Análise da tecnologia de transmissão sem fio baseada em chips de sistemas médicos vestíveis

　　Introdução

　　A saúde está intimamente ligada a todos e se tornou um tema quente de preocupação na sociedade humana atual. Sistemas vestíveis de monitoramento médico podem coletar convenientemente dados de saúde humana para previsão de doenças e diagnóstico precoce. A solução de sistema de chip médico vestível, baseada em tecnologia de comunicação sem fio de baixo custo, baixo consumo e alta transmissão, ajuda os pacientes a coletar parâmetros vitais básicos em tempo real durante o trabalho e a vida cotidiana. Ao reduzir o tempo de consulta presencial entre médicos e pacientes, ela reduz os tempos de espera nos hospitais, aliviando assim a atual escassez de recursos médicos e melhorando a qualidade do atendimento ao paciente. Além disso, doenças crônicas (como hipertensão, diabetes e lipídios altos no sangue) tornaram-se hoje a principal causa de morte da saúde humana. O tratamento de doenças crônicas exige coleta e monitoramento contínuos e de longo prazo dos dados de saúde dos pacientes. Chips médicos vestíveis, devido ao seu pequeno tamanho, baixo consumo de energia e baixos custos operacionais, são mais fáceis de aceitar para os pacientes. O vasto mercado consumidor potencial atraiu muitas empresas de design de chips, como Philips, Zarlink, Ti, etc., para participar de sua P&D e promoção comercial.

　　Sensores de oxigênio no sangue usados no pulso, sensores de glicose no estilo relógio de pulso, monitores de qualidade do sono no estilo relógio de pulso, verificadores de fisiologia do sono, monitores de respiração e batimentos cardíacos no estilo cinto, componentes implantáveis de reconhecimento de identidade e muito mais. Microssistemas médicos vestíveis sem fio consistem em sensores sem fio embutidos na superfície do corpo, como roupas do dia a dia, relógios, joias, etc., todos os quais podem ser usados para implantar microchips médicos vestíveis. Como a tecnologia de comunicação sem fio é posicionada em diferentes partes da superfície do corpo, com inúmeros fios conectando diferentes sensores e entre os chips principais de visualização, inevitavelmente causa grandes inconvenientes aos usuários. Como método alternativo de transmissão para fios, a tecnologia de comunicação sem fio se destaca como uma vantagem particularmente proeminente. Atualmente, a maioria das tecnologias de comunicação sem fio foca em aumentar a taxa de transmissão de dados sem fio, e as tecnologias de transmissão sem fio usadas em sistemas médicos vestíveis também devem considerar minimizar o consumo de energia durante a transmissão de sinal sem fio. A parte do transceptor usada para transmissão de sinal sem fio em chips médicos vestíveis geralmente é a parte que mais consome energia de todo o chip médico. Para facilitar o uso de dispositivos vestíveis a longo prazo, o consumo de energia do circuito de transmissão sem fio é, sem dúvida, uma consideração fundamental para os projetistas de chips vestíveis. Focando nos objetivos de baixo consumo de energia e altas taxas de transmissão, empresas como Zarlink, Nordic, Philips e Chipcon lançaram sucessivamente soluções para chips transceptores RF de ultra-baixa potência.

　　1. Estrutura de chip de sistemas médicos vestíveis

　　A estrutura geral de um chip médico vestível baseado em tecnologia de comunicação sem fio é mostrada na Figura 1, geralmente consistindo em um circuito fisiológico de aquisição de sinais, um circuito de conversão analógico-digital (ADC), um circuito de processamento de banda base de sinal digital, um controlador e uma fonte de energia

　　O circuito do receptor é composto por várias partes. Primeiro, o circuito amplificador de instrumentos de baixo ruído para aquisição de sinal coleta dados fisiológicos do corpo humano. Em seguida, os sinais fisiológicos adquiridos são convertidos por meio de AD para quantificar e gerar sinais digitais fáceis de processar. Após codificação, FFT e outros processamentos digitais de sinais, eles são transmitidos pelo circuito transmissor. Ao mesmo tempo, sinais e dados de controle externos também podem ser recebidos pelo circuito receptor do chip. O controlador é usado para controlar a operação de todo o chip e pode ser programado para atender a diferentes requisitos de aplicação. Normalmente, um chip médico vestível de alto desempenho consiste em componentes digitais, analógicos e RF de alto desempenho, sendo que o desempenho desses componentes afeta diretamente o desempenho geral do chip. As partes analógicas e de transceptores RF dos chips médicos são obviamente as que consomem mais energia de todo o chip, então os projetistas geralmente precisam equilibrar baixo consumo de energia e alto desempenho ao projetar circuitos para essas duas partes. Abaixo, apresentamos os diversos componentes de um chip típico de sistema médico vestível.

