ウェアラブル医療システムチップに基づく無線伝送技術の解析

　　はじめに

　　健康は誰にとっても密接に関係しており、現代社会で注目される話題となっています。 ウェアラブル医療モニタリングシステムは、病気の予測や早期診断のために人間の健康データを便利に収集できます。 低コスト・低消費電力・高伝送のワイヤレス通信技術に基づくウェアラブル医療用チップシステムソリューションは、患者が日常生活や業務中にリアルタイムで基本的なバイタルパラメータを収集するのに役立ちます。医師と患者の対面診察時間を短縮することで、病院での待機時間を短縮し、現在の医療資源不足を緩和し、患者ケアの質を向上させます。 さらに、慢性疾患(高血圧、糖尿病、高血脂質など)は、今日の人間の健康の最大の死因となっています。慢性疾患の治療には、患者の健康データの長期的かつ継続的な収集とモニタリングが必要です。 ウェアラブル医療用チップは、その小型化、低消費電力、低運用コストのため、患者にとって受け入れやすいです。広大な消費者市場は、フィリップス、ザーリンク、Tiなど多くのチップ設計企業をR&Dや商業プロモーションに参加させています。

　　手首装着式の血中酸素センサー、腕時計型血糖センサー、腕時計型睡眠品質モニター、睡眠生理学チェッカー、ベルト型呼吸・心拍モニター、埋め込み型の身元認識部品など。 ワイヤレスウェアラブル医療マイクロシステムは、日常服、時計、ジュエリーなどの身体表面に埋め込まれたワイヤレスセンサーで構成されており、これらすべてを用いてマイクロウェアラブル医療チップを埋め込むことができます。 無線通信技術は体の表面の異なる部分に配置され、多数の配線が異なるセンサーやメイン処理ディスプレイチップ間を接続するため、ユーザーに大きな不便をもたらします。配線の代替伝送方法として、無線通信技術は特に顕著な利点として際立っています。 現在、ほとんどの無線通信技術は無線データの伝送速度向上に焦点を当てており、ウェアラブル医療システムで使用される無線伝送技術も無線信号伝送時の消費電力の最小化を考慮する必要があります。 ウェアラブル医療用チップの無線信号伝送に使われるトランシーバー部分は、医療チップ全体の中で最もエネルギーを消費する部分です。長期的なウェアラブル使用を促進するために、ワイヤレス伝送回路の消費電力はウェアラブルチップ設計者にとって間違いなく重要な考慮事項です。 低消費電力と高い伝送速度を目標に注力し、Zarlink、Nordic、Philips、chipconなどの企業は相次いで超低消費電力RFトランシーバーチップのソリューションを発表しています。

　　1. ウェアラブル医療システムのチップ構造

　　ワイヤレス通信技術に基づくウェアラブル医療チップの全体構造は図1に示されており、一般的に生理的信号取得回路、アナログ-デジタル変換回路(ADC)、デジタル信号ベースバンド処理回路、コントローラ、電源で構成されています

　　受信回路は複数の部分で構成されています。 まず、信号取得用の低雑音機器増幅回路が人体から生理学的データを収集します。その後、取得した生理信号をADで変換し、処理しやすいデジタル信号を定量化・生成します。符号化、FFTおよびその他のデジタル信号処理の後、それらは送信回路を通じて送信されます。 同時に、外部制御信号やデータもチップ上の受信回路を通じて受信可能です。 コントローラはチップ全体の動作を制御するために使用され、さまざまな用途要件に対応できるようにプログラム可能です。 通常、高性能な医療用チップは、高性能なデジタル、アナログ、RFコンポーネントで構成されており、これらのコンポーネントの性能がチップ全体の性能に直接影響します。 医療用チップのアナログおよびRFトランシーバ部分は、明らかにチップ全体で最も電力を消費する部分であるため、設計者はこれら2つの回路設計において低消費電力と高性能のバランスを取る必要があります。 以下では、典型的なウェアラブル医療システムチップの各種コンポーネントを紹介します。

