Analyse de la technologie de transmission sans fil basée sur des puces de systèmes médicaux portables

　　Introduction

　　La santé est étroitement liée à tous et est devenue un sujet brûlant dans la société humaine actuelle. Les systèmes de surveillance médicale portables peuvent facilement collecter des données de santé humaine pour la prédiction de la maladie et le diagnostic précoce. La solution de système de puce médicale portable, basée sur une technologie de communication sans fil à faible coût, faible consommation et haute transmission, aide les patients à collecter en temps réel les paramètres essentiels de base au cours du travail et de la vie quotidienne. En réduisant le temps de consultation en face à face entre médecins et patients, elle réduit les délais d’attente dans les hôpitaux, atténuant ainsi la pénurie actuelle de ressources médicales et améliorant la qualité des soins aux patients. De plus, les maladies chroniques (telles que l’hypertension, le diabète et les lipides sanguins élevés) sont aujourd’hui devenues aujourd’hui la principale cause de mortalité de la santé humaine. Le traitement des maladies chroniques nécessite une collecte et un suivi continus et à long terme des données de santé des patients. Les puces médicales portables, en raison de leur petite taille, de leur faible consommation d’énergie et de leurs faibles coûts d’exploitation, sont plus faciles à accepter pour les patients. Le vaste marché potentiel de consommateurs a attiré de nombreuses entreprises de conception de puces telles que Philips, Zarlink, Ti, etc., à participer à leur R&D et à leur promotion commerciale.

　　Capteurs d’oxygène sanguin portés au poignet, capteurs de glycémie de type montre-bracelet, moniteurs de qualité du sommeil de type montre-bracelet, vérificateurs de physiologie du sommeil, monitoirs de respiration et de battement cardiaque de type ceinture, composants implantables de reconnaissance d’identité, et bien plus encore. Les microsystèmes médicaux portables sans fil se composent de capteurs sans fil intégrés à la surface du corps, tels que les vêtements du quotidien, les montres, les bijoux, etc., tous pouvant être utilisés pour implanter des puces médicales micro portables. Parce que la technologie de communication sans fil est placée à différentes parties de la surface du corps, avec de nombreux fils reliant différents capteurs et entre les puces principales d’affichage de traitement, elle cause inévitablement des désagréments importants pour les utilisateurs. En tant que méthode alternative de transmission pour les fils, la technologie de communication sans fil se distingue comme un avantage particulièrement marquant. Actuellement, la plupart des technologies de communication sans fil visent à augmenter la vitesse de transmission des données sans fil, et les technologies de transmission sans fil utilisées dans les systèmes médicaux portables doivent également envisager de minimiser la consommation d’énergie lors de la transmission du signal sans fil. La partie émetteur-récepteur utilisée pour la transmission du signal sans fil sur les puces médicales portables est généralement la partie la plus énergivore de l’ensemble de la puce médicale. Pour faciliter une utilisation à long terme des appareils portables, la consommation d’énergie du circuit de transmission sans fil est sans aucun doute un critère clé pour les concepteurs de puces portables. Axés sur les objectifs de faible consommation d’énergie et de taux de transmission élevés, des entreprises telles que Zarlink, Nordic, Philips et chipcon ont successivement lancé des solutions pour des puces émette-récepteurs RF ultra-faible puissance.

　　1. Structure de puces des systèmes médicaux portables

　　La structure générale d’une puce médicale portable basée sur la technologie de communication sans fil est illustrée à la Figure 1, généralement composée d’un circuit d’acquisition physiologique du signal, d’un circuit de conversion analogique-numérique (ADC), d’un circuit de traitement numérique en bande de base du signal, d’un contrôleur et d’une source d’alimentation

　　Le circuit récepteur se compose de plusieurs parties. D’abord, le circuit amplificateur d’instrument à faible bruit d’acquisition du signal collecte des données physiologiques du corps humain. Ensuite, les signaux physiologiques acquis sont convertis via AD pour quantifier et générer des signaux numériques faciles à traiter. Après encodage, FFT et autres traitements numériques du signal, ils sont transmis via le circuit d’émission. En même temps, des signaux de commande externes et des données peuvent également être reçus via le circuit de réception de la puce. Le contrôleur est utilisé pour contrôler le fonctionnement de l’ensemble de la puce et peut être programmé pour répondre à différentes exigences d’application. Typiquement, une puce médicale portable haute performance est composée de composants numériques, analogiques et RF haute performance, les performances de ces composants affectant directement la performance globale de la puce. Les composants analogiques et RF des puces médicales sont évidemment les composants les plus énergivores de l’ensemble de la puce, donc les concepteurs doivent généralement équilibrer faible consommation et haute performance lors de la conception de circuits pour ces deux parties. Ci-dessous, nous présentons les différents composants d’une puce de système médical portable typique.

