos de RF en chips portátiles de sistemas médicos difieren significativamente de los que normalmente se abordan en aplicaciones de productos inalámbricos. Primero, es un método de transmisión inalámbrica asimétrica, que recoge principalmente señales humanas y las envía. Las señales recibidas provienen principalmente de comandos de control, y el volumen de datos es muy pequeño. Por lo tanto, se puede usar un modo de comunicación semidúplex, con transmisión de bajada y subida de alta velocidad. En segundo lugar, los chips necesitan funcionar durante largos periodos, y las baterías usadas para los chips portátiles suelen ser pilas de botón, funcionando a voltajes entre 1,2~1,5 V y con una capacidad inferior a varios cientos de mA·h. La sección del transceptor inalámbrico suele ser la parte con mayor consumo energético en un chip. Los diseñadores se enfrentan a desafíos como bajo voltaje de funcionamiento, bajo consumo y altas tasas de transmisión. Por lo tanto, es necesario considerar cuidadosamente la estructura adoptada por el transceptor inalámbrico, así como la implementación de tecnologías clave como la frecuencia portadora, el método de transmisión, el método de modulación, la tasa de transmisión y el consumo de energía.

　　2. Estándares de comunicación inalámbrica para chips médicos portátiles

　　La tecnología de comunicaciones inalámbricas avanza rápidamente, desempeñando un papel importante en el avance de la tecnología médica moderna. Actualmente, existen varios estándares de comunicación disponibles para la comunicación entre chips médicos portátiles. Estos estándares son adecuados para aplicaciones específicas basadas en sus propias características, pero también pueden no aprovechar plenamente las funciones de comunicación de bajo consumo y corto alcance de los chips médicos portátiles. A continuación se presenta una breve introducción al rendimiento y características de cada estándar de comunicación (véase la Figura 2).

　　Figura 2: Comparación de distancias de transmisión y consumo de energía de varios métodos de comunicación inalámbrica

　　2.1 Bluetooth

　　El estándar Bluetooth utiliza salto de frecuencia y tecnología de espectro extendido, que suprime eficazmente las interferencias entre códigos, mejora la calidad de la comunicación y mantiene la seguridad de las llamadas. Los estándares Bluetooth admiten tres distancias de comunicación diferentes: 1, 10 y 100 m, y pueden proporcionar velocidades de comunicación de hasta 1 Mbps. Tiene una estructura sencilla y puede reducir el precio de un solo chip a menos de 5 dólares, gracias a una tecnología madura y una fuerte competitividad en el mercado. El estándar Bluetooth proporciona comunicación serial punto a punto y un método de comunicación con interfaz de controlador principal de canal compartido, muy adecuado para construir redes de área local humanas. Sin embargo, dado que el alcance de comunicación de los chips médicos portátiles suele limitarse a áreas cercanas al cuerpo humano, mientras que Bluetooth opera a 2,4 GHz, el impacto de estas frecuencias tan altas en el cuerpo humano sigue siendo desconocido. Debido al miedo de las personas a la comunicación de alta frecuencia y a su consumo energético relativamente alto, el estándar Bluetooth no es una opción ideal.

　　2.2，Zigbee

　　Zigbee puede operar en tres rangos de frecuencia diferentes: 2,4 GHz, 900 MHz y 800 MHz. En comparación con los estándares Bluetooth, Zigbee consume menos energía. Cuando opera en la banda de 2,4 GHz, puede alcanzar una velocidad máxima de transferencia de datos de 240 kbps. Las desventajas de Zigbee son bajas tasas de transmisión de datos, alta latencia de transmisión, mala seguridad y, al operar en la frecuencia de 2,4 GHz, la gran variedad de protocolos de comunicación concentrados en esa banda hace que Zigbee sea fácilmente susceptible a interferencias de otras ondas de comunicación.

　　2.3，UWB

　　UWB opera en el rango de frecuencias de 3,1~10 GHz, con una velocidad media de transmisión de datos de hasta 850 kbps y puede aumentarse hasta 26 Mbps. Esta norma especifica una densidad espectral de potencia de -41dB(m) MHz, pero no existen requisitos específicos para formas de onda en el dominio del tiempo. Por lo tanto, se puede utilizar tecnología de transmisión de pulsos, lo que hace que la estructura de los transmisores RF sea muy sencilla, mientras transfiere la presión de diseño y el consumo de energía al diseño de receptores RF. Como se mencionó antes, los chips médicos portátiles transmiten señales asimétricas, con un flujo de datos transmitido muy superior al de entrada, lo que hace que UWB sea muy adecuado para esta característica de comunicación inalámbrica asimétrica, reduciendo así el consumo de energía y la complejidad del sistema. Además, el UWB es una tecnología de banda ultra ancha que utiliza banda ultra ancha para lograr un consumo energético menor, resultando en un consumo relativamente bajo.

