تحلیل فناوری انتقال بی سیم بر اساس تراشه های پوشیدنی سیستم پزشکی

　　مقدمه

　　سلامت ارتباط نزدیکی با همه دارد و به موضوعی داغ و مورد توجه در جامعه انسانی امروز تبدیل شده است. سیستم های پایش پزشکی پوشیدنی می توانند به راحتی داده های سلامت انسان را برای پیش بینی بیماری و تشخیص زودهنگام جمع آوری کنند. راه حل سیستم تراشه پزشکی پوشیدنی که بر فناوری ارتباطات بی سیم کم هزینه، کم مصرف و انتقال بالا استوار است، به بیماران کمک می کند تا پارامترهای حیاتی پایه را در زمان واقعی در طول کار و زندگی روزمره جمع آوری کنند. با کاهش زمان مشاوره حضوری بین پزشکان و بیماران، زمان انتظار در بیمارستان ها کوتاه تر می شود و کمبود فعلی منابع پزشکی را کاهش داده و کیفیت مراقبت از بیماران را بهبود می بخشد. علاوه بر این، بیماری های مزمن (مانند فشار خون بالا، دیابت و چربی خون بالا) امروزه به قاتل شماره یک سلامت انسان تبدیل شده اند. درمان بیماری های مزمن نیازمند جمع آوری و پایش بلندمدت و مستمر داده های سلامت بیماران است. تراشه های پزشکی پوشیدنی به دلیل اندازه کوچک، مصرف انرژی پایین و هزینه های عملیاتی پایین، پذیرش آن ها برای بیماران آسان تر است. بازار گسترده مصرف کننده باعث شده بسیاری از شرکت های طراحی تراشه مانند Philips، Zarlink، Ti و غیره در تبلیغات تحقیق و توسعه و تجاری شرکت کنند.

　　حسگرهای اکسیژن خون با مچ دست، حسگرهای قند خون به سبک ساعت مچی، مانیتورهای کیفیت خواب به سبک ساعت مچی، چک کننده های فیزیولوژی خواب، مانیتورهای تنفس و ضربان قلب به سبک کمربند، اجزای تشخیص هویت قابل کاشت و موارد دیگر. میکروسیستم های پزشکی پوشیدنی بی سیم شامل حسگرهای بی سیم تعبیه شده روی سطح بدن هستند، مانند لباس های روزمره، ساعت، جواهرات و غیره که همه می توانند برای کاشت تراشه های پزشکی میکرو پوشیدنی استفاده شوند. از آنجا که فناوری ارتباطات بی سیم در بخش های مختلف سطح بدنه قرار دارد و سیم های متعددی حسگرهای مختلف و بین تراشه های اصلی پردازش را به هم متصل می کند، ناگزیر باعث ناراحتی قابل توجهی برای کاربران می شود. به عنوان روش انتقال جایگزین برای سیم ها، فناوری ارتباطات بی سیم به عنوان یک مزیت برجسته برجسته شناخته می شود. در حال حاضر، بیشتر فناوری های ارتباطات بی سیم بر افزایش نرخ انتقال داده بی سیم تمرکز دارند و فناوری های انتقال بی سیم مورد استفاده در سیستم های پزشکی پوشیدنی نیز باید مصرف برق را در طول انتقال سیگنال بی سیم به حداقل برسانند. بخش فرستنده-گیرنده که برای انتقال سیگنال بی سیم روی تراشه های پزشکی پوشیدنی استفاده می شود، معمولا پرمصرف ترین بخش کل تراشه پزشکی است. برای تسهیل استفاده بلندمدت از قابلیت های پوشیدنی، مصرف برق مدار انتقال بی سیم بدون شک یکی از ملاحظات کلیدی برای طراحان تراشه های پوشیدنی است. با تمرکز بر اهداف مصرف برق پایین و نرخ انتقال بالا، شرکت هایی مانند زارلینک، نوردیک، فیلیپس و چیپ کان به ترتیب راه حل هایی برای تراشه های فرستنده-گیرنده RF با قدرت بسیار پایین ارائه داده اند.

　　۱. ساختار تراشه ای سیستم های پزشکی پوشیدنی

　　ساختار کلی یک تراشه پزشکی پوشیدنی مبتنی بر فناوری ارتباطات بی سیم در شکل ۱ نشان داده شده است که معمولا شامل مدار دریافت سیگنال فیزیولوژیکی، مدار تبدیل آنالوگ به دیجیتال (ADC)، مدار پردازش سیگنال پایه دیجیتال، کنترلر و منبع تغذیه است