　　Figure 1 : Diagramme de structure du système à puce médicale portable

　　1.1. Amplificateur à faible bruit pour acquisition physiologique du signal

　　Les signaux physiologiques sont généralement collectés via des biocapteurs intégrés intégrés sur puce. Pour faciliter l’intégration, le capteur utilise un amplificateur à faible bruit utilisant un procédé CMOS pour convertir des signaux biologiques en signaux bioélectriques. Pour obtenir simultanément plusieurs informations physiologiques, plusieurs amplificateurs avec des fonctions différentes peuvent être intégrés sur la puce pour former des données multi-canaux afin de collecter des paramètres vitaux tels que la pression artérielle, la saturation en oxygène sanguin, la fréquence respiratoire, le rythme cardiaque et la température corporelle. Puisque les signaux physiologiques dans le corps humain sont relativement faibles et facilement affectés par le bruit environnant, les amplificateurs doivent atteindre une grande sensibilité, un gain élevé, un faible bruit et une faible consommation d’énergie ; Parallèlement, un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure d’environ 1 kHz est utilisé après l’amplificateur pour filtrer davantage le bruit d’interférence à des fréquences autres que les signaux bioélectriques. Les amplificateurs peuvent être conçus avec plusieurs modes de fonctionnement, tels que l’écoute, le fonctionnement et le mode veille, afin de réduire la consommation d’énergie de la puce.

　　1.2. Convertisseur AD (ADC)

　　L’amplificateur d’acquisition physiologique multicanal pré-monté collecte diverses informations physiologiques et se connecte au port d’entrée du ADC via un multi-connecteur analogique multicanal. L’amplificateur multicanal multicanal analogique ne peut sélectionner que la sortie d’un seul préamplificateur à la fois. Pour réduire la consommation d’énergie, les ADC utilisent généralement une structure d’approximation séquentielle, avec environ 10 bits. Pour améliorer la précision et la vitesse de conversion, des ADC sigma-delta ou pipeline peuvent également être utilisés. Plus le nombre de bits est élevé, plus le taux de conversion est élevé, mais la consommation d’énergie est élevée. Une faible consommation d’énergie est essentielle lors de la conception de puces médicales portables. De plus, la capacité unitaire du ADC doit être choisie de manière appropriée ; choisir un volume trop grand prend beaucoup d’espace sur la puce, et l’impact de la capacité parasite sur la capacité unitaire doit être minimisé.

　　1.3 Contrôleur

　　La puce peut utiliser des cœurs ARM et un MCU comme contrôleurs, contrôlant les modes de fonctionnement des autres parties des circuits de la puce via un bus ; Il peut contrôler le timing de l’utilisation des données, configurer les registres et contrôler d’autres parties de la puce pour occuper le bus de données afin de communiquer en temps réel.

　　1.4 Bande de base de traitement numérique du signal

　　Pour améliorer la vitesse, la précision et la sécurité de la transmission des données, les signaux numériques émis par l’ADC doivent passer par le processeur de bande de base du contrôleur de signal numérique, subir une compression et un encodage numériques, et peuvent également être filtrés par transformation FFT et filtrage numérique afin de filtrer davantage le bruit de fréquence d’interférence.