　　図1:ウェアラブル医療チップシステムの構造図

　　1.1. 生理的信号取得低雑音増幅器

　　生理学的信号は一般的に、チップ内蔵のバイオセンサーを通じて収集されます。 統合を促進するために、センサーはCMOSプロセスを用いた低ノイズ増幅器を用いて生物学的信号を生体電気信号に変換します。 複数の生理情報を同時に取得するために、異なる機能を持つ複数の増幅器をチップ上に統合し、血圧、血中酸素飽和度、呼吸数、心拍数、体温などの重要なパラメータを収集するマルチチャネルデータを形成できます。 人体の生理的信号は比較的弱く、周囲のノイズに影響されやすいため、増幅器は高感度、高利得、低ノイズ、低消費電力を実現しなければなりません。 同時に、アンプの後には約1kHzのカットオフ周波数を持つローパスフィルターが使用され、生体電気信号以外の周波数での干渉ノイズをさらに除去します。 アンプは、チップの消費電力を削減するために、聴く、動作、睡眠など複数の動作モードを設計することができます。

　　1.2. ADコンバータ(ADC)

　　事前に搭載されたマルチチャンネル生理的信号取得アンプは、さまざまな生理情報を収集し、アナログマルチチャンネルマルチコネクタを介してADCの入力ポートに接続します。アナログマルチチャンネルマルチチャンネルアンプは、一度に1つのプリアンプの出力しか選択できません。 消費電力を削減するために、ADCは通常約10ビットの逐次近似構造を使用します。 精度と変換速度を向上させるために、シグマデルタやパイプラインADCも使用可能です。ビット数が多いほど変換率は高くなりますが、消費電力は高くなります。低消費電力はウェアラブル医療用チップの設計において重要です。 さらに、ADCのユニット容量は適切に選択する必要があります。大きすぎるとチップスペースを多く消費し、寄生容量がユニットの容量に与える影響を最小限に抑える必要があります。

　　1.3 コントローラー

　　チップはARMコアとMCUをコントローラとして使用し、バスを介してチップ回路の他の部分の動作モードを制御できます。 データ使用のタイミングを制御し、レジスタの設定を行い、チップの他の部分を制御してデータバスを占有してリアルタイム通信が可能です。

　　1.4 デジタル信号処理ベースバンド

　　データ伝送の速度、精度、セキュリティを向上させるために、ADCから出力されるデジタル信号はデジタル信号コントローラのベースバンドプロセッサを通過し、デジタル圧縮と符号化を経て、さらにFFT変換やデジタルフィルタリングによって干渉周波数ノイズをさらに除去することも可能です。

　　1.5、RFトランシーバー

　　人体からの生理的信号の収集には生理的特性が必要なため、ウェアラブル医療用チップを体の異なる部位に配置し、チップ間に相互接続された配線が存在することで移動が不便になり、配線が多すぎると絡まりやすく大きな不快感を引き起こします。したがって、信号やデータの無線送信が最も直接的で自然な方法です。 ウェアラブル医療システムチップにワイヤレスRFトランシーバーを統合する際に考慮すべき重要な課題は、通常ワイヤレス製品用途で扱われるものとは大きく異なります。 まず、これは非対称無線伝送方式で、主に人間の信号を収集して送信します。受信信号は主に制御コマンドから来ており、データ量は非常に小さいです。したがって、低速ダウンリンクと高速アップリンク伝送を行う半二重通信モードが使用可能です。 次に、チップは長時間動作する必要があり、ウェアラブルチップに使われるバッテリーは一般的にボタンセルで、電圧は1.2~1.5Vで動作し、容量は数百mA·h未満です。 ワイヤレストランシーバー部分は通常、チップ内で消費電力が最も高い部分です。設計者は低動作電圧、低消費電力、高い伝送速度などの課題に直面します。したがって、無線トランシーバーが採用する構造や、搬送波周波数、伝送方法、変調方式、伝送速度、消費電力などの主要技術の実装を慎重に検討する必要があります。

　　2. ウェアラブル医療チップの無線通信規格

　　無線通信技術は急速に進歩しており、現代医療技術の発展に大きな役割を果たしています。 現在、ウェアラブル医療チップ間の通信にはさまざまな通信規格が存在します。これらの規格はそれぞれの特性に基づいて特定の用途に適していますが、ウェアラブル医療チップの低消費電力・短距離通信機能を十分に活用できない場合があります。 以下は各通信標準の性能と特性の簡単な紹介です(図2参照)。

