Giyilebilir tıbbi sistem çiplerine dayalı kablosuz iletim teknolojisinin analizi

　　Giriş

　　Sağlık, herkesle yakından ilişkilidir ve günümüz insan toplumunda güncel bir endişe konusu haline gelmiştir. Giyilebilir tıbbi izleme sistemleri, hastalık tahmini ve erken teşhis için insan sağlığı verilerini kolayca toplayabilir. Düşük maliyetli, düşük güç ve yüksek iletimli kablosuz iletişim teknolojisine dayanan giyilebilir tıbbi çip sistemi çözümü, hastaların günlük iş ve yaşam sürelerinde temel hayati parametreleri gerçek zamanlı olarak toplamalarına yardımcı olur. Doktorlar ile hastalar arasındaki yüz yüze danışma süresini azaltarak, hastanelerde bekleme sürelerini kısaltarak, mevcut tıbbi kaynak eksikliğini hafifletmiş ve hasta bakımının kalitesini iyileştirmiştir. Ayrıca, kronik hastalıklar (hipertansiyon, diyabet ve yüksek kan lipidleri gibi) günümüzde insan sağlığının bir numaralı katili haline gelmiştir. Kronik hastalıkların tedavisi, hastaların sağlık verilerinin uzun süreli, sürekli toplanmasını ve izlenmesini gerektirir. Giyilebilir tıbbi çipler, küçük boyutları, düşük güç tüketimi ve düşük işletme maliyetleri nedeniyle hastalar için daha kolay kabul edilebilir. Geniş potansiyel tüketici pazarı, Philips, Zarlink, Ti gibi birçok çip tasarım şirketini Ar-Ge ve ticari tanıtımlarına katılmaya çekmiştir.

　　Bilekte takılan kan oksijen sensörleri, kol saati tarzı kan şekeri sensörleri, kol saati tarzı uyku kalitesi monitörleri, uyku fizyoloji kontrolleri, kemer tarzı nefes ve kalp atışı monitörleri, implante edilebilir kimlik tanıma bileşenleri ve daha fazlası. Kablosuz giyilebilir tıbbi mikrosistemler, vücut yüzeyine gömülü kablosuz sensörlerden oluşur; örneğin günlük giysiler, saatler, takı vb. gibi; bunların hepsi mikro giyilebilir tıbbi çiplerin yerleştirilmesinde kullanılabilir. Kablosuz iletişim teknolojisi, gövde yüzeyinin farklı bölgelerine yerleştirildiğinden, farklı sensörleri ve ana işlem görüntü çipleri arasında çok sayıda kablo bağlandığından, kullanıcılar için kaçınılmaz olarak önemli bir rahatsızlık yaratır. Kablolar için alternatif bir iletim yöntemi olarak, kablosuz iletişim teknolojisi özellikle belirgin bir avantaj olarak öne çıkar. Şu anda çoğu kablosuz iletişim teknolojisi, kablosuz veri iletim hızını artırmaya odaklanır ve giyilebilir tıbbi sistemlerde kullanılan kablosuz iletim teknolojileri de kablosuz sinyal iletimi sırasında güç tüketimini en aza indirmeyi göz önünde bulundurmalıdır. Giyilebilir tıbbi çiplerde kablosuz sinyal iletimi için kullanılan verici parçası, genellikle tüm tıbbi çipin en çok enerji tüketen kısmıdır. Uzun vadeli giyilebilir kullanımı kolaylaştırmak için, kablosuz iletim devresinin güç tüketimi, giyilebilir çip tasarımcıları için kesinlikle önemli bir konudur. Düşük güç tüketimi ve yüksek iletim hızları hedeflerine odaklanan Zarlink, Nordic, Philips ve Chipcon gibi şirketler, ultra düşük güçlü RF verici alıcı çipleri için ardışık çözümler piyasaya sürdü.