　　1.5, émetteurs-récepteurs RF

　　Puisque la collecte des signaux physiologiques du corps humain nécessite des caractéristiques physiologiques, placer des puces médicales portables dans différentes parties du corps, et la présence de fils interconnectés entre les puces, rend le mouvement incommode, et trop de fils peuvent facilement s’emmêler et causer un grand inconfort. Par conséquent, la transmission sans fil de signaux et de données est la méthode la plus directe et naturelle. Les principaux enjeux à considérer lors de l’intégration de récepteurs RF sans fil sur des puces de systèmes médicaux portables diffèrent nettement de ceux généralement abordés dans les applications de produits sans fil. Premièrement, il s’agit d’une méthode de transmission sans fil asymétrique, qui collecte principalement les signaux humains et les transmet. Les signaux reçus proviennent principalement de commandes de contrôle, et le volume de données est très faible. Par conséquent, un mode de communication semi-duplex peut être utilisé, avec une transmission descendante et montante à faible vitesse. Deuxièmement, les puces doivent fonctionner pendant de longues périodes, et les batteries utilisées pour les puces portables sont généralement des cellules bouton, fonctionnant à des tensions comprises entre 1,2~1,5 V et avec une capacité inférieure à plusieurs centaines de mA·h. La section de l’émetteur-récepteur sans fil est généralement la partie ayant la plus grande consommation d’énergie dans une puce. Les concepteurs font face à des défis tels qu’une faible tension de fonctionnement, une faible consommation d’énergie et des débits de transmission élevés. Il est donc nécessaire de considérer attentivement la structure adoptée par le transceiver sans fil, ainsi que la mise en œuvre de technologies clés telles que la fréquence porteuse, la méthode de transmission, la méthode de modulation, le débit de transmission et la consommation d’énergie.

　　2. Normes de communication sans fil pour puces médicales portables

　　La technologie de communication sans fil progresse rapidement et joue un rôle important dans l’avancement de la technologie médicale moderne. Actuellement, il existe diverses normes de communication pour la communication entre puces médicales portables. Ces normes conviennent à des applications spécifiques en fonction de leurs propres caractéristiques, mais peuvent également ne pas exploiter pleinement les fonctionnalités de communication à faible consommation et à courte portée des puces médicales portables. Voici une brève introduction aux performances et caractéristiques de chaque standard de communication (voir Figure 2).

　　Figure 2 : Comparaison des distances de transmission et de la consommation d’énergie de diverses méthodes de communication sans fil

　　Bluetooth 2.1

　　La norme Bluetooth utilise le saut de fréquence et la technologie de spectre étalé, ce qui supprime efficacement les interférences entre codes, améliore la qualité des communications et maintient la sécurité des appels. Les normes Bluetooth prennent en charge trois distances de communication différentes : 1, 10 et 100 m, et peuvent fournir des vitesses de communication allant jusqu’à 1 Mbps. Elle a une structure simple et peut réduire le prix d’une seule puce à moins de 5 $, grâce à une technologie mature et une forte compétitivité sur le marché. La norme Bluetooth fournit une communication série point à point et une méthode d’interface de communication à canal principal partagé, très adaptée à la construction de réseaux locaux humains. Cependant, comme la portée de communication des puces médicales portables est généralement limitée aux zones proches du corps humain, alors que le Bluetooth fonctionne à 2,4 GHz, l’impact de ces hautes fréquences sur le corps humain reste inconnu. En raison de la crainte des gens envers la communication à haute fréquence et de sa consommation d’énergie relativement élevée, la norme Bluetooth n’est pas un choix idéal.

　　2.2，Zigbee

　　Zigbee peut fonctionner sur trois plages de fréquences différentes : 2,4 GHz, 900 MHz et 800 MHz. Comparé aux standards Bluetooth, Zigbee consomme moins d’énergie. Lorsqu’elle fonctionne dans la bande des 2,4 GHz, elle peut atteindre un débit maximal de transfert de données de 240 kbps. Les inconvénients de Zigbee sont de faibles débits de transmission de données, une latence élevée de transmission, une faible sécurité, et lorsqu’il fonctionne à la fréquence de 2,4 GHz, la grande variété de protocoles de communication concentrés dans cette bande de fréquence rend Zigbee facilement vulnérable aux interférences d’autres ondes de communication.

　　2.3，UWB

　　L’UWB fonctionne dans la plage de fréquences de 3,1~10 GHz, avec un débit moyen de transmission de données allant jusqu’à 850 kbps et peut être augmenté jusqu’à 26 Mbps. Cette norme spécifie une densité spectrale de puissance de -41 dB(m) MHz, mais il n’existe pas d’exigences spécifiques pour les formes d’onde du domaine temporel. Par conséquent, la technologie de transmission d’impulsions peut être utilisée, rendant la structure des émetteurs RF très simple, tout en transférant la pression de conception et la consommation d’énergie à la conception des récepteurs RF. Comme mentionné précédemment, les puces médicales portables transmettent des signaux asymétriques, le flux de données transmis dépassant largement celui des données d’entrée, ce qui rend l’UWB parfaitement adapté à cette fonction de communication sans fil asymétrique, réduisant ainsi la consommation d’énergie et la complexité du système. De plus, l’UWB est une technologie ultra-large bande qui utilise la bande ultra-large pour obtenir une consommation d’énergie plus faible, ce qui entraîne une consommation relativement faible.