　　Figura 1: Diagrama estrutural do sistema de chip médico vestível

　　1.1. Amplificador de baixo ruído para aquisição fisiológica de sinal

　　Os sinais fisiológicos geralmente são coletados por biossensores integrados no chip. Para facilitar a integração, o sensor utiliza um amplificador de baixo ruído usando processo CMOS para converter sinais biológicos em sinais bioelétricos. Para obter simultaneamente múltiplas informações fisiológicas, múltiplos amplificadores com funções diferentes podem ser integrados no chip para formar dados multicanal que coletam parâmetros vitais como pressão arterial, saturação de oxigênio, frequência respiratória, frequência cardíaca e temperatura corporal. Como os sinais fisiológicos no corpo humano são relativamente fracos e facilmente afetados pelo ruído ao redor, os amplificadores devem alcançar alta sensibilidade, alto ganho, baixo ruído e baixo consumo de energia; Ao mesmo tempo, um filtro passa-baixa com frequência de corte em torno de 1kHz é usado após o amplificador para filtrar ainda mais ruído de interferência em frequências diferentes dos sinais bioelétricos. Amplificadores podem ser projetados com múltiplos modos de operação, como escuta, funcionamento e suspensão, para reduzir o consumo de energia do chip.

　　1.2. Conversor AD (ADC)

　　O amplificador de aquisição de sinal fisiológico multicanal pré-montado coleta várias informações fisiológicas e se conecta à porta de entrada do ADC por meio de um multiconector analógico multicanal. O amplificador analógico multicanal multicanal só pode selecionar a saída de um pré-amplificador por vez. Para reduzir o consumo de energia, os ADCs normalmente utilizam uma estrutura de aproximação sequencial, com cerca de 10 bits. Para melhorar a precisão e a velocidade de conversão, também podem ser usados ADCs sigma-delta ou pipeline. Quanto maior a contagem de bits, maior a taxa de conversão, mas maior o consumo de energia. Baixo consumo de energia é fundamental ao projetar chips médicos vestíveis. Além disso, a capacitância unitária do ADC deve ser escolhida adequadamente; selecionar muito grande ocupa muito espaço no chip, e o impacto da capacitância parasita na capacitância unitária deve ser minimizado.

　　1.3 Controlador

　　O chip pode usar núcleos ARM e MCU como controladores, controlando os modos de operação de outras partes dos circuitos do chip via barramento; Ele pode controlar o momento do uso dos dados, configurar registradores e controlar outras partes do chip para ocupar o barramento de dados para comunicação em tempo real.

　　1.4 Banda base de processamento digital de sinais

　　Para melhorar a velocidade, precisão e segurança da transmissão de dados, os sinais digitais emitidos pelo ADC devem passar pelo processador de banda base do controlador digital de sinais, passar por compressão e codificação digital, e também podem ser filtrados por transformação FFT e filtragem digital para filtrar ainda mais ruído de frequência de interferência.

　　1.5, transceptores RF

　　Como a coleta de sinais fisiológicos do corpo humano requer características fisiológicas, colocar chips médicos vestíveis em diferentes partes do corpo, e a presença de fios interconectados entre chips, torna o movimento inconveniente, e muitos fios podem facilmente se emaranhar e causar grande desconforto. Portanto, a transmissão sem fio de sinais e dados é o método mais direto e natural. As principais questões a serem consideradas ao integrar transceptores RF sem fio em chips de sistemas médicos vestíveis diferem significativamente daquelas normalmente abordadas em aplicações de produtos sem fio. Primeiro, este é um método assimétrico de transmissão sem fio, principalmente coletando sinais humanos e enviando-os. Os sinais recebidos vêm principalmente de comandos de controle, e o volume de dados é muito pequeno. Portanto, pode ser usado um modo de comunicação semi-duplex, com transmissão de baixa velocidade descendente e alta velocidade de uplink. Em segundo lugar, os chips precisam operar por longos períodos, e as baterias usadas para chips vestíveis geralmente são células de botão, operando em tensões entre 1,2~1,5 V e com capacidade inferior a várias centenas de mA·h. A seção do transceptor sem fio geralmente é a parte com maior consumo de energia em um chip. Os projetistas enfrentam desafios como baixa tensão de operação, baixo consumo de energia e altas taxas de transmissão. Portanto, é necessário considerar cuidadosamente a estrutura adotada pelo transceptor sem fio, bem como a implementação de tecnologias-chave como frequência de portadora, método de transmissão, método de modulação, taxa de transmissão e consumo de energia.