　　図2:各種無線通信方式の伝送距離と消費電力の比較

　　2.1 Bluetooth

　　Bluetooth規格は周波数ホッピングとスペクトラム拡散技術を採用しており、コード間干渉を効果的に抑制し、通信品質を向上させ、通話のセキュリティを維持します。 Bluetooth規格は1、10、100mの3つの異なる通信距離をサポートし、最大1 Mbpsの通信速度を提供できます。 シンプルな構造を持ち、成熟した技術と強い市場競争力により、単一チップの価格を5ドル未満まで下げることができます。 Bluetooth標準はポイントツーポイントのシリアル通信と共有チャネルメインコントローラインターフェース通信方式を提供し、人間のローカルエリアネットワーク構築に非常に適しています。 しかし、ウェアラブル医療用チップの通信範囲は一般的に人体に近い範囲に限られており、Bluetoothは2.4 GHzで動作するため、このような高周波が人体に与える影響は不明です。高周波通信への恐怖と比較的高い消費電力のため、Bluetooth規格は理想的な選択肢ではありません。

　　2.2，Zigbee

　　Zigbeeは2.4 GHz、900 MHz、800 MHzの3つの異なる周波数帯域で動作可能です。 Bluetooth標準と比べて、Zigbeeは消費電力が少ないです。 2.4 GHz帯で動作する場合、最大データ転送速度は240 kbpsに達します。 Zigbeeの欠点は、データ伝送速度が低く、送信遅延が高く、セキュリティが低く、2.4 GHz周波数で動作する場合、その周波数帯域に集中した多様な通信プロトコルのため、他の通信波からの干渉を受けやすいことです。

　　2.3，UWB

　　UWBは3.1~10 GHzの周波数帯で動作し、平均データ伝送速度は最大850 kbps、最大26 Mbpsまで向上可能です。 この規格はパワースペクトル密度を-41dB(m)MHzと指定していますが、時間領域波形に関する特定の要件はありません。したがって、パルス伝送技術を用いることができ、RF送信機の構造を非常に簡略化しつつ、設計圧力と消費電力設計をRF受信機の設計に移します。 前述の通り、ウェアラブル医療用チップは非対称信号を送信し、送信されるデータ流量は入力データ流量を大きく上回るため、UWBはこの非対称無線通信機能に適しており、消費電力とシステムの複雑さを削減します。 さらに、UWBは超広帯域技術であり、超広帯域を用いて消費電力を抑えるため、比較的低消費電力を実現しています。

　　2.4，WLAN 802.11

　　IEEE 802.11 WLANはISMバンド(産業、科学、医療帯域)で動作しています。 その中で、802.11bと802.11gは2.4 GHz帯で動作し、それぞれ11 Mbpsと54 Mbpsのデータ転送速度を持っています。 802.11aは5 GHz帯で動作し、最大54Mbpsの伝送速度を提供できます。 通信範囲は比較的長く、直接シーケンス拡散スペクトラム技術の採用により強力な干渉防止能力を持っています。しかし、多くの電力を消費し、構造が複雑で高価なため、ウェアラブル医療用チップの設計には適していません。

　　2.5、ワイヤレスUSB

　　ワイヤレスUSB技術はUWBと同様に、超広帯域技術に基づく無線通信技術です。 3.1~10.6GHz帯で動作し、通信距離は3mと10mで、短距離無線データ伝送に適しており、それぞれ最大480 Mbpsと110 Mbpsのデータ伝送速度を持っています。 しかし、この技術が直面する最大の課題は消費電力であり、これは医療用チップ通信への応用における最大の制約要因でもあります。

　　2.6. 赤外線通信(IrDa)

　　赤外線通信は低コストでシンプルな無線通信手段ですが、赤外線の直接放射性のため、IrDAはフェーズ5834の黄金らにしか適していません。ウェアラブル医療システムチップを基盤とした無線トランシーバーは、短距離、点対点の整合性、低速な伝送速度を持ちます。 BluetoothやZigbeeのような無線通信技術と比べると、非常に使いにくいです。