　　2.4，WLAN 802.11

　　IEEE 802.11 WLAN opère dans la bande ISM (bandes industrielle, scientifique et médicale). Parmi eux, 802.11b et 802.11g opèrent dans la bande des 2,4 GHz, avec des débits de transfert de données de 11 Mbps et 54 Mbps respectivement. Le 802.11a fonctionne sur la bande 5 GHz et peut fournir des débits de transmission allant jusqu’à 54 Mbps. Il a une portée de communication relativement longue et, en raison de son utilisation de la technologie à spectre étalé à séquence directe, possède une forte capacité anti-interférence. Cependant, il consomme beaucoup d’énergie, possède une structure complexe et est trop coûteux, ce qui le rend inadapté à la conception de puces médicales portables.

　　2,5, USB sans fil

　　La technologie USB sans fil, comme l’UWB, est une technologie de communication sans fil basée sur la technologie ultra-large bande. Elle fonctionne dans la plage de 3,1~10,6 GHz, avec des distances de communication de 3 et 10 m, adaptée à la transmission sans fil de données à courte portée, avec des débits de transmission allant jusqu’à 480 Mbps et 110 Mbps respectivement. Cependant, le plus grand défi auquel cette technologie est confrontée est la consommation d’énergie, qui constitue également le principal facteur limitant de son application dans les communications sur puces médicales.

　　2.6. Communication infrarouge (IrDa)

　　La communication infrarouge est une méthode de communication sans fil simple et peu coûteuse, mais en raison de la nature à émission directe de l’infrarouge, l’IrDA n’est adapté qu’à Huang Jin et à d’autres en phase 5834 : les émetteurs-récepteurs sans fil basés sur des puces de systèmes médicaux portables ont de courtes distances, un alignement point à point et de faibles vitesses de transmission. Comparé aux technologies de communication sans fil comme le Bluetooth et le Zigbee, il est extrêmement peu pratique à utiliser.

　　2.7. Technologie d’identification par radiofréquence

　　La technologie RFID est un type de technologie RFID qui utilise des champs électromagnétiques alternatifs couplés dans l’espace pour assurer la communication de données sans contact humain. La bande de fréquences RFID prévue en Chine est de 50~190 kHz, la bande haute fréquence est de 13,56 MHz± 7 kHz, et il y a également 432~434,79 MHz ; Une autre bande de fréquences prévue en Chine est 900, 910 et 910,1 MHz, qui ont été largement utilisées pour l’identification des véhicules ferroviaires. Comme IrDa et Zigbee, la RFID est une technologie de communication sans fil intérieure avec une courte distance, ce qui la rend utile dans diverses applications médicales telles que la gestion des actifs mobiles, la gestion des stocks, la surveillance en temps réel des patients, le suivi et la distribution de médicaments. Cependant, cette technologie elle-même est une technologie d’étiquette électronique et RFID, avec des débits de transmission extrêmement faibles et des informations facilement volées, ce qui la rend inadaptée aux applications de connectivité sans fil en temps réel dans les puces médicales portables.

　　2.8. Communication humaine

　　La technologie de communication humaine (Bio-canal), également connue sous le nom de technologie de communication humaine, est un nouveau concept qui a émergé ces dernières années. Elle a été proposée pour la première fois par Zimmerman du Media Lab du MIT en 1995. Contrairement à toute technologie de communication sans fil antérieure, la communication humaine utilise la proximité du champ magnétique humain ou du corps humain lui-même comme moyen de communication. La distance de communication est très courte, nécessitant parfois un contact humain pour communiquer. Elle permet donc un contrôle précis de la portée de communication et de la cible de communication, réduisant considérablement les interférences entre différents signaux de canaux et assurant la sécurité des communications. En général, la communication dans les zones proches du corps humain peut aussi être câblée, ce qui garantit une transmission des données rapide et précise sans interférence de bruit extérieur. Cependant, les fils ont tendance à s’emmêler et sont extrêmement gênants à utiliser. En revanche, utiliser des technologies de communication de données matures comme Zigbee et Bluetooth évite les tracas causés par les fils, mais rencontre aussi des problèmes tels que des vitesses de communication lentes, une consommation d’énergie élevée des puces et une susceptibilité aux interférences causées par des signaux électromagnétiques encombrants d’espace. Ainsi, dès que le concept de communication humaine a été proposé, il a immédiatement attiré une large attention du milieu universitaire et de l’industrie.