　　مدار گیرنده از چندین بخش تشکیل شده است. ابتدا، مدار تقویت کننده ابزار کم نویز دریافت سیگنال داده های فیزیولوژیکی بدن انسان را جمع آوری می کند. سپس سیگنال های فیزیولوژیکی به دست آمده از طریق AD تبدیل می شوند تا سیگنال های دیجیتال آسان برای پردازش را کمی سازی و تولید کنند. پس از رمزگذاری، FFT و سایر پردازش های سیگنال دیجیتال، این سیگنال ها از طریق مدار فرستنده منتقل می شوند. در عین حال، سیگنال ها و داده های کنترل خارجی نیز می توانند از طریق مدار گیرنده روی تراشه دریافت شوند. کنترلر برای کنترل کل عملیات تراشه استفاده می شود و می تواند برای برآورده کردن نیازهای مختلف برنامه ریزی شود. معمولا یک تراشه پزشکی پوشیدنی با عملکرد بالا از اجزای دیجیتال، آنالوگ و RF با عملکرد بالا تشکیل شده است که عملکرد این قطعات به طور مستقیم بر عملکرد کلی تراشه تأثیر می گذارد. قطعات فرستنده-گیرنده آنالوگ و RF در تراشه های پزشکی قطعا پرمصرف ترین بخش های کل تراشه هستند، بنابراین طراحان معمولا باید هنگام طراحی مدارهای این دو قطعه، مصرف انرژی پایین و عملکرد بالا را متعادل کنند. در ادامه، اجزای مختلف یک تراشه معمولی سیستم پوشیدنی پزشکی را معرفی می کنیم.

　　شکل ۱: نمودار ساختار سیستم تراشه پزشکی پوشیدنی

　　۱.۱. تقویت کننده کم نویز برای دریافت سیگنال فیزیولوژیکی

　　سیگنال های فیزیولوژیک معمولا از طریق حسگرهای زیستی یکپارچه روی تراشه جمع آوری می شوند. برای تسهیل یکپارچه سازی، حسگر از تقویت کننده کم نویز با استفاده از فرآیند CMOS برای تبدیل سیگنال های زیستی به سیگنال های زیست الکتریکی استفاده می کند. برای به دست آوردن همزمان چندین اطلاعات فیزیولوژیکی، می توان چندین تقویت کننده با عملکردهای متفاوت را روی تراشه ادغام کرد تا داده های چندکاناله ای برای جمع آوری پارامترهای حیاتی مانند فشار خون، اشباع اکسیژن خون، نرخ تنفس، ضربان قلب و دمای بدن ایجاد شود. از آنجا که سیگنال های فیزیولوژیکی بدن انسان نسبتا ضعیف هستند و به راحتی تحت تأثیر نویز اطراف قرار می گیرند، تقویت کننده ها باید حساسیت بالا، بهره بالا، نویز کم و مصرف توان پایین داشته باشند؛ همزمان، یک فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع حدود ۱ کیلوهرتز پس از تقویت کننده برای فیلتر بیشتر نویز تداخل در فرکانس هایی غیر از سیگنال های بیوالکتریک استفاده می شود. تقویت کننده ها می توانند با چندین حالت عملیاتی مانند شنیداری، کار کردن و خوابیدن طراحی شوند تا مصرف توان چیپ کاهش یابد.

　　۱.۲. مبدل AD (ADC)

　　تقویت کننده دریافت سیگنال فیزیولوژیکی چندکاناله پیش نصب شده، اطلاعات فیزیولوژیکی مختلفی را جمع آوری کرده و از طریق یک کانکتور چندکاناله آنالوگ به پورت ورودی ADC متصل می شود. تقویت کننده چندکاناله آنالوگ چندکاناله فقط می تواند خروجی یک پیش تقویت کننده را در هر زمان انتخاب کند. برای کاهش مصرف توان، مبدل های مبدل معمولا از ساختار تقریب ترتیبی با حدود ۱۰ بیت استفاده می کنند. برای افزایش دقت و سرعت تبدیل، می توان از مبدل های سیگما-دلتا یا خط لوله نیز استفاده کرد. هرچه تعداد بیت بالاتر باشد، نرخ تبدیل بالاتر است اما مصرف توان بالاتر است. مصرف انرژی پایین هنگام طراحی تراشه های پزشکی پوشیدنی کلیدی است. علاوه بر این، ظرفیت واحد ADC باید به درستی انتخاب شود؛ انتخاب بیش از حد بزرگ فضای زیادی از تراشه را اشغال می کند و تأثیر ظرفیت انگلی بر ظرفیت واحد باید به حداقل برسد.

　　۱.۳ کنترلر

　　تراشه می تواند از هسته های ARM و MCU به عنوان کنترلر استفاده کند و حالت های عملیاتی بخش های دیگر مدارهای تراشه را از طریق باس کنترل کند؛ این ابزار می تواند زمان بندی مصرف داده را کنترل کند، ثبات ها را پیکربندی کند و بخش های دیگر تراشه را برای اشغال گذرگاه داده برای ارتباط بلادرنگ کنترل نماید.