　　1. Giyilebilir tıbbi sistemlerin çip yapısı

　　Kablosuz iletişim teknolojisine dayalı giyilebilir tıbbi çipin genel yapısı Şekil 1'de gösterilmiştir; genellikle fizyolojik sinyal alım devresi, analogdan dijitale dönüşüm devresi (ADC), dijital sinyal bazbant işleme devresi, kontrolör ve güç kaynağından oluşur

　　Alıcı devresi birkaç bölümden oluşur. İlk olarak, sinyal alımı düşük gürültülü enstrüman amplifikatör devresi insan vücudundan fizyolojik verileri toplar. Daha sonra, elde edilen fizyolojik sinyaller AD aracılığıyla dönüştürülerek kolayca işlenebilen dijital sinyalleri nicelikle ölçer ve üretir. Kodlama, FFT ve diğer dijital sinyal işleme işlemlerinden sonra, ileten devresi üzerinden iletilir. Aynı zamanda, harici kontrol sinyalleri ve verileri çipteki alıcı devre üzerinden de alınabilir. Kontrolör, tüm çipin çalışmasını kontrol etmek için kullanılır ve farklı uygulama gereksinimlerini karşılayacak şekilde programlanabilir. Genellikle, yüksek performanslı giyilebilir tıbbi çip yüksek performanslı dijital, analog ve RF bileşenlerden oluşur ve özellikle bu bileşenlerin performansı genel çip performansını doğrudan etkiler. Tıbbi çiplerin analog ve RF verici alıcı parçaları, tüm çipin en çok enerji tüketen kısımlarıdır, bu yüzden tasarımcılar genellikle bu iki parça için devreler tasarlarken düşük güç tüketimi ile yüksek performansı dengelemek zorunda kalır. Aşağıda, tipik bir giyilebilir tıbbi sistem çipinin çeşitli bileşenlerini tanıtıyoruz.

　　Şekil 1: Giyilebilir tıbbi çip sisteminin yapı diyagramı

　　1.1. Fizyolojik sinyal alımı düşük gürültülü amplifikatör

　　Fizyolojik sinyaller genellikle çip içi entegre biyosensörler aracılığıyla toplanır. Entegrasyonu kolaylaştırmak için, sensör CMOS sürecini kullanarak biyolojik sinyalleri biyoelektriksel sinyallere dönüştürmek için düşük gürültülü bir amplifikatör kullanır. Birden fazla fizyolojik bilgiyi aynı anda elde etmek için, farklı işlevlere sahip birden fazla amplifikator çip üzerine entegre edilerek kan basıncı, kan oksijen doygunluğu, solunum hızı, kalp atış hızı ve vücut sıcaklığı gibi hayati parametreleri toplayan çok kanallı veriler oluşturulabilir. İnsan vücudundaki fizyolojik sinyaller nispeten zayıf ve çevredeki gürültüden kolayca etkilendiği için, amplifikatörler yüksek hassasiyet, yüksek kazanç, düşük gürültü ve düşük güç tüketimi sağlamalıdır; Aynı zamanda, amplifikatörün ardından yaklaşık 1kHz kesim frekansına sahip bir düşük geçirici filtre kullanılır; biyoelektrik sinyaller dışındaki frekanslarda parazit gürültüsünü daha da filtreler. Amplifikatörler, çip güç tüketimini azaltmak için dinleme, çalışma ve uyku gibi birden fazla çalışma moduyla tasarlanabilir.

　　1.2. AD Dönüştürücü (ADC)

　　Önceden monte edilmiş çok kanallı fizyolojik sinyal alım amplifikatör, çeşitli fizyolojik bilgileri toplar ve ADC'nin giriş portuna analog çok kanallı çoklu konnektör aracılığıyla bağlanır. Analog çok kanallı çok kanallı amplifikatörü, aynı anda yalnızca bir ön amplifikatörün çıkışını seçebilir. Güç tüketimini azaltmak için ADC'ler genellikle yaklaşık 10 bitlik ardışık bir yaklaşım yapısı kullanır. Doğruluk ve dönüşüm hızını artırmak için sigma-delta veya pipeline ADC'ler de kullanılabilir. Bit sayısı ne kadar yüksekse, dönüşüm oranı o kadar yüksek, ancak güç tüketimi o kadar yüksek olur. Giyilebilir tıbbi çipler tasarlanırken düşük güç tüketimi çok önemlidir. Ayrıca, ADC'nin birim kapasitansı uygun şekilde seçilmelidir; çok büyük bir seçim çok fazla çip alanı kaplarken, parazitik kapasitansın birim kapasitansı üzerindeki etkisi en aza indirilmelidir.