　　3. Exemple de développement de récepteurs sans fil basés sur des puces de systèmes médicaux portables

　　En raison du développement rapide de la technologie microélectronique et des besoins d’une société humaine vieillissante, des systèmes portables de surveillance médicale ont été développés. Un Réseau de Surface Corporelle (BAN) se compose de nombreux nœuds capteurs humains, chacun pouvant communiquer avec d’autres nœuds (ou nœuds centraux) via des émetteurs-récepteurs sans fil à l’intérieur de la puce médicale portable. Les premières recherches sur les puces de communication sans fil à courte portée pour la surveillance médicale humaine utilisaient souvent la modulation ASK FSK, une faible consommation d’énergie et des oscillateurs à cristal simples comme émetteurs. Cette structure ne pouvait transmettre que des données de signe de corps unique, avait de faibles performances, et de faibles fréquences d’oscillateurs ainsi que de longs temps de commutation et de démarrage, ce qui entraînait des débits de transmission de communication très faibles. Avec l’approfondissement de la recherche moderne en génie biomédical, au cours de la dernière décennie environ, de nouveaux circuits et systèmes basés sur la communication par bobine de couplage inductif ont été proposés. Cependant, ces solutions à bobine inductive souffrent également d’une mauvaise qualité de communication, de faibles débits de transmission et de temps de transmission longs, ce qui réduit efficacement l’efficacité de la communication et raccourcit le temps d’utilisation de la batterie.

　　Ces systèmes de communication non standardisés peinent à répondre aux exigences de consommation d’énergie ultra-faible, de taille ultra-petite, de grande fiabilité et de vitesse de communication élevée pour la communication sans fil médicale portable. Poussés par la demande croissante pour la surveillance de la santé sans fil, les institutions de recherche et les grandes entreprises de puces du monde entier se sont disputées pour mener une recherche et un développement applicatifs étendus dans ce domaine. Parmi les exemples les plus représentatifs figurent : Zarlink au Canada, qui a développé ZL70101 puces de récepteurs RF, Le système sur puce Sensium développé par Toumaz au Royaume-Uni, ainsi qu’un émetteur-récepteur RF à faible consommation avec une tension d’alimentation de 2,4 GHz à 400 mV, conçu par le Wireless Node Network Communication Chip Research Group de l’Université UC Berkeley aux États-Unis, et une puce transceiver sans fil de communication humaine développée par l’Académie coréenne des sciences.

　　3.1 Système de communication implantable Zarlink ZL70101 puce

　　En 2006, la société canadienne Zarlink Semiconductor Company a lancé un ZL70101 d’émetteurs-récepteurs RF haute performance et ultra-faible puissance pour les systèmes d’implants médicaux. Cette puce est hautement intégrée ; à l’exclusion de l’appariement réseau, elle ne nécessite qu’un cristal de quartz à 24 MHz et deux condensateurs de découplage, soit un total de trois composants hors puce ; Sa bande de fréquences de fonctionnement est la bande ISM de 433 MHz, utilisant un procédé RF CMOS de 0,18 μm. L’émetteur-récepteur fonctionne à 5,5 mA, et en mode veille, il n’est que de 250 nA. L’ensemble de la puce intègre un émetteur-récepteur RF à 400 MHz, un récepteur de surveillance du signal de réveil à 2,45 GHz, et un contrôleur de chemin média (MAC). Le diagramme de structure de la puce est montré à la Figure 3.

　　Le récepteur adopte une structure basse-intermédiaire de fréquence, composée d’un amplificateur à faible bruit, d’un mélangeur de suppression de fréquence miroir, d’un filtre multiphasé IFF (PPF), d’un indicateur de force du signal (RSSI) et d’un ADC. L’émetteur se compose d’un mélangeur supérieur et d’un amplificateur de puissance, utilisant la méthode de modulation par décalage de fréquence FSK. Le système de réveil est un récepteur utilisant la modulation OOK et fonctionne dans la bande des 2,45 GHz. Il peut détecter périodiquement les signaux de démarrage des stations de base pour alimenter l’ensemble de la puce, réduisant considérablement le courant moyen de fonctionnement de la puce. Cette puce est conçue pour des applications de surveillance médicale implantable, mais grâce à sa conception ultra-faible en consommation, sa distance de communication de 2 m et son débit de transmission allant jusqu’à 800 kbps, elle excelle également à répondre aux exigences de connectivité sans fil des puces médicales portables externes.