　　۱.۴ باند پایه پردازش سیگنال دیجیتال

　　برای بهبود سرعت، دقت و امنیت انتقال داده، سیگنال های دیجیتال خروجی توسط ADC باید از پردازنده باند پایه کنترل کننده سیگنال دیجیتال عبور کنند، تحت فشرده سازی و رمزگذاری دیجیتال قرار گیرند و همچنین می توانند از طریق تبدیل FFT و فیلترینگ دیجیتال فیلتر شوند تا نویز فرکانس تداخل بیشتر فیلتر شود.

　　۱.۵، فرستنده-گیرنده های RF

　　از آنجا که جمع آوری سیگنال های فیزیولوژیکی از بدن انسان نیازمند ویژگی های فیزیولوژیکی است، قرار دادن چیپ های پزشکی پوشیدنی در بخش های مختلف بدن و وجود سیم های متصل بین چیپ ها حرکت را دشوارتر می کند و تعداد زیاد سیم ها می تواند به راحتی گره خورده و ناراحتی زیادی ایجاد کند. بنابراین، انتقال بی سیم سیگنال ها و داده ها مستقیم ترین و طبیعی ترین روش است. مسائل کلیدی که هنگام یکپارچه سازی فرستنده-گیرنده های RF بی سیم روی تراشه های پوشیدنی سیستم پزشکی باید در نظر گرفت، تفاوت قابل توجهی با موارد معمول در کاربردهای محصولات بی سیم دارد. اول، این یک روش انتقال بی سیم نامتقارن است که عمدتا سیگنال های انسانی را جمع آوری و ارسال می کند. سیگنال های دریافتی عمدتا از فرمان های کنترلی می آیند و حجم داده بسیار کم است. بنابراین، می توان از حالت ارتباطی نیمه دوطرفه استفاده کرد که شامل انتقال پایین سرعت پایین و انتقال بالادستی با سرعت بالا است. ثانیا، تراشه ها باید برای مدت طولانی کار کنند و باتری های مورد استفاده برای چیپ های پوشیدنی معمولا سلول های دکمه ای هستند که با ولتاژهایی بین ۱.۲~۱.۵ ولت و ظرفیت کمتر از چند صد میلی آمپر ساعت کار می کنند. بخش فرستنده-گیرنده بی سیم معمولا بخشی است که بیشترین مصرف توان در یک تراشه را دارد. طراحان با چالش هایی مانند ولتاژ عملیاتی پایین، مصرف توان پایین و نرخ انتقال بالا مواجه هستند. بنابراین، لازم است ساختار اتخاذ شده توسط فرستنده-گیرنده بی سیم و همچنین پیاده سازی فناوری های کلیدی مانند فرکانس حامل، روش انتقال، روش مدولاسیون، نرخ انتقال و مصرف توان را با دقت بررسی کنند.

　　۲. استانداردهای ارتباط بی سیم برای تراشه های پزشکی پوشیدنی

　　فناوری ارتباطات بی سیم به سرعت در حال پیشرفت است و نقش مهمی در پیشرفت فناوری پزشکی مدرن ایفا می کند. در حال حاضر، استانداردهای ارتباطی مختلفی برای ارتباط بین تراشه های پزشکی پوشیدنی وجود دارد. این استانداردها بر اساس ویژگی های خاص خود برای کاربردهای خاص مناسب هستند، اما ممکن است نتوانند به طور کامل از ویژگی های ارتباطی کم مصرف و برد کوتاه تراشه های پزشکی پوشیدنی بهره برداری کنند. در ادامه معرفی کوتاهی از عملکرد و ویژگی های هر استاندارد ارتباطی آمده است (نگاه کنید به شکل ۲).

　　شکل ۲: مقایسه فاصله های انتقال و مصرف برق روش های مختلف ارتباط بی سیم

　　۲.۱ بلوتوث

　　استاندارد بلوتوث از فناوری پرش فرکانسی و طیف گسترده استفاده می کند که به طور مؤثری تداخل بین کدها را مهار می کند، کیفیت ارتباط را بهبود می بخشد و امنیت تماس ها را حفظ می کند. استانداردهای بلوتوث از سه فاصله ارتباطی مختلف پشتیبانی می کنند: ۱، ۱۰ و ۱۰۰ متر، و می توانند سرعت ارتباطی تا ۱ مگابیت بر ثانیه را فراهم کنند. ساختار ساده ای دارد و می تواند قیمت یک تراشه منفرد را به زیر ۵ دلار کاهش دهد، با فناوری بالغ و رقابت پذیری قوی در بازار. استاندارد بلوتوث ارتباط سریال نقطه به نقطه و روش ارتباط رابط کنترل کننده اصلی کانال مشترک را فراهم می کند که برای ساخت شبکه های محلی انسانی بسیار مناسب است. با این حال، از آنجا که دامنه ارتباطی تراشه های پزشکی پوشیدنی معمولا محدود به نواحی نزدیک بدن انسان است، در حالی که بلوتوث در فرکانس ۲.۴ گیگاهرتز کار می کند، تأثیر چنین فرکانس های بالایی بر بدن انسان همچنان ناشناخته است. به دلیل ترس مردم از ارتباطات فرکانس بالا و مصرف انرژی نسبتا بالای آن، استاندارد بلوتوث انتخاب ایده آلی نیست.