　　2.4，WLAN 802.11

　　IEEE 802.11 WLAN opera en la banda ISM (bandas industrial, científica y médica). Entre ellas, 802.11b y 802.11g operan en la banda de 2,4 GHz, con velocidades de transferencia de datos de 11 Mbps y 54 Mbps, respectivamente. El 802.11a opera en la banda de 5 GHz y puede proporcionar velocidades de transmisión de hasta 54 Mbps. Tiene un alcance de comunicación relativamente largo y, debido a su uso de tecnología de espectro extendido de secuencia directa, posee una fuerte capacidad anti-interferencias. Sin embargo, consume mucha energía, tiene una estructura compleja y es demasiado caro, lo que lo hace inadecuado para el diseño de chips médicos portátiles.

　　2.5, USB inalámbrico

　　La tecnología USB inalámbrica, al igual que la UWB, es una tecnología de comunicación inalámbrica basada en tecnología de banda ultraancha. Opera en el rango de 3,1~10,6 GHz, con distancias de comunicación de 3 y 10 m, adecuadas para transmisiones inalámbricas de datos de corto alcance, con velocidades de transmisión de hasta 480 Mbps y 110 Mbps respectivamente. Sin embargo, el mayor desafío a los que se enfrenta esta tecnología es el consumo energético, que también es el mayor factor limitante para su aplicación en las comunicaciones con chips médicos.

　　2.6. Comunicación infrarroja (IrDa)

　　La comunicación por infrarrojos es un método de comunicación inalámbrica sencillo y de bajo coste, pero debido a la naturaleza de emisión directa del infrarrojo, IrDA solo es adecuado para Huang Jin y otros en la fase 5834: los transceptores inalámbricos basados en chips de sistemas médicos portátiles tienen distancias cortas, alineación punto a punto y bajas velocidades de transmisión. En comparación con tecnologías de comunicación inalámbrica como Bluetooth y Zigbee, es extremadamente incómodo de usar.

　　2.7. Tecnología de identificación por radiofrecuencia

　　La tecnología RFID es un tipo de tecnología RFID que utiliza campos electromagnéticos alternos acoplados en el espacio para lograr la comunicación de datos sin contacto humano. La banda de frecuencia RFID prevista en China es 50~190 kHz, la banda de alta frecuencia es 13,56 MHz± 7 kHz, y también hay 432~434,79 MHz; Otra banda de frecuencia prevista en China es 900, 910 y 910.1 MHz, que se han utilizado ampliamente para la identificación de vehículos ferroviarios. Al igual que IrDa y Zigbee, RFID es una tecnología de comunicación inalámbrica interior con una distancia de comunicación corta, lo que la hace útil en diversas aplicaciones médicas como la gestión de activos móviles, la gestión de inventarios, la monitorización en tiempo real de pacientes, el seguimiento y distribución de fármacos. Sin embargo, esta tecnología en sí es una tecnología de etiquetas electrónicas y RFID, con tasas de transmisión extremadamente bajas e información fácilmente robable, lo que la hace inadecuada para aplicaciones de conectividad inalámbrica en tiempo real en chips médicos portátiles.

　　2.8. Comunicación humana

　　La tecnología de comunicación humana (Bio-canal), también conocida como tecnología de comunicación humana, es un concepto nuevo que ha surgido en los últimos años. Fue propuesta por primera vez por Zimmerman del Media Lab del MIT en 1995. A diferencia de cualquier tecnología previa de comunicación inalámbrica, la comunicación humana utiliza la proximidad del campo magnético humano o del propio cuerpo humano como medio de comunicación. La distancia de comunicación es muy corta, a veces requiriendo contacto humano para comunicarse. Por ello, permite un control preciso del alcance y del objetivo de comunicación, reduciendo considerablemente la interferencia entre diferentes señales de canal y asegurando la seguridad de la comunicación. Normalmente, la comunicación en zonas cercanas al cuerpo humano también puede ser cableada, lo que garantiza una transmisión de datos rápida y precisa sin interferencias de ruido externo. Sin embargo, los cables tienden a enredarse y resultan extremadamente incómodos para las personas. Por otro lado, utilizar tecnologías maduras de comunicación de datos como Zigbee y Bluetooth evita las molestias causadas por los cables, pero también se enfrenta a problemas como velocidades de comunicación lentas, alto consumo de energía del chip y susceptibilidad a interferencias por señales electromagnéticas de saturación espacial. Por ello, tan pronto como se propuso el concepto de comunicación humana, atrajo inmediatamente una amplia atención tanto del mundo académico como de la industria.