　　2. Padrões de comunicação sem fio para chips médicos vestíveis

　　A tecnologia de comunicação sem fio está avançando rapidamente, desempenhando um papel significativo no avanço da tecnologia médica moderna. Atualmente, existem vários padrões de comunicação disponíveis para comunicação entre chips médicos vestíveis. Esses padrões são adequados para aplicações específicas baseadas em suas próprias características, mas também podem não aproveitar plenamente os recursos de comunicação de baixo consumo e curto alcance dos chips médicos vestíveis. Abaixo está uma breve introdução ao desempenho e características de cada padrão de comunicação (veja a Figura 2).

　　Figura 2: Comparação das distâncias de transmissão e do consumo de energia de vários métodos de comunicação sem fio

　　2.1 Bluetooth

　　O padrão Bluetooth utiliza salto de frequência e tecnologia de espectro espalhado, que suprime efetivamente interferências entre códigos, melhora a qualidade da comunicação e mantém a segurança das chamadas. Os padrões Bluetooth suportam três distâncias de comunicação diferentes: 1, 10 e 100 m, e podem fornecer velocidades de comunicação de até 1 Mbps. Possui uma estrutura simples e pode reduzir o preço de um único chip para menos de $5, com tecnologia madura e forte competitividade de mercado. O padrão Bluetooth oferece comunicação serial ponto a ponto e um método de comunicação de interface de controlador principal de canal compartilhado, muito adequado para a construção de redes locais humanas. No entanto, como o alcance de comunicação dos chips médicos vestíveis geralmente é limitado a áreas próximas ao corpo humano, enquanto o Bluetooth opera a 2,4 GHz, o impacto de frequências tão altas no corpo humano permanece desconhecido. Devido ao medo das pessoas de comunicação em alta frequência e ao seu consumo relativamente alto de energia, o padrão Bluetooth não é uma escolha ideal.

　　2.2，Zigbee

　　O Zigbee pode operar em três faixas de frequência diferentes: 2,4 GHz, 900 MHz e 800 MHz. Comparado aos padrões Bluetooth, o Zigbee consome menos energia. Quando operando na faixa de 2,4 GHz, pode atingir uma taxa máxima de transferência de dados de 240 kbps. As desvantagens do Zigbee são baixas taxas de transmissão de dados, alta latência de transmissão, baixa segurança e, ao operar na frequência de 2,4 GHz, a grande variedade de protocolos de comunicação concentrados nessa faixa torna o Zigbee facilmente suscetível a interferências de outras ondas de comunicação.

　　2.3，UWB

　　O UWB opera na faixa de frequência de 3,1~10 GHz, com uma taxa média de transmissão de dados de até 850 kbps e pode ser aumentada para 26 Mbps. Esse padrão especifica uma densidade espectral de potência de -41dB(m) MHz, mas não há requisitos específicos para formas de onda no domínio do tempo. Portanto, a tecnologia de transmissão de pulsos pode ser utilizada, tornando a estrutura dos transmissores RF muito simples, enquanto transfere a pressão de projeto e o consumo de energia para o projeto dos receptores RF. Como mencionado anteriormente, chips médicos vestíveis transmitem sinais assimétricos, com o fluxo de dados transmitidos muito maior que o de entrada, tornando o UWB bem adequado para esse recurso de comunicação sem fio assimétrico, reduzindo assim o consumo de energia e a complexidade do sistema. Além disso, o UWB é uma tecnologia de banda ultralarga que utiliza banda ultralarga para alcançar um consumo de energia menor, resultando em um consumo relativamente baixo.