　　2.2，Zigbee

　　زیگبی می تواند در سه بازه فرکانسی مختلف کار کند: ۲.۴ گیگاهرتز، ۹۰۰ مگاهرتز و ۸۰۰ مگاهرتز. در مقایسه با استانداردهای بلوتوث، Zigbee مصرف انرژی کمتری دارد. هنگام کار در باند 2.4 گیگاهرتز، می تواند به حداکثر نرخ انتقال داده 240 کیلوبیت بر ثانیه برسد. معایب زیگبی شامل نرخ پایین انتقال داده، تأخیر بالای ارسال، امنیت ضعیف و زمانی که در فرکانس ۲.۴ گیگاهرتز کار می کند، تنوع گسترده پروتکل های ارتباطی متمرکز در آن باند فرکانسی باعث می شود زیگبی به راحتی در معرض تداخل از امواج ارتباطی دیگر قرار گیرد.

　　2.3，UWB

　　UWB در محدوده فرکانسی 3.1~10 گیگاهرتز فعالیت می کند و میانگین نرخ انتقال داده تا 850 کیلوبیت بر ثانیه را دارد و می توان آن را تا 26 مگابیت بر ثانیه افزایش داد. این استاندارد چگالی طیفی توان -41dB(m) مگاهرتز را مشخص می کند، اما برای موج های حوزه زمان الزامات خاصی وجود ندارد. بنابراین، فناوری انتقال پالس قابل استفاده است که ساختار فرستنده های RF را بسیار ساده می کند، در حالی که فشار طراحی و طراحی مصرف توان را به طراحی گیرنده RF منتقل می کند. همان طور که پیش تر اشاره شد، تراشه های پزشکی پوشیدنی سیگنال های نامتقارن ارسال می کنند و جریان داده های ارسالی بسیار بیشتر از جریان داده ورودی است که UWB را برای این ویژگی ارتباط بی سیم نامتقارن بسیار مناسب می کند و در نتیجه مصرف انرژی و پیچیدگی سیستم را کاهش می دهد. علاوه بر این، UWB یک فناوری فوق پهن باند است که از باند فوق عریض برای دستیابی به مصرف انرژی پایین تر استفاده می کند و در نتیجه مصرف انرژی نسبتا پایینی دارد.

　　2.4，WLAN 802.11

　　IEEE 802.11 WLAN در باند ISM (باندهای صنعتی، علمی و پزشکی) فعالیت می کند. در میان آن ها، 802.11b و 802.11g در باند 2.4 گیگاهرتز فعالیت می کنند و نرخ انتقال داده به ترتیب 11 مگابیت بر ثانیه و 54 مگابیت بر ثانیه است. فرکانس 802.11a در باند 5 گیگاهرتز کار می کند و می تواند نرخ انتقال تا 54 مگابیت بر ثانیه را ارائه دهد. این دستگاه دامنه ارتباطی نسبتا بلندی دارد و به دلیل استفاده از فناوری طیف گسترده توالی مستقیم، قابلیت ضدتداخل قوی دارد. با این حال، مصرف برق زیادی دارد، ساختاری پیچیده دارد و هزینه آن بسیار بالا است که برای طراحی تراشه های پزشکی پوشیدنی نامناسب است.

　　نسخه ۲.۵، USB بی سیم

　　فناوری USB بی سیم، مانند UWB، یک فناوری ارتباطی بی سیم است که بر پایه فناوری باند فوق عریض ساخته شده است. این ایستگاه در محدوده 3.1~10.6 گیگاهرتز فعالیت می کند و فاصله ارتباطی آن ها 3 و 10 متر است و برای انتقال داده بی سیم در برد کوتاه مناسب است و نرخ انتقال داده آن به ترتیب تا 480 مگابیت بر ثانیه و 110 مگابیت بر ثانیه می رسد. با این حال، بزرگ ترین چالش پیش روی این فناوری مصرف انرژی است که همچنین بزرگ ترین عامل محدودکننده کاربرد آن در ارتباطات تراشه های پزشکی محسوب می شود.

　　۲.۶. ارتباط فروسرخ (IrDa)

　　ارتباط مادون قرمز روشی کم هزینه و ساده برای ارتباط بی سیم است، اما به دلیل ماهیت انتشار مستقیم مادون قرمز، IrDA فقط برای هوانگ جین و دیگران در فاز ۵۸۳۴ مناسب است: فرستنده-گیرنده های بی سیم مبتنی بر تراشه های سیستم پزشکی پوشیدنی دارای فاصله کوتاه، هم ترازی نقطه به نقطه و سرعت انتقال پایین هستند. در مقایسه با فناوری های ارتباط بی سیم مانند بلوتوث و زیگبی، استفاده از آن بسیار ناراحت کننده است.