　　2.7. 無線周波数識別技術

　　RFID技術は、空間結合された交互電磁場を利用して、人間の接触なしにデータ通信を実現するRFID技術の一種です。 中国が計画中のRFID周波数帯は50~190 kHz、高周波帯は13.56 MHz±7 kHz、さらに432~434.79 MHzもあります。 中国で計画されているもう一つの周波数帯は900、910、910.1MHzで、これらは列車車両識別に広く使われています。 IrDaやZigbeeと同様に、RFIDは短距離の屋内無線通信技術であり、モバイル資産管理、在庫管理、リアルタイム患者モニタリング、薬物追跡、流通など多様な医療用途で有用です。 しかし、この技術自体は電子タグとRFID技術であり、非常に低い伝送速度と情報の盗難が容易であるため、ウェアラブル医療チップのリアルタイム無線接続用途には適していません。

　　2.8. 人間のコミュニケーション

　　人間コミュニケーション(バイオチャネル)技術、別名ヒューマンコミュニケーション技術は、近年新たに登場した概念です。これは1995年にMITメディアラボのジマーマンによって初めて提案されました。 従来の無線通信技術とは異なり、人間の通信は人間の磁場や人体の近接を通信媒体として利用します。通信距離は非常に短く、時には人間の接触が必要なこともあります。そのため、通信範囲や通信対象を正確に制御でき、異なるチャネル信号間の干渉を大幅に減らし、通信の安全性を確保しています。 通常、人体に近い場所での通信も有線化されており、これにより外部ノイズの妨げなく高速かつ正確なデータ伝送が可能となります。しかし、ワイヤーは絡まりやすく、使用に非常に不便です。 一方で、ZigbeeやBluetoothのような成熟したデータ通信技術を使うことで、有線による手間を避けられますが、通信速度の遅さ、チップの消費電力の高さ、宇宙の混雑電磁信号による干渉への感受性などの問題にも直面します。 したがって、人間のコミュニケーションという概念が提案されるとすぐに、学術界や産業界から広く注目を集めました。

　　3. ウェアラブル医療システムチップを基盤とした無線トランシーバーの開発例

　　マイクロエレクトロニクス技術の急速な発展と高齢化する人類社会のニーズにより、ウェアラブル医療モニタリングシステムが開発されています。 ボディエリアネットワーク(BAN)は、多数の人間のセンサーノードで構成されており、それぞれがウェアラブル医療チップ内のワイヤレストランシーバーを介して他のノード(または中央ノード)と通信できます。 人間の医療モニタリングのための初期の短距離無線通信チップ研究では、ASK FSK変調、低消費電力、単純なクリスタル発振器を送信機として使用することが多かった。この構造は単一ボディサインデータのみを送信でき、性能は低く、発振周波数も低く、スイッチングや起動時間も長かったため、通信伝送速度は非常に低かった。 現代の生体医工学研究の進展に伴い、過去10年ほどで誘導結合コイル通信に基づく新しい回路やシステムが提案されています。しかし、これらの誘導コイルベースのソリューションは通信品質の低さ、伝送速度の低さ、長い伝送時間という問題もあり、通信効率を実質的に低下させ、バッテリー使用時間を短縮しています。

　　これらの非標準化された通信システムは、ウェアラブル医療用無線通信における超低消費電力、超小型サイズ、高信頼性、高速通信速度の要求を満たすのに苦労しています。ワイヤレス健康モニタリングの需要増加に伴い、世界中の研究機関や主要チップメーカーがこの分野で広範な応用研究開発を競い合っています。代表的な例としては、カナダのZarlinkがZL70101 RFトランシーバーチップを開発しました。 英国のToumazが開発したSensiumシステムオンチップ、さらに米国UCバークレー大学のワイヤレスノードネットワーク通信チップ研究グループが設計した2.4 GHz 400mV電源電圧の低消費電力RFトランシーバー、さらに韓国科学アカデミーが開発した人間通信無線トランシーバーチップなどがあります。