　　2.4，WLAN 802.11

　　A IEEE 802.11 WLAN opera na faixa ISM (faixas industrial, científica e médica). Entre eles, 802.11b e 802.11g operam na faixa de 2,4 GHz, com taxas de transferência de dados de 11 Mbps e 54 Mbps, respectivamente. O 802.11a opera na banda de 5 GHz e pode fornecer taxas de transmissão de até 54Mbps. Possui um alcance de comunicação relativamente longo e, devido ao uso da tecnologia de espectro espalhado de sequência direta, possui forte capacidade anti-interferência. No entanto, consome muita energia, possui uma estrutura complexa e é muito caro, tornando-o inadequado para o design de chips médicos vestíveis.

　　2.5, USB sem fio

　　A tecnologia USB sem fio, assim como a UWB, é uma tecnologia de comunicação sem fio baseada em tecnologia ultra-wideband. Ele opera na faixa de 3,1~10,6 GHz, com distâncias de comunicação de 3 e 10 m, adequadas para transmissão de dados sem fio de curto alcance, com taxas de transmissão de até 480 Mbps e 110 Mbps, respectivamente. No entanto, o maior desafio enfrentado por essa tecnologia é o consumo de energia, que também é o maior fator limitante para sua aplicação em comunicações com chips médicos.

　　2.6. Comunicação Infravermelha (IrDa)

　　A comunicação infravermelha é um método simples e de baixo custo, mas devido à natureza de emissão direta do infravermelho, o IrDA é adequado apenas para Huang Jin e outros na fase 5834: transceptores sem fio baseados em chips de sistemas médicos vestíveis têm distâncias curtas, alinhamento ponto a ponto e baixas velocidades de transmissão. Comparado a tecnologias de comunicação sem fio como Bluetooth e Zigbee, é extremamente inconveniente de usar.

　　2.7. Tecnologia de Identificação por Radiofrequência

　　A tecnologia RFID é um tipo de tecnologia RFID que utiliza campos eletromagnéticos alternados acoplados ao espaço para alcançar comunicação de dados sem contato humano. A faixa de frequência RFID planejada pela China é 50~190 kHz, a banda de alta frequência é 13,56 MHz± 7 kHz, e também há 432~434,79 MHz; Outra faixa de frequência planejada na China é 900, 910 e 910,1 MHz, que têm sido amplamente usadas para identificação de veículos ferroviários. Assim como IrDa e Zigbee, RFID é uma tecnologia de comunicação sem fio interna com curta distância de comunicação, tornando-se útil em diversas aplicações médicas, como gestão de ativos móveis, gestão de estoque, monitoramento em tempo real de pacientes, rastreamento e distribuição de medicamentos. No entanto, essa tecnologia em si é uma tecnologia de etiquetas eletrônicas e RFID, com taxas de transmissão extremamente baixas e informações facilmente roubadas, tornando-a inadequada para aplicações de conectividade sem fio em tempo real em chips médicos vestíveis.

　　2.8. Comunicação humana

　　A tecnologia de comunicação humana (Bio-canal), também conhecida como tecnologia de comunicação humana, é um conceito novo que surgiu nos últimos anos. Ela foi proposta pela primeira vez por Zimmerman, do Media Lab do MIT, em 1995. Diferentemente de qualquer tecnologia de comunicação sem fio anterior, a comunicação humana utiliza a proximidade do campo magnético humano ou do próprio corpo humano como meio de comunicação. A distância de comunicação é muito curta, às vezes exigindo contato humano para se comunicar. Portanto, permite o controle preciso do alcance e do alvo de comunicação, reduzindo muito a interferência entre diferentes sinais de canais e garantindo a segurança da comunicação. Normalmente, a comunicação em áreas próximas ao corpo humano também pode ser por cabo, o que garante uma transmissão de dados rápida e precisa sem interferência de ruído externo. No entanto, fios tendem a se emaranhar e são extremamente inconvenientes para as pessoas. Por outro lado, usar tecnologias maduras de comunicação de dados como Zigbee e Bluetooth evita o incômodo causado pelos fios, mas também enfrenta problemas como velocidades de comunicação lentas, alto consumo de energia do chip e suscetibilidade a interferências causadas por sinais eletromagnéticos de interferência de interferência de interferência de sinais eletromagnéticos de interferência de interferência espacial. Portanto, assim que o conceito de comunicação humana foi proposto, ele imediatamente atraiu ampla atenção da academia e da indústria.