　　1.3 Kontrolör

　　Çip, ARM çekirdeklerini ve MCU'yu kontrolör olarak kullanabilir, çipin devrelerinin diğer bölümlerinin çalışma modlarını veri yolu üzerinden kontrol edebilir; Veri kullanım zamanlamasını kontrol edebilir, kayıtları yapılandırabilir ve çipin diğer bölümlerini veri yoluna yönlendirerek gerçek zamanlı iletişim için kontrol edebilir.

　　1.4 Dijital sinyal işleme bazbandı

　　Veri iletiminin hızını, doğruluğunu ve güvenliğini artırmak için, ADC tarafından çıkarılan dijital sinyaller dijital sinyal kontrolcüsünün temel bant işlemcisinden geçmeli, dijital sıkıştırma ve kodlamadan geçmeli ve ayrıca FFT dönüşümü ve dijital filtreleme ile daha fazla filtrelenerek parazit frekansı gürültüsünü daha da filtreleyebilmelidir.

　　1.5, RF vericiler

　　İnsan vücudundan fizyolojik sinyallerin toplanması fizyolojik özellikler gerektirdiğinden, vücudun farklı bölgelerine giyilebilir tıbbi çiplerin yerleştirilmesi ve çipler arasında birbirine bağlı kabloların varlığı hareketi zahmetli hale getirir ve çok fazla kablo kolayca dolaşıp büyük rahatsızlık yaratabilir. Bu nedenle, sinyal ve veri iletimi kablosuz olarak en doğrudan ve doğal yöntemdir. Kablosuz RF vericileri giyilebilir tıbbi sistem çiplerine entegre ederken dikkate alınması gereken temel konular, genellikle kablosuz ürün uygulamalarında ele alınanlardan önemli ölçüde farklıdır. Birincisi, bu assimetrik kablosuz iletim yöntemidir; esas olarak insan sinyallerini toplayıp gönderir. Alınan sinyaller çoğunlukla kontrol komutlarından gelir ve veri hacmi çok küçüktür. Bu nedenle, düşük hızlı downlink ve yüksek hızlı uplink iletimi içeren yarım-dupleks iletişim modu kullanılabilir. İkincisi, çiplerin uzun süre çalışması gerekir ve giyilebilir çipler için kullanılan piller genellikle düğme hücreleridir; 1.2~1.5 V arasında voltajlarda ve birkaç yüz mA·h'dan az kapasitede çalışırlar. Kablosuz verici alıcı bölümü genellikle bir çipte en yüksek güç tüketimine sahip kısımdır. Tasarımcılar düşük çalışma voltajı, düşük güç tüketimi ve yüksek iletim hızları gibi zorluklarla karşılaşırlar. Bu nedenle, kablosuz verici alıcının benimsediği yapıyı ve taşıyıcı frekansı, iletim yöntemi, modülasyon yöntemi, iletim hızı ve güç tüketimi gibi temel teknolojilerin uygulanmasını dikkatlice değerlendirmek gereklidir.

　　2. Giyilebilir tıbbi çipler için kablosuz iletişim standartları

　　Kablosuz iletişim teknolojisi hızla ilerlemekte ve modern tıbbi teknolojinin ilerlemesinde önemli bir rol oynamaktadır. Şu anda, giyilebilir tıbbi çipler arasında iletişim için çeşitli iletişim standartları mevcuttur. Bu standartlar, kendi özelliklerine göre belirli uygulamalar için uygundur, ancak giyilebilir tıbbi çiplerin düşük güçlü, kısa menzilli iletişim özelliklerini tam olarak kullanamayabilirler. Aşağıda, her iletişim standardının performansı ve özelliklerine kısa bir giriş verilmektedir (bkz. Şekil 2).

　　Şekil 2: Çeşitli kablosuz iletişim yöntemlerinin iletim mesafeleri ve güç tüketiminin karşılaştırılması

　　2.1 Bluetooth

　　Bluetooth standardı, kodlar arası paraziti etkili bir şekilde bastıran, iletişim kalitesini artıran ve çağrı güvenliğini koruyan frekans atlama ve yayılma spektrum teknolojisini kullanır. Bluetooth standartları, 1, 10 ve 100 m olmak üzere üç farklı iletişim mesafesini destekler ve 1 Mbps'ye kadar iletişim hızları sağlayabilir. Basit bir yapıya sahiptir ve olgun teknoloji ile güçlü piyasa rekabetiyle tek bir çipin fiyatını 5 doların altına indirebilir. Bluetooth standardı, noktadan noktaya seri iletişim ve insan yerel alan ağları kurmak için çok uygun olan paylaşılan kanal ana kontrolcü arayüz iletişim yöntemi sağlar. Ancak, giyilebilir tıbbi çiplerin iletişim alanı genellikle insan vücuduna yakın alanlarla sınırlı olduğundan, Bluetooth 2.4 GHz frekansında çalıştığından, bu yüksek frekansların insan vücudu üzerindeki etkisi bilinmemektedir. İnsanların yüksek frekanslı iletişimden korkması ve nispeten yüksek güç tüketimi nedeniyle, Bluetooth standardı ideal bir tercih değildir.