　　3. Ejemplo de desarrollo de transceptores inalámbricos basados en chips de sistemas médicos portátiles

　　Debido al rápido desarrollo de la tecnología microelectrónica y a las necesidades de una sociedad humana envejecida, se han desarrollado sistemas portátiles de monitorización médica. Una Red de Área Corporal (BAN) consta de muchos nodos sensores humanos, cada uno de los cuales puede comunicarse con otros nodos (o nodos centrales) a través de transceptores inalámbricos dentro del chip médico portátil. Las primeras investigaciones en chips de comunicación inalámbrica de corto alcance para monitorización médica humana solían utilizar modulación ASK FSK, bajo consumo energético y osciladores de cristal simples como transmisores. Esta estructura solo podía transmitir datos de signos de cuerpo único, tenía bajo rendimiento y bajas frecuencias de osciladores y largos tiempos de conmutación y arranque, lo que resultaba en tasas de transmisión de comunicación muy bajas. Con el avance de la investigación moderna en ingeniería biomédica, en la última década aproximadamente se han propuesto algunos nuevos circuitos y sistemas basados en la comunicación por bobina de acoplamiento inductivo. Sin embargo, estas soluciones basadas en bobinas inductivas también sufren de mala calidad de comunicación, bajas tasas de transmisión y largos tiempos de transmisión, lo que reduce eficazmente la eficiencia de la comunicación y acorta el tiempo de uso de la batería.

　　Estos sistemas de comunicación no estandarizados luchan por satisfacer las demandas de consumo energético ultra bajo, tamaño ultrapequeño, alta fiabilidad y alta velocidad de comunicación para la comunicación inalámbrica médica portátil. Impulsados por la creciente demanda de monitorización inalámbrica de la salud, las instituciones de investigación y las grandes empresas de chips de todo el mundo han competido por realizar una extensa investigación y desarrollo de aplicaciones en este campo. Entre los ejemplos más representativos se encuentran: Zarlink en Canadá, que desarrolló ZL70101 chips transceptores RF, El sistema en chip Sensium desarrollado por Toumaz en el Reino Unido, así como un transceptor RF de bajo consumo con una tensión de alimentación de 2,4 GHz y 400mV diseñado por el Wireless Node Network Communication Chip Research Group de la Universidad de UC Berkeley en Estados Unidos, y un chip transceptor inalámbrico de comunicación humana desarrollado por la Academia Coreana de Ciencias.

　　3.1 Sistema de Comunicación Implantable Zarlink ZL70101 Chip

　　En 2006, la empresa canadiense Zarlink Semiconductor lanzó un ZL70101 transceptor de RF de ultra bajo consumo y alto rendimiento para sistemas de implantes médicos. Este chip está altamente integrado; excluyendo la coincidencia de red, solo requiere un cristal de cuarzo de 24 MHz y dos condensadores desacopladores, sumando un total de tres componentes fuera del chip; Su banda de frecuencia de funcionamiento es la banda ISM de 433 MHz, utilizando un proceso CMOS RF de 0,18μm. El transceptor funciona a 5,5 mA y, en modo suspensión, solo es de 250 nA. Todo el chip integra un transceptor RF de 400 MHz, un receptor de monitorización de señal de despertar a 2,45 GHz y un controlador de camino de medio (MAC). El diagrama de la estructura del chip se muestra en la Figura 3.

　　El receptor adopta una estructura de frecuencia baja-intermedia, que consiste en un amplificador de bajo ruido, un mezclador de supresión de frecuencia espejada, un filtro multifásico IFF (PPF), un indicador de intensidad de señal (RSSI) y un ADC. El transmisor consta de un mezclador superior y un amplificador de potencia, utilizando el método de modulación por cambio de frecuencia FSK. El sistema de despertar es un receptor que utiliza modulación OOK y opera en la banda de 2,45 GHz. Puede detectar periódicamente señales de inicio de estaciones base para alimentar todo el chip, reduciendo considerablemente la corriente media de funcionamiento del chip. Este chip está diseñado para aplicaciones de monitorización médica implantable, pero gracias a su diseño de ultra bajo consumo, distancia de comunicación de 2 m y tasa de transmisión de hasta 800kbps, también destaca por cumplir con los requisitos de conectividad inalámbrica de chips médicos portátiles externos.