　　3. Exemplo de desenvolvimento de transceptores sem fio baseados em chips de sistemas médicos vestíveis

　　Devido ao rápido desenvolvimento da tecnologia microeletrônica e às necessidades de uma sociedade humana envelhecida, sistemas vestíveis de monitoramento médico foram desenvolvidos. Uma Rede de Área Corporal (BAN) consiste em muitos nós sensores humanos, cada um dos quais pode se comunicar com outros nós (ou nós centrais) por meio de transceptores sem fio dentro do chip médico vestível. As primeiras pesquisas com chips de comunicação sem fio de curto alcance para monitoramento médico humano frequentemente usavam modulação ASK FSK, baixo consumo de energia e osciladores de cristal simples como transmissores. Essa estrutura só podia transmitir dados de sinal de corpo único, tinha baixo desempenho, baixas frequências de osciladores e longos tempos de comutação e inicialização, resultando em taxas de transmissão de comunicação muito baixas. Com o aprofundamento da pesquisa moderna em engenharia biomédica, na última década, alguns novos circuitos e sistemas baseados na comunicação por bobina de acoplamento indutivo foram propostos. No entanto, essas soluções baseadas em bobinas indutivas também sofrem com baixa qualidade de comunicação, baixas taxas de transmissão e longos tempos de transmissão, o que reduz efetivamente a eficiência da comunicação e reduz o tempo de uso da bateria.

　　Esses sistemas de comunicação não padronizados têm dificuldades para atender às demandas por consumo de energia ultra-baixo, tamanho ultra-pequeno, alta confiabilidade e alta velocidade de comunicação para comunicação médica sem fio vestível. Impulsionados pela crescente demanda por monitoramento de saúde sem fio, instituições de pesquisa e grandes empresas de chips ao redor do mundo competiram para realizar extensa pesquisa e desenvolvimento de aplicações nesse campo. Entre os exemplos mais representativos estão: a Zarlink no Canadá, que desenvolveu ZL70101 chips transceptores RF, O sistema Sensium no chip desenvolvido pela Toumaz no Reino Unido, assim como um transceptor RF de baixa potência com tensão de alimentação de 2,4 GHz e 400mV, projetado pelo Wireless Node Network Communication Chip Research Group da Universidade UC Berkeley, nos Estados Unidos, e um chip transceptor sem fio de comunicação humana desenvolvido pela Academia Coreana de Ciências.

　　3.1 Chip ZL70101 Sistema de Comunicação Implantável Zarlink

　　Em 2006, a Zarlink Semiconductor Company, do Canadá, lançou um ZL70101 transceptor de RF de alto desempenho e ultra-baixo consumo para sistemas de implantes médicos. Este chip é altamente integrado; excluindo o emparelhamento de rede, ele requer apenas um cristal de quartzo de 24 MHz e dois capacitores de desacoplamento, totalizando três componentes fora do chip; Sua faixa de frequência de operação é a banda ISM de 433 MHz, utilizando um processo CMOS RF de 0,18μm. O transceptor opera a 5,5 mA e, no modo de suspensão, é de apenas 250 nA. O chip inteiro integra um transceptor RF de 400 MHz, um receptor de monitoramento de sinal de despertar de 2,45 GHz e um controlador de caminho de mídia (MAC). O diagrama da estrutura do chip é mostrado na Figura 3.

　　O receptor adota uma estrutura de frequência de baixa e intermediária, composta por um amplificador de baixo ruído, um misturador de supressão de frequência espelhado, um filtro multifásico IFF (PPF), um indicador de intensidade de sinal (RSSI) e um ADC. O transmissor consiste em um mixer superior e um amplificador de potência, usando o método de modulação por deslocamento de frequência FSK. O sistema de despertar é um receptor que utiliza modulação OOK e opera na faixa de 2,45 GHz. Ele pode detectar periodicamente sinais de início das estações base para alimentar todo o chip, reduzindo bastante a corrente média de operação do chip. Este chip foi projetado para aplicações de monitoramento médico implantável, mas graças ao seu design de consumo ultra-baixo, distância de comunicação de 2m e taxa de transmissão de até 800kbps, ele também se destaca em atender aos requisitos de conectividade sem fio dos chips médicos vestíveis externos.