　　Figure 3 Diagramme bloc du principe de l’émetteur-récepteur RF MICS de Zarlink

　　3.2 Émetteur-récepteur sans fil Toumaz pour puces de systèmes ultra-basse consommation pour la télédétection biologique

　　En 2007, Toumaz au Royaume-Uni a lancé une puce d’intégration système appelée Sensium, qui combinait le bus SPI, ADC, MCU, SRAM et un émetteur-récepteur RF ultra-basse puissance. La section transceiver RF de cette puce Sensium a une surface de puce de 7 mm², utilise un procédé CMOS RF de 0,13 μm, fonctionne à 1 V, et fonctionne à la fois sur la bande standard européenne 870 MHz et la bande standard américaine 928 MHz. La consommation de courant lors de la réception n’est que de 2,1 mA, la puissance d’émission est de -7 dB(m), et le courant d’émission est de 2,6 mA ; La section transmission/réception fonctionne en mode demi-duplex, modulation FSK, avec un taux d’erreur binaire de 10-3 et un débit de transmission de données de 50 kbps. Puisque cette puce a été développée pour des applications de télémétrie et d’acquisition telles que l’ECG, le Xinbo et la température corporelle, ses indicateurs de performance répondent pleinement aux exigences des applications de conception. La puce adopte une structure Sliding-FI, qui offre une suppression de fréquence d’image supérieure à celle des émetteurs-récepteurs à faible FI traditionnels, et parce qu’elle utilise une migration de fréquence à deux étapes, elle présente beaucoup moins de dérive DC que les émetteurs-récepteurs à IF zéro.

　　Pour répondre aux exigences de faible consommation d’énergie, l’ensemble de la puce fonctionne à 1 V, ce qui est inférieur à la somme des V-èmes de PMOS et NMOS sous des processus à 0,13μm. Ainsi, de nombreux dispositifs, en particulier ceux situés dans les sections analogique et RF, fonctionnent dans des régions sous-seuils et faibles réfléchissantes, réduisant considérablement la consommation d’énergie mais posant également des défis pour la conception de circuits analogiques RF. La section réceptrice adopte une structure zéro-FI, et la structure système de l’ensemble de la puce est illustrée à la Figure 4.

　　Le LNA utilise une source commune et une structure de porte d’entrée à une seule extrémité, avec une sortie utilisant des inductances planes intégrées à la puce et des matrices de capacité ajustables comme charges correspondantes. La sortie LNA est directement connectée à une extrémité du mélangeur inférieur du premier étage, tandis que l’autre entrée de ce mélangeur Gilbert à double équilibrage est connectée à l’alimentation, formant une structure de mélangeur en mode de fonctionnement pseudo-différentiel. L’étage final du tampon d’entraînement dans la section d’émission utilise un amplificateur NMOS à transistor unique avec une structure à drain ouvert, dont le drain est directement connecté au réseau d’adaptation inductance et capacité hors puce. L’étage de décharge de ce transistor NMOS est directement connecté à l’alimentation, il faut donc utiliser un transistor NMOS double grille à porte épaisse pour éviter la rupture de la puce. L’émetteur a une structure simple, et son VCO fonctionne en état auto-oscillant. La perte de communication dans la liaison de communication peut être ajustée via le contrôle automatique de gain (AGC) basé sur RSSI, et le gain du tampon de transmission de l’émetteur peut être ajusté, améliorant ainsi l’efficacité de la transmission de puissance.

　　3.3 Puce d’émetteur-récepteur sans fil basée sur la communication corporelle humaine

　　En 2007, une équipe de recherche dirigée par Seong-Jun Son de l’Académie coréenne des sciences a conçu la plus faible consommation d’énergie au monde et une puce émetteur-récepteur sans fil bio-canal capable de transmettre des données à 2 Mbps [55]. Cette puce utilise une technologie de communication à large bande similaire à l’UWB, s’appuyant sur le champ quasi magnétique du corps pour transmettre les données de communication. L’ensemble du récepteur intègre un système entièrement numérique (voir Figure 5), sans modulation numérique. La puce fonctionne à 1 V, avec une consommation électrique de seulement 0,2 mW et une surface de puce de 0,85 mm². Ses performances globales le rendent très adapté aux puces portables interconnectées nécessitant de courtes distances, des débits de transfert de données élevés et une consommation extrêmement faible.