　　3.1 ザーリンク医療用埋め込み型通信システムZL70101チップ

　　2006年、カナダのZarlink Semiconductor Companyは医療用インプラントシステム向けの超低消費電力高性能RFトランシーバー ZL70101を発売しました。 このチップは高度に集積されています。ネットワークマッチングを除けば、24 MHzのクォーツ結晶1つとデカップリングコンデンサ2個だけで済み、合計3つのオフチップ部品が必要です。 動作周波数帯は433 MHzのISM帯で、0.18μm RF CMOSプロセスを使用しています。 トランシーバーは5.5 mAで動作し、スリープモードではわずか250 nAです。 チップ全体は400 MHzのRFトランシーバー、2.45 GHzのウェイクアップ信号監視受信機、そして1つのメディアパスコントローラ(MAC)を統合しています。チップ構造図は図3に示されています。

　　受信機は低ノイズ増幅器、ミラード周波数抑制ミキサー、IFF多相フィルタ(PPF)、信号強度インジケーター(RSSI)、ADCからなる低中間周波数構造を採用しています。 送信機は上位ミキサーとパワーアンプで構成され、FSK周波数シフトキーイング変調方式を採用しています。 ウェイクアップシステムはOOK変調を用いた受信機で、2.45 GHz帯で動作します。基地局からチップ全体の電源への起動信号を定期的に検出でき、チップの平均動作電流を大幅に削減します。 このチップは埋め込み型医療モニタリング用途向けに設計されていますが、超低消費電力設計、2mの通信距離、最大800kbpsの伝送速度により、外部ウェアラブル医療チップのワイヤレス接続要件にも優れています。

　　図3 ZarlinkのMICS無線トランシーバ原理のブロック図

　　3.2 生物的リモートセンシング用の超低消費電力システムチップ用トゥマズ無線トランシーバー

　　2007年、イギリスのToumazはSensiumというシステム統合チップをリリースし、SPIバス、ADC、MCU、SRAM、超低消費電力のRFトランシーバーを統合しました。 このセンシウムチップのRFトランシーバー部分は7 mm²のチップ面積を持ち、0.13μm RF CMOSプロセスを使用し、1 Vで動作、ヨーロッパ標準の870 MHz帯と米国標準の928 MHz帯の両方で動作します。受信時の電流消費はわずか2.1 mA、送信出力は-7 dB(m)、送信電流は2.6 mAです。 送受信部は半二重モード(FSK変調)で動作し、ビット誤り率は10-3、データ伝送速度は50 kbpsです。 このチップはECG、Xinbo、体温などのテレメトリーおよび取得用途向けに開発されたため、その性能指標は設計用途の要件を完全に満たしています。 このチップはスライディングIF構造を採用しており、従来の低IFトランシーバーに比べて高い画像周波数抑制を実現し、2段周波数移行を使用しているため、ゼロIFトランシーバーよりもはるかに少ない直流ドリフトが存在します。

　　低消費電力の要件を満たすため、チップ全体は1Vで動作しており、これは0.13μmプロセスにおけるPMOSとNMOSのVthの合計より小さいです。そのため、多くのデバイス、特にアナログおよびRFセクションのものは、サブスレッショルドや弱い反射領域で動作し、消費電力を大幅に削減する一方で、RFアナログ回路設計にとっても課題となります。 受信部はゼロIF構造を採用しており、チップ全体のシステム構造は図4に示されています。

　　LNAは単端入力の共通ソースおよびゲート構造を採用し、出力はチップ上の平面インダクタと調整可能な容量マトリックスを負荷として使います。LNAの出力は第1段下部ミキサーの一端に直接接続され、この二段バランスギルバートユニットミキサーのもう一端の入力は電源に接続され、擬似差動動作モードミキサー構造を形成しています。 送信部のドライブバッファの最終段階は、オープンドレイン構造を持つ単一トランジスタNMOSアンプを使用し、そのドレインはオフチップのインダクタ-キャパシタンスマッチングネットワークに直接接続されています。 このNMOSトランジスタのドレイン段は直接電源に接続されているため、チップのブレークダウンを防ぐために厚ゲートのダブルゲートNMOSトランジスタを使用する必要があります。 送信機は単純な構造を持ち、VCOは自己発振状態で動作します。 通信リンク内の通信損失はRSSIベースの自動利得制御(AGC)で調整でき、送信機のドライブバッファの利得も調整できるため、電力伝送効率が向上します。