　　Figura 3 Diagrama em blocos do princípio do transceptor RF MICS da Zarlink

　　3.2 Transceptor sem fio Toumaz para chips de sistemas de ultra-baixo consumo para sensoriamento remoto biológico

　　Em 2007, a Toumaz, no Reino Unido, lançou um chip de integração de sistema chamado Sensium, que combinava o barramento SPI, ADC, MCU, SRAM e um transceptor RF de ultra baixo consumo. A seção do transceptor RF deste chip Sensium tem área de chip de 7 mm², usa o processo CMOS RF de 0,13μm, opera a 1 V e opera tanto na faixa padrão europeia de 870 MHz quanto na faixa padrão dos EUA de 928 MHz. O consumo de corrente durante a recepção é de apenas 2,1 mA, a potência de transmissão é de -7 dB(m) e a corrente de transmissão é de 2,6 mA; A seção de transmissão/recepção opera em modo half-duplex, modulação FSK, com taxa de erro de bits de 10-3 e taxa de transmissão de dados de 50 kbps. Como este chip foi desenvolvido para aplicações de telemetria e aquisição como ECG, Xinbo e temperatura corporal, seus indicadores de desempenho atendem plenamente aos requisitos para aplicações de projeto. O chip adota uma estrutura Sliding-FI, que oferece supressão de frequência de imagem maior em comparação com transceptores tradicionais de baixo FI, e por usar migração de frequência em dois estágios, possui muito menos deriva DC do que transceptores de FI zero.

　　Para atender aos requisitos de baixo consumo de energia, todo o chip opera a 1 V, o que é menor que a soma de V-ésima de PMOS e NMOS sob processos de 0,13μm. Portanto, muitos dispositivos, especialmente aqueles em seções analógicas e RF, operam em regiões sublimiar e reflexivas fracas, reduzindo muito o consumo de energia, mas também apresentando desafios para o projeto de circuitos analógicos RF. A seção receptora adota uma estrutura zero-FI, e a estrutura do sistema inteiro do chip é mostrada na Figura 4.

　　O LNA utiliza uma estrutura de fonte comum e porta de entrada de extremidade única, com saída usando indutores planares no chip e matrizes de capacitância ajustáveis como cargas correspondentes. A saída LNA é conectada diretamente a uma extremidade do misturador inferior do primeiro estágio, enquanto a outra entrada desse misturador Gilbert de dupla balança é conectada à fonte de alimentação, formando uma estrutura de misturador de modo operacional pseudo-diferencial. O estágio final do buffer de acionamento na seção transmissora utiliza um amplificador NMOS de transistor único com estrutura de drenagem aberta, com seu dreno conectado diretamente à rede de adaptação de capacitância do indutor fora do chip. O estágio de drenagem desse transistor NMOS é conectado diretamente à fonte de alimentação, então um transistor NMOS de porta dupla e porta espessa deve ser usado para evitar a quebra do chip. O transmissor possui uma estrutura simples, e seu VCO opera em estado auto-oscilante. A perda de comunicação no enlace de comunicação pode ser ajustada por meio do controle automático de ganho (AGC) baseado em RSSI, e o ganho do buffer de acionamento do transmissor pode ser ajustado, melhorando assim a eficiência da transmissão de potência.

　　3.3 Chip transceptor sem fio baseado em comunicação corporal humana

　　Em 2007, uma equipe de pesquisa liderada por Seong-Jun Son, da Academia Coreana de Ciências, projetou o menor consumo de energia do mundo e um chip transceptor sem fio bio-canal capaz de transmitir dados a 2 Mbps [55]. Esse chip utiliza tecnologia de comunicação banda larga semelhante à UWB, dependendo do campo quase magnético do corpo para transmitir dados de comunicação. Todo o transceptor integra um sistema totalmente digital (ver Figura 5), sem modulação digital. O chip opera a 1 V, com consumo de energia de apenas 0,2 mW e área do chip de 0,85 mm². Seu desempenho geral o torna altamente adequado para interconexão de chips vestíveis que exigem curtas distâncias, altas taxas de transferência de dados e consumo de energia extremamente baixo.