　　Figura 3 Diagrama de bloques del principio del transceptor RF MICS de Zarlink

　　3.2 Transceptor inalámbrico Toumaz para chips de sistemas de ultra bajo consumo para teledetección biológica

　　En 2007, Toumaz en el Reino Unido lanzó un chip de integración de sistemas llamado Sensium, que combinaba el bus SPI, ADC, MCU, SRAM y un transceptor RF de ultra bajo consumo. La sección del transceptor de RF de este chip Sensium tiene una superficie de 7 mm², utiliza el proceso CMOS RF de 0,13 μm, opera a 1 V y opera tanto en la banda estándar europea de 870 MHz como en la banda estándar estadounidense de 928 MHz. El consumo de corriente durante la recepción es solo de 2,1 mA, la potencia de transmisión es de -7 dB(m) y la corriente de transmisión es de 2,6 mA; La sección transmisión/recepción opera en modo semidúplex, modulación FSK, con una tasa de error de bits de 10-3 y una tasa de transmisión de datos de 50 kbps. Dado que este chip fue desarrollado para aplicaciones de telemetría y adquisición como ECG, Xinbo y temperatura corporal, sus indicadores de rendimiento cumplen completamente los requisitos para aplicaciones de diseño. El chip adopta una estructura Deslizante-FI, que ofrece una mayor supresión de frecuencia de imagen en comparación con los transceptores tradicionales de bajo FI, y debido a que utiliza migración de frecuencia en dos etapas, tiene mucha menos deriva de CC que los transceptores de FI cero.

　　Para cumplir con los requisitos de bajo consumo energético, todo el chip opera a 1 V, que es menos que la suma de Vth de PMOS y NMOS bajo procesos de 0,13μm. Por lo tanto, muchos dispositivos, especialmente los en secciones analógicas y RF, operan en regiones subumbral y débiles reflectantes, reduciendo considerablemente el consumo energético pero también planteando desafíos para el diseño de circuitos analógicos RF. La sección receptora adopta una estructura de cero FI, y la estructura del sistema completo del chip se muestra en la Figura 4.

　　El LNA utiliza una estructura de fuente común y puerta de entrada de extremo único, con salida que utiliza inductores planos integrados en el chip y matrices de capacitancia ajustables como cargas emparejadas. La salida del LNA está conectada directamente a un extremo del mezclador inferior de primera etapa, mientras que la otra entrada de este mezclador Gilbert de doble balanceo está conectada a la fuente de alimentación, formando una estructura de mezclador en modo de funcionamiento pseudo-diferencial. La etapa final del buffer de accionamiento en la sección transmisora utiliza un amplificador NMOS de transistor único con una estructura de drenaje abierto, con su drenaje conectado directamente a la red de adaptación de capacitancia inductora externa del chip. La etapa de drenaje de este transistor NMOS está conectada directamente a la fuente de alimentación, por lo que debe utilizarse un transistor NMOS de doble puerta de puerta gruesa para evitar la rotura del chip. El transmisor tiene una estructura sencilla y su VCO opera en estado autooscilante. La pérdida de comunicación en el enlace de comunicación puede ajustarse mediante control automático de ganancia (AGC) basado en RSSI, y la ganancia del buffer de accionamiento del transmisor puede ajustarse, mejorando así la eficiencia de transmisión de potencia.

　　3.3 Chip transceptor inalámbrico basado en comunicación corporal humana

　　En 2007, un equipo de investigación liderado por Seong-Jun Son en la Academia Coreana de Ciencias diseñó el menor consumo energético del mundo y un chip transceptor inalámbrico de canal bio capaz de transmitir datos a 2 Mbps [55]. Este chip utiliza tecnología de comunicación de banda ancha similar a UWB, que depende del campo casi magnético del cuerpo para transmitir datos de comunicación. Todo el transceptor integra un sistema de transceptor totalmente digital (véase la Figura 5), sin modulación digital. El chip opera a 1 V, con un consumo energético de solo 0,2 mW y una superficie de chip de 0,85 mm². Su rendimiento general lo hace muy adecuado para interconectar chips portátiles que requieren distancias cortas, altas tasas de transferencia de datos y un consumo energético extremadamente bajo.