　　Parce que cette puce est conçue selon des principes de communication humaine, sa fréquence de fonctionnement peut être de 1~200 MHz, utilisant un procédé CMOS de 0,25μm. L’ensemble de la puce émetteur-récepteur ne possède qu’une seule électrode de conduction de signal qui touche la peau humaine ou s’attache à des vêtements, éliminant ainsi le besoin d’électrodes de mise à la terre globales supplémentaires nécessaires à la communication humaine sans fil traditionnelle. La section émetteur de la puce se compose principalement d’un oscillateur en anneau, d’un générateur de codes pseudo-aléatoires (PRBS) et d’un tampon de pilote. La section récepteur de la puce se compose d’un amplificateur frontal analogique, d’un circuit à décalage de niveau, d’une détente Schmitt et d’un circuit CDR (reprise d’horloge) en boucle verrouillée de phase. Pour réduire la consommation d’énergie, la puce adopte une transmission numérique directe sans modulation, employant une transmission de données à large bande à 200 MHz, un circuit de récupération d’horloge entièrement numérique, un oscillateur numérique entièrement contrôlé (DCO) et une technologie d’échantillonnage en quadrature. L’application de ces technologies de conception de circuits à faible consommation réduit la consommation d’énergie dans les circuits d’amplificateurs frontaux et les circuits de génération d’horloges les plus gourmands.

　　Figure 4 Diagramme bloc du principe de l’émetteur-récepteur RF de la société Toumaz

　　Figure 5 : Émetteur-récepteur sans fil basé sur les principes de communication humaine

　　4. Perspectives pour les puces de récepteurs sans fil médicaux portables

　　Dans la société actuelle, les gens subissent une pression énorme du travail et de la vie privée. À mesure que les exigences de santé des gens continuent d’augmenter, les puces médicales portables sont progressivement intégrées dans la vie quotidienne. Avec le développement continu du génie biomédical et de la technologie microélectronique, les puces médicales portables deviennent progressivement de plus en plus miniaturisées et en réseau. Les microsystèmes médicaux portables nécessitent que des nœuds capteurs de signal physiologiques soient portés sur le patient, ce qui nécessite une miniaturisation pour maintenir les patients sous faible charge pendant une portée prolongée. Parallèlement, les signaux caractéristiques physiologiques des patients doivent être transmis via des réseaux sans fil vers des nœuds de stations de base centrales ou d’autres nœuds capteurs, faisant du réseau la condition la plus fondamentale pour le développement. Par conséquent, les puces médicales portables actuelles évoluent inévitablement vers des SoC entièrement intégrés afin d’assurer la miniaturisation et le faible coût ; Parallèlement, le circuit intégré de l’émetteur-récepteur RF intégré permet également de transmettre les signaux des nœuds capteurs de manière pratique et en temps réel, permettant la surveillance mobile de l’état de santé humain à tout moment et en tout lieu.

　　Actuellement, il n’existe pas de norme dédiée à la communication sans fil pour les systèmes médicaux portables personnels à l’international. La série de normes IEEE802.15, ciblant les marchés industriels, domestiques et médicaux de la communication sans fil à faible coût et faible consommation, est utilisée pour le développement de puces médicales portables personnelles. Bien que des puces médicales portables basées sur Zigbee, Bluetooth et WLAN aient déjà été développées, leurs protocoles de communication ne sont pas spécifiquement conçus pour des applications médicales portables. Leur couche MAC et leur QoS ne peuvent pas être optimisés pour la faible consommation d’énergie, la vitesse de transmission élevée et les caractéristiques de courte distance de la transmission sans fil de données médicales, ils ne répondent donc pas encore aux exigences de l’application. Face à ces défis, les concepteurs de puces médicales disposent encore d’une marge de progression significative dans la conception de circuits à faible consommation et les méthodes de transmission de communication sans fil. De nombreuses structures et concepts innovants de systèmes de circuits basés sur ces considérations nécessitent encore des recherches et des améliorations pratiques. Avec le développement de la technologie de communication sans fil, les progrès de la technologie des circuits intégrés et le développement continu des marchés applicatifs, ces problèmes seront inévitablement résolus et conduiront les projets modernes de santé humaine vers un développement à faible coût, miniaturisé, intelligent et en réseau.