　　3.3 人体通信に基づくワイヤレストランシーバーチップ

　　2007年、韓国科学院のソン・ソン率いる研究チームは、世界最低消費電力と2 Mbpsのデータ送信可能なバイオチャネル無線トランシーバーチップを設計しました[55]。 このチップはUWBに似たブロードバンド通信技術を用いており、体の近磁場を利用して通信データを伝送します。 トランシーバー全体は完全デジタルトランシーバシステム(図5参照)を統合しており、デジタル変調は不要です。チップは1Vで動作し、消費電力はわずか0.2 mW、チップ面積は0.85 mm²です。その全体的な性能は、短距離、高速データ転送、極めて低消費電力を必要とするウェアラブルチップの相互接続に非常に適しています。

　　このチップは人間の通信原理に基づいて設計されているため、動作周波数は0.25μmのCMOSプロセスを用いて1~200MHzです。トランシーバーチップ全体は、人間の皮膚に接触したり衣服に付着したりする信号伝導電極が1つのみで構成されており、従来の無線通信に必要な追加のグローバル接地電極を必要としません。 チップの送信側は主にリング発振器、疑似乱数符号発生器(PRBS)、ドライバーバッファで構成されています。受信側はアナログフロントエンドアンプ、レベルシフト回路、シュミットトリガー、クロックリカバリー位相ロックループ(CDR)回路で構成されています。 消費電力を削減するため、このチップは変調不要の直接デジタル伝送を採用し、200 MHzのブロードバンドデータ伝送、完全デジタルクロック回復回路、完全数値制御デジタル発振器(DCO)、直交サンプリング技術を採用しています。 これらの低消費電力回路設計技術の応用により、最も消費電力の多いフロントエンド増幅回路やクロック生成回路の消費電力を最小限に抑えます。

　　図4 トゥマズ社のRFトランシーバ原理のブロック図

　　図5:人間の通信原理に基づく無線トランシーバー

　　4. ウェアラブル医療用ワイヤレストランシーバーチップの展望

　　現代社会では、人々は仕事や生活から大きなプレッシャーに直面しています。人々の健康への要求が高まる中、ウェアラブル医療用チップは徐々に日常生活に統合されています。 生体医工学とマイクロエレクトロニクス技術の継続的な発展により、ウェアラブル医療チップは徐々に小型化されネットワーク化されています。 ウェアラブル医療マイクロシステムは、患者に生理的な信号センサーノードを装着する必要があるため、長期間の装着時に患者を低負荷に保つために小型化が必要です。 同時に、患者の生理的特徴信号は無線ネットワークを通じて中央基地局ノードや他のセンサーノードに送信される必要があり、ネットワーク化は開発における最も基本的な要件となっています。 したがって、現在のウェアラブル医療用チップは、小型化と低コストを実現するために、必然的に完全統合型SoCへと移行しています。 同時に、チップ内蔵のRFトランシーバー回路により、センサーノード信号を便利かつリアルタイムで送信できるため、いつでもどこでも人間の健康状態をモバイルで監視できます。

　　現在、国際的にパーソナルウェアラブル医療システム専用の無線通信規格は存在しません。IEEE802.15シリーズの規格は、産業用、家庭用、医療向けの低コスト・低消費電力無線通信市場を対象とし、パーソナルウェアラブル医療チップの開発に使用されています。 Zigbee、Bluetooth、WLANに基づくウェアラブル医療チップはすでに開発されていますが、それらの通信プロトコルはウェアラブル医療用途向けに特化して設計されていません。MAC層やQoSは、ワイヤレス医療データ伝送の低消費電力、高速伝送、短距離特性に最適化できていないため、まだアプリケーションの要件を満たしていません。 これらの課題に直面しながらも、医療用チップ設計者は低消費電力回路設計や無線通信伝送手法において依然として大きな発展の余地があります。これらの考慮に基づく多くの革新的な回路システム構造や概念は、さらなる研究と実用性の向上が依然として必要です。 無線通信技術の発展、集積回路技術の改善、応用市場の継続的な発展により、これらの課題は必然的に解決され、現代の人間医療プロジェクトを低コストで小型化、知能化、ネットワーク化された発展へと導くでしょう。