　　Como esse chip foi projetado com base em princípios de comunicação humana, sua frequência de operação pode ser 1~200 MHz, usando um processo CMOS de 0,25μm. O chip transceptor inteiro possui apenas um eletrodo de condução de sinal que entra em contato com a pele humana ou se fixa em roupas, eliminando a necessidade de eletrodos globais adicionais de aterramento necessários para comunicação humana sem fio tradicional. A seção transmissora do chip consiste principalmente em um oscilador em anel, gerador de código pseudo-aleatório (PRBS) e buffer de driver. A seção receptora do chip consiste em um amplificador analógico de frente, circuito de deslocamento de nível, gatilho Schmitt e circuito de loop de bloqueio de fase (CDR) de recuperação de clock. Para reduzir o consumo de energia, o chip adota transmissão digital direta sem modulação, empregando transmissão de dados em banda larga de 200 MHz, um circuito de recuperação de clock totalmente digital, um oscilador digital totalmente controlado numericamente (DCO) e tecnologia de amostragem em quadratura. A aplicação dessas tecnologias de design de circuitos de baixo consumo minimiza o consumo de energia nos circuitos de amplificadores frontais e geradores de clock que consomem mais energia.

　　Figura 4 Diagrama em blocos do princípio do transceptor RF da empresa Toumaz

　　Figura 5: Transceptor sem fio baseado em princípios de comunicação humana

　　4. Perspectivas para chips transceptores sem fio médicos vestíveis

　　Na sociedade atual, as pessoas enfrentam uma enorme pressão tanto no trabalho quanto na vida pessoal. À medida que as demandas por sua saúde continuam a aumentar, chips médicos vestíveis estão sendo gradualmente integrados ao cotidiano. Com o desenvolvimento contínuo da engenharia biomédica e da tecnologia microeletrônica, os chips médicos vestíveis estão gradualmente se tornando mais miniaturizados e conectados em rede. Microsistemas médicos vestíveis exigem que nós sensores de sinal fisiológico sejam usados no paciente, portanto a miniaturização é necessária para manter os pacientes sob baixa carga durante o uso prolongado. Ao mesmo tempo, os sinais fisiológicos característicos dos pacientes precisam ser transmitidos via redes sem fio para nós centrais de estação base ou outros nós sensores, tornando a rede o requisito mais fundamental para o desenvolvimento. Portanto, os chips médicos vestíveis atuais estão inevitavelmente migrando para SoCs totalmente integrados para alcançar miniaturização e baixo custo; Ao mesmo tempo, o circuito integrado de transceptor RF integrado no chip também permite que os sinais dos nós sensores sejam transmitidos de forma conveniente e em tempo real, possibilitando o monitoramento móvel do estado de saúde humano a qualquer hora e em qualquer lugar.

　　Atualmente, não existe um padrão dedicado de comunicação sem fio para sistemas médicos vestíveis pessoais internacionalmente. A série de padrões IEEE802.15, direcionada aos mercados industriais, domésticos e médicos de baixo custo e baixo consumo de comunicação, é usada para o desenvolvimento de chips médicos vestíveis pessoais. Embora chips médicos vestíveis baseados em Zigbee, Bluetooth e WLAN já tenham sido desenvolvidos, seus protocolos de comunicação não são especificamente projetados para aplicações médicas vestíveis. Sua camada MAC e QoS não podem ser otimizados para o baixo consumo de energia, alta velocidade de transmissão e características de curta distância da transmissão sem fio de dados médicos, portanto ainda não atendem aos requisitos da aplicação. Diante desses desafios, os projetistas de chips médicos ainda têm espaço significativo para desenvolver projetos de circuitos de baixo consumo e métodos de transmissão de comunicação sem fio. Muitas estruturas e conceitos inovadores de sistemas de circuitos baseados nessas considerações ainda exigem mais pesquisas e melhorias na praticidade. Com o desenvolvimento da tecnologia de comunicação sem fio, melhorias na tecnologia de circuitos integrados e o desenvolvimento contínuo dos mercados de aplicações, essas questões inevitavelmente serão resolvidas e levarão projetos modernos de saúde humana a um desenvolvimento de baixo custo, miniaturizado, inteligente e em rede.