　　۲.۷. فناوری شناسایی فرکانس رادیویی

　　فناوری RFID نوعی فناوری RFID است که از میدان های الکترومغناطیسی متناوب متصل به فضا برای دستیابی به ارتباط داده ای بدون تماس انسانی استفاده می کند. باند فرکانسی RFID برنامه ریزی شده چین ۵۰~۱۹۰ کیلوهرتز، باند فرکانس بالا ۱۳.۵۶ مگاهرتز± ۷ کیلوهرتز و همچنین ۴۳۲~۴۳۴.۷۹ مگاهرتز است؛ باند فرکانسی برنامه ریزی شده دیگری در چین ۹۰۰، ۹۱۰ و ۹۱۰.۱ مگاهرتز است که به طور گسترده برای شناسایی وسایل نقلیه قطار استفاده شده اند. مانند IrDa و Zigbee، RFID یک فناوری ارتباط بی سیم داخلی با فاصله ارتباطی کوتاه است که آن را در کاربردهای پزشکی مختلفی مانند مدیریت دارایی های موبایل، مدیریت موجودی، پایش بلادرنگ بیماران، ردیابی دارو و توزیع مفید می کند. با این حال، خود این فناوری یک فناوری تگ الکترونیکی و RFID است که نرخ انتقال بسیار پایین و اطلاعاتی دارد که به راحتی قابل سرقت است و برای کاربردهای اتصال بی سیم بلادرنگ در تراشه های پزشکی پوشیدنی نامناسب است.

　　۲.۸. ارتباط انسانی

　　فناوری ارتباطات انسانی (زیست کانال) که به عنوان فناوری ارتباطات انسانی نیز شناخته می شود، مفهومی جدید است که در سال های اخیر ظهور کرده است. این مفهوم نخستین بار توسط زیمرمن از آزمایشگاه رسانه MIT در سال ۱۹۹۵ پیشنهاد شد. برخلاف هر فناوری ارتباطی بی سیم قبلی، ارتباط انسانی از نزدیکی میدان مغناطیسی انسان یا خود بدن انسان به عنوان رسانه ارتباطی استفاده می کند. فاصله ارتباطی بسیار کوتاه است و گاهی برای ارتباط نیاز به تماس انسانی دارد. بنابراین، کنترل دقیق محدوده ارتباطی و هدف ارتباطی را فراهم می کند و تداخل بین سیگنال های کانال مختلف را به طور قابل توجهی کاهش داده و امنیت ارتباطی را تضمین می کند. معمولا ارتباط در نواحی نزدیک به بدن انسان نیز می تواند سیم کشی شود که انتقال داده با سرعت بالا و دقت را بدون تداخل نویز خارجی تضمین می کند. با این حال، سیم ها معمولا گره می خورند و استفاده از آن ها برای افراد بسیار ناراحت کننده است. از سوی دیگر، استفاده از فناوری های پیشرفته ارتباط داده مانند Zigbee و بلوتوث از دردسرهای ناشی از سیم ها جلوگیری می کند، اما همچنین با مشکلاتی مانند سرعت پایین ارتباط، مصرف بالای برق تراشه و آسیب پذیری به تداخل سیگنال های الکترومغناطیسی فضای مواجه است. بنابراین، به محض مطرح شدن مفهوم ارتباط انسانی، بلافاصله توجه گسترده ای از سوی دانشگاه ها و صنعت را جلب کرد.

　　۳. نمونه توسعه ای فرستنده-گیرنده های بی سیم مبتنی بر تراشه های پوشیدنی سیستم پزشکی

　　به دلیل توسعه سریع فناوری میکروالکترونیک و نیازهای جامعه انسانی سالخورده، سیستم های پوشیدنی پایش پزشکی توسعه یافته اند. یک شبکه ناحیه بدنی (BAN) شامل چندین گره حسگر انسانی است که هر یک می توانند از طریق فرستنده-گیرنده های بی سیم داخل تراشه پزشکی پوشیدنی با گره های دیگر (یا گره های مرکزی) ارتباط برقرار کنند. تحقیقات اولیه تراشه های ارتباط بی سیم کوتاه برد برای پایش پزشکی انسانی اغلب از مدولاسیون ASK FSK، مصرف توان پایین و نوسان سازهای کریستالی ساده به عنوان فرستنده استفاده می کردند. این ساختار فقط می توانست داده های سیگنال بدنی منفرد را ارسال کند، عملکرد پایینی داشت و فرکانس های نوسان ساز پایین و زمان های سوئیچینگ و راه اندازی طولانی داشت که منجر به نرخ انتقال ارتباطی بسیار پایین می شد. با تعمیق تحقیقات مهندسی زیست پزشکی مدرن، در دهه گذشته برخی مدارها و سیستم های جدید مبتنی بر ارتباط سیم پیچ القایی پیشنهاد شده اند. با این حال، این راه حل های مبتنی بر کویل القایی همچنین از کیفیت پایین ارتباط، نرخ انتقال پایین و زمان انتقال طولانی رنج می برند که به طور مؤثر کارایی ارتباطات را کاهش داده و زمان مصرف باتری را کوتاه می کند.