　　Debido a que este chip está diseñado basándose en principios de comunicación humana, su frecuencia de funcionamiento puede ser de 1~200 MHz, utilizando un proceso CMOS de 0,25μm. Todo el chip transceptor tiene solo un electrodo de conducción de señal que contacta con la piel humana o se adhiere a la ropa, eliminando la necesidad de electrodos globales adicionales de conexión a tierra necesarios para la comunicación humana inalámbrica tradicional. La sección transmisora del chip consiste principalmente en un oscilador en anillo, un generador de códigos pseudoaleatorios (PRBS) y un búfer de controlador. La sección receptora del chip consta de un amplificador analógico frontal, un circuito de desplazamiento de nivel, un disparador Schmitt y un circuito de bucle de bloqueo de fase (CDR) para recuperación de reloj. Para reducir el consumo de energía, el chip adopta transmisión digital directa sin modulación, empleando transmisión de datos de banda ancha de 200 MHz, un circuito de recuperación de reloj totalmente digital, un oscilador digital totalmente controlado numéricamente (DCO) y tecnología de muestreo en cuadratura. La aplicación de estas tecnologías de diseño de circuitos de bajo consumo minimiza el consumo en los circuitos amplificadores frontales y de generación de relojes que consumen más energía.

　　Figura 4 Diagrama de bloques del principio del transceptor RF de la empresa Toumaz

　　Figura 5: Transceptor inalámbrico basado en principios de comunicación humana

　　4. Perspectivas para los chips de transceptores inalámbricos médicos portátiles

　　En la sociedad actual, las personas enfrentan una enorme presión tanto en el trabajo como en la vida personal. A medida que las demandas de salud siguen aumentando, los chips médicos portátiles se están integrando gradualmente en la vida cotidiana. Con el desarrollo continuo de la ingeniería biomédica y la tecnología microelectrónica, los chips médicos portátiles se están miniaturizando y conectando en red poco a poco. Los microsistemas médicos portátiles requieren que se lleven nodos sensores de señal fisiológicos en el paciente, por lo que es necesario miniaturizar para mantener a los pacientes bajo baja carga durante el uso prolongado. Al mismo tiempo, las señales características fisiológicas de los pacientes deben transmitirse a través de redes inalámbricas a nodos centrales de estaciones base u otros nodos sensores, haciendo de la red el requisito más fundamental para el desarrollo. Por lo tanto, los actuales chips médicos portátiles están inevitablemente avanzando hacia SoCs totalmente integrados para lograr miniaturización y bajo coste; Al mismo tiempo, el circuito transceptor RF integrado en chip también permite transmitir las señales de los nodos sensores de forma cómoda y en tiempo real, facilitando la monitorización móvil del estado de salud humana en cualquier momento y lugar.

　　Actualmente, no existe un estándar dedicado de comunicación inalámbrica para sistemas médicos portátiles personales a nivel internacional. La serie de estándares IEEE802.15, dirigida a mercados industriales, domésticos y médicos de comunicación inalámbrica de bajo coste y bajo consumo, se utiliza para el desarrollo de chips médicos portátiles personales. Aunque ya se han desarrollado chips médicos portátiles basados en Zigbee, Bluetooth y WLAN, sus protocolos de comunicación no están diseñados específicamente para aplicaciones médicas portátiles. Su capa MAC y QoS no pueden optimizarse para el bajo consumo energético, alta velocidad de transmisión y características de corta distancia de la transmisión inalámbrica de datos médicos, por lo que aún no cumplen los requisitos de la aplicación. Ante estos desafíos, los diseñadores de chips médicos aún tienen un margen significativo para desarrollar en el diseño de circuitos de bajo consumo y en métodos de transmisión de comunicaciones inalámbricas. Muchas estructuras y conceptos innovadores de sistemas de circuitos basados en estas consideraciones aún requieren más investigación y mejora en la practicidad. Con el desarrollo de la tecnología de comunicaciones inalámbricas, las mejoras en la tecnología de circuitos integrados y el desarrollo continuo de los mercados de aplicaciones, estos problemas inevitablemente se resolverán y conducirán a los proyectos modernos de salud humana hacia un desarrollo de bajo coste, miniaturizado, inteligente y en red.