　　این سیستم های ارتباطی غیراستاندارد برای پاسخگویی به نیازهای مصرف برق بسیار پایین، اندازه بسیار کوچک، قابلیت اطمینان بالا و سرعت ارتباطی بالا برای ارتباطات بی سیم پزشکی پوشیدنی با مشکل مواجه اند. با توجه به افزایش تقاضا برای پایش سلامت بی سیم، مؤسسات تحقیقاتی و شرکت های بزرگ تراشه سازی در سراسر جهان برای انجام تحقیقات و توسعه گسترده کاربردی در این حوزه رقابت کرده اند. از جمله نمونه های برجسته می توان به Zarlink در کانادا اشاره کرد که تراشه های فرستنده-گیرنده RF ZL70101 توسعه داد. سیستم روی تراشه سنسیوم که توسط توماز در بریتانیا توسعه یافته، همچنین یک فرستنده-گیرنده RF کم مصرف با ولتاژ منبع تغذیه ۲.۴ گیگاهرتز ۴۰۰ میلی ولت که توسط گروه تحقیقاتی چیپ ارتباطات شبکه بی سیم در دانشگاه UC برکلی در ایالات متحده طراحی شده است، و یک تراشه فرستنده-گیرنده بی سیم ارتباط انسانی که توسط آکادمی علوم کره توسعه یافته است.

　　۳.۱ چیپ سیستم ارتباطی کاشتنی پزشکی زارلینک ZL70101

　　در سال ۲۰۰۶، شرکت Zarlink Semiconductor کانادا یک ZL70101 فرستنده-گیرنده RF با قدرت بسیار پایین و عملکرد بالا برای سیستم های ایمپلنت پزشکی عرضه کرد. این چیپ بسیار یکپارچه است؛ به جز تطبیق شبکه، تنها به یک کریستال کوارتز ۲۴ مگاهرتز و دو خازن جداکننده نیاز دارد که در مجموع سه قطعه خارج از چیپ را تشکیل می دهد؛ باند فرکانسی عملیاتی آن باند ISM با فرکانس ۴۳۳ مگاهرتز است که از فرآیند CMOS RF ۰.۱۸ میکرومتر استفاده می کند. فرستنده-گیرنده با توان 5.5 میلی آمپر کار می کند و در حالت خواب فقط 250 نانوآمپر است. کل تراشه شامل یک فرستنده-گیرنده RF با فرکانس ۴۰۰ مگاهرتز، یک گیرنده پایش سیگنال بیدارباش ۲.۴۵ گیگاهرتز و یک کنترل کننده مسیر رسانه (MAC) است. نمودار ساختار تراشه در شکل ۳ نشان داده شده است.

　　گیرنده ساختار فرکانس پایین میانی را اتخاذ می کند که شامل تقویت کننده نویز پایین، میکسر سرکوب فرکانس آینه ای، فیلتر چندفاز IFF (PPF)، شاخص قدرت سیگنال (RSSI) و ADC است. فرستنده شامل یک میکسر بالایی و یک تقویت کننده توان است که از روش مدولاسیون کلیدزنی تغییر فرکانس FSK استفاده می کند. سیستم بیدارباش گیرنده ای است که از مدولاسیون OOK استفاده می کند و در باند 2.45 گیگاهرتز کار می کند. این سیستم می تواند به طور دوره ای سیگنال های شروع را از ایستگاه های پایه تا تغذیه کل تراشه تشخیص دهد و جریان عملیاتی متوسط تراشه را به طور قابل توجهی کاهش دهد. این تراشه برای کاربردهای پایش پزشکی قابل کاشت طراحی شده است، اما به لطف طراحی فوق العاده کم مصرف، فاصله ارتباطی ۲ متر و نرخ انتقال تا ۸۰۰ کیلوبیت بر ثانیه، در برآورده کردن نیازهای اتصال بی سیم تراشه های پزشکی پوشیدنی خارجی نیز برتری دارد.

　　نمودار بلوکی اصل فرستندهگیرنده RF MICS زارلینک

　　۳.۲ فرستنده-گیرنده بی سیم توماز برای تراشه های سیستم فوق العاده کم مصرف جهت سنجش از دور زیستی

　　در سال ۲۰۰۷، توماز در بریتانیا یک تراشه یکپارچه سازی سیستم به نام Sensium عرضه کرد که باس SPI، ADC، MCU، SRAM و یک فرستنده-گیرنده RF با قدرت بسیار پایین را ترکیب می کرد. بخش فرستنده-گیرنده RF این تراشه سنسیوم دارای سطح تراشه ۷ میلی متر مربع است، از فرآیند CMOS RF ۰.۱۳ میکرومتر استفاده می کند، با ولتاژ ۱ ولت کار می کند و هم در باند استاندارد اروپایی ۸۷۰ مگاهرتز و هم باند استاندارد ۹۲۸ مگاهرتز آمریکا کار می کند. مصرف جریان در هنگام دریافت تنها ۲.۱ میلی آمپر، توان ارسال -۷ دسی بل(متر) و جریان ارسال ۲.۶ میلی آمپر است؛ بخش ارسال/دریافت در حالت نیم دوطرفه، مدولاسیون FSK، با نرخ خطای بیت ۱۰-۳ و نرخ انتقال داده ۵۰ کیلوبیت بر ثانیه عمل می کند. از آنجا که این تراشه برای کاربردهای تله متری و اکتساب مانند ECG، Xinbo و دمای بدن توسعه یافته است، شاخص های عملکرد آن کاملا نیازهای کاربردهای طراحی را برآورده می کنند. این تراشه ساختار Sliding-IF را اتخاذ می کند که سرکوب فرکانس تصویر بالاتری نسبت به فرستنده-گیرنده های سنتی با IF پایین ارائه می دهد و به دلیل استفاده از مهاجرت فرکانس دو مرحله ای، انحراف DC بسیار کمتری نسبت به فرستنده-IF صفر دارد.

　　برای پاسخگویی به نیازهای مصرف توان پایین، کل تراشه با ولتاژ ۱ ولت کار می کند که کمتر از مجموع Vt فرآیندهای PMOS و NMOS زیر ۰.۱۳ میکرومتر است. بنابراین، بسیاری از دستگاه ها، به ویژه آن هایی که در بخش های آنالوگ و RF قرار دارند، در نواحی زیرآستانه و بازتابنده ضعیف کار می کنند که مصرف توان را به شدت کاهش می دهد اما چالش هایی برای طراحی مدار آنالوگ RF ایجاد می کند. بخش گیرنده ساختار صفر IF را اتخاذ می کند و ساختار سیستم کل تراشه در شکل ۴ نشان داده شده است.

　　LNA از ساختار ورودی تک انتهایی با منبع مشترک و ساختار گیت استفاده می کند که خروجی آن از سلف های صفحه ای روی تراشه و ماتریس های ظرفیت قابل تنظیم به عنوان بارهای تطبیقی استفاده می کند. خروجی LNA مستقیما به یک سر میکسر پایین مرحله اول متصل است، در حالی که ورودی دیگر این میکسر واحد گیلبرت دوگانه به منبع تغذیه متصل است و ساختار میکسر شبه تفاضلی را تشکیل می دهد. مرحله نهایی بافر درایو در بخش فرستنده از یک تقویت کننده NMOS تک ترانزیستوری با ساختار درین باز استفاده می کند که درین آن مستقیما به شبکه تطبیق القاگر و ظرفیت خارج از چیپ متصل است. مرحله تخلیه این ترانزیستور NMOS مستقیما به منبع تغذیه متصل است، بنابراین برای جلوگیری از خرابی تراشه باید از ترانزیستور NMOS دو گیت ضخیم استفاده شود. فرستنده ساختاری ساده دارد و VCO آن در حالت خودنوسان کار می کند. افت ارتباط در لینک ارتباطی می تواند از طریق کنترل خودکار بهره مبتنی بر RSSI (AGC) تنظیم شود و بهره بافر درایو فرستنده قابل تنظیم است تا کارایی انتقال توان بهبود یابد.

　　۳.۳ تراشه فرستنده-گیرنده بی سیم مبتنی بر ارتباط بدن انسان

　　در سال ۲۰۰۷، تیم تحقیقاتی به رهبری سونگ-جون سون در آکادمی علوم کره، کمترین مصرف برق جهان و یک تراشه ترنسیور بی سیم با کانال زیستی را طراحی کردند که قادر به انتقال داده با سرعت ۲ مگابیت بر ثانیه بود [۵۵]. این تراشه از فناوری ارتباطات پهن باند مشابه UWB استفاده می کند و برای انتقال داده های ارتباطی به میدان نزدیک مغناطیسی بدنه متکی است. کل فرستنده-گیرنده یک سیستم فرستنده-گیرنده کاملا دیجیتال (نگاه کنید به شکل ۵) را بدون مدولاسیون دیجیتال یکپارچه کرده است. تراشه با ولتاژ ۱ ولت کار می کند، با مصرف توان تنها ۰.۲ میلی وات و مساحت تراشه ۰.۸۵ میلی متر مربع. عملکرد کلی آن آن را برای اتصال تراشه های پوشیدنی که نیازمند فواصل کوتاه، نرخ انتقال داده بالا و مصرف انرژی بسیار پایین هستند، بسیار مناسب می کند.

　　از آنجا که این تراشه بر اساس اصول ارتباطی انسانی طراحی شده است، فرکانس عملکرد آن می تواند ۱~۲۰۰ مگاهرتز باشد و با استفاده از فرآیند CMOS ۰.۲۵ میکرومتر استفاده می شود. کل تراشه فرستنده-گیرنده تنها یک الکترود هدایت سیگنال دارد که با پوست انسان تماس دارد یا به لباس متصل می شود و نیاز به الکترودهای اتصال زمین جهانی اضافی برای ارتباطات بی سیم سنتی انسانی را حذف می کند. بخش فرستنده چیپ عمدتا شامل یک نوسان ساز حلقه، تولیدکننده کد شبه تصادفی (PRBS) و بافر درایور است. بخش گیرنده چیپ شامل یک تقویت کننده جلویی آنالوگ، مدار تغییر سطح، ماشه اشمیت و مدار حلقه قفل فاز بازیابی کلاک (CDR) است. برای کاهش مصرف انرژی، این تراشه از انتقال دیجیتال مستقیم بدون مدولاسیون استفاده می کند و از انتقال داده پهن باند ۲۰۰ مگاهرتز، مدار بازیابی کلاک کاملا دیجیتال، نوسان ساز دیجیتال کنترل شده عددی (DCO) و فناوری نمونه برداری مربعی بهره می برد. کاربرد این فناوری های طراحی مدارهای کم مصرف، مصرف انرژی را در مدارهای تقویت کننده جلویی و مدارهای تولید کلاک که بیشترین مصرف انرژی را دارند، به حداقل می رساند.

　　شکل ۴ نمودار بلوکی اصل فرستنده-گیرنده RF شرکت توماز

　　شکل ۵: فرستنده-گیرنده بی سیم بر اساس اصول ارتباط انسانی

　　۴. چشم انداز برای تراشه های ترنسیور بی سیم پزشکی پوشیدنی

　　در جامعه امروز، مردم با فشار زیادی از کار و زندگی روبرو هستند. با افزایش تقاضای مردم برای سلامتشان، تراشه های پزشکی پوشیدنی به تدریج در زندگی روزمره ادغام می شوند. با توسعه مستمر مهندسی زیست پزشکی و فناوری میکروالکترونیک، تراشه های پزشکی پوشیدنی به تدریج کوچک تر و شبکه ای تر می شوند. میکروسیستم های پزشکی پوشیدنی نیازمند پوشیدن گره های حسگر سیگنال فیزیولوژیکی روی بیمار هستند، بنابراین کوچک سازی برای نگه داشتن بار کم بیماران در طول استفاده طولانی مدت ضروری است. در عین حال، سیگنال های ویژگی فیزیولوژیکی بیماران باید از طریق شبکه های بی سیم به گره های ایستگاه پایه مرکزی یا سایر گره های حسگر منتقل شوند، که شبکه سازی را اساسی ترین نیاز توسعه می کند. بنابراین، تراشه های پزشکی پوشیدنی فعلی ناگزیر به سمت SoCهای کاملا یکپارچه حرکت می کنند تا کوچک سازی و هزینه پایین را به دست آورند؛ در عین حال، مدار فرستنده-گیرنده RF یکپارچه روی تراشه همچنین امکان ارسال سیگنال های گره حسگر را به صورت راحت و بلادرنگ فراهم می کند و امکان پایش موبایل وضعیت سلامت انسان را در هر زمان و هر مکان فراهم می سازد.

　　در حال حاضر، استاندارد اختصاصی ارتباط بی سیم برای سیستم های پزشکی پوشیدنی شخصی در سطح بین المللی وجود ندارد. سری استانداردهای IEEE802.۱۵ که بازارهای ارتباطی بی سیم کم هزینه و کم مصرف صنعتی، خانگی و پزشکی را هدف قرار می دهد، برای توسعه تراشه های پزشکی پوشیدنی شخصی استفاده می شود. اگرچه تراشه های پزشکی پوشیدنی مبتنی بر زیگبی، بلوتوث و WLAN قبلا توسعه یافته اند، پروتکل های ارتباطی آن ها به طور خاص برای کاربردهای پزشکی پوشیدنی طراحی نشده اند. لایه MAC و کیفیت خدمات آن ها نمی تواند برای مصرف انرژی پایین، سرعت بالای انتقال و ویژگی های برد کوتاه در انتقال داده های پزشکی بی سیم بهینه شود، بنابراین هنوز الزامات کاربردی را برآورده نمی کنند. در مواجهه با این چالش ها، طراحان تراشه های پزشکی هنوز فضای قابل توجهی برای توسعه در طراحی مدار کم مصرف و روش های انتقال ارتباطات بی سیم دارند. بسیاری از ساختارها و مفاهیم نوآورانه سیستم های مدار که بر اساس این ملاحظات ساخته شده اند، هنوز نیازمند تحقیقات بیشتر و بهبود عملی هستند. با توسعه فناوری ارتباطات بی سیم، پیشرفت فناوری مدارمجتمع و توسعه مستمر بازارهای برنامه های کاربردی، این مسائل ناگزیر حل خواهند شد و پروژه های مدرن مراقبت های بهداشتی انسانی را به سمت توسعه کم هزینه، کوچک شده، هوشمند و شبکه ای سوق خواهند داد.