　　2.2，Zigbee

　　Zigbee üç farklı frekans aralığında çalışabilir: 2.4 GHz, 900 MHz ve 800 MHz. Bluetooth standartlarına kıyasla Zigbee daha az güç tüketiyor. 2.4 GHz bandında çalışırken maksimum veri aktarım hızı 240 kbps'ye ulaşabilir. Zigbee'nin dezavantajları düşük veri iletim hızları, yüksek iletim gecikmesi, düşük güvenlik ve 2.4 GHz frekansında çalışırken, bu frekans bandında yoğunlaşmış iletişim protokollerinin çeşitliliği, Zigbee'yi diğer iletişim dalgalarından gelen parazitlere kolayca karşı savunmasız hale getirir.

　　2.3，UWB

　　UWB, 3.1~10 GHz frekans aralığında çalışır, ortalama veri iletim hızı 850 kbps'ye kadar ulaşır ve 26 Mbps'ye kadar yükseltilebilir. Bu standart, -41dB(m) MHz güç spektral yoğunluğu belirtir, ancak zaman alanı dalga formları için özel bir gereksinim yoktur. Bu nedenle, darbe iletim teknolojisi kullanılabilir; bu da RF vericilerin yapısını çok kolaylaştırırken, tasarım basıncı ve güç tüketimi tasarımını RF alıcı tasarımına aktarır. Daha önce belirtildiği gibi, giyilebilir tıbbi çipler asimetrik sinyaller iletir; iletilen veri akışı giriş veri akışını çok daha aşmaktadır; bu da UWB'yi bu asimetrik kablosuz iletişim özelliğine çok uygun kılar ve böylece güç tüketimini ve sistem karmaşıklığını azaltır. Ayrıca, UWB, ultra geniş bant kullanarak daha düşük güç tüketimi elde eden ve nispeten düşük güç tüketimi sağlayan ultra geniş bant teknolojisidir.

　　2.4，WLAN 802.11

　　IEEE 802.11 WLAN, ISM bandında (endüstriyel, bilimsel ve tıbbi bantlar) faaliyet göstermektedir. Bunlar arasında 802.11b ve 802.11g 2.4 GHz bandında çalışıyor ve sırasıyla 11 Mbps ve 54 Mbps veri aktarım hızlarındadır. 802.11a, 5 GHz bandında çalışır ve 54Mbps'ye kadar iletim hızları sağlayabilir. Görece uzun bir iletişim menziline sahiptir ve doğrudan dizi yayım spektrumu teknolojisini kullandığı için güçlü anti-parazit yeteneğine sahiptir. Ancak, çok fazla güç tüketir, karmaşık bir yapıya sahiptir ve çok pahalıdır, bu yüzden giyilebilir tıbbi çiplerin tasarımı için uygun değildir.

　　2.5, Kablosuz USB

　　Kablosuz USB teknolojisi, UWB gibi, ultra geniş bant teknolojisine dayanan kablosuz bir iletişim teknolojisidir. 3.1~10.6 GHz aralığında çalışır, iletişim mesafeleri 3 ve 10 m arasındadır; kısa menzilli kablosuz veri iletimi için uygundur ve veri iletim hızları sırasıyla 480 Mbps ve 110 Mbps'ye kadar çıkabilir. Ancak, bu teknolojinin karşılaştığı en büyük zorluk güç tüketimidir ve bu da tıbbi çip iletişiminde uygulanmasında en büyük sınırlayıcı faktördür.

　　2.6. Kızılötesi İletişim (IrDa)

　　Kızılötesi iletişim, düşük maliyetli ve basit bir kablosuz iletişim yöntemidir, ancak kızılötesinin doğrudan emisyon doğası nedeniyle IrDA yalnızca Huang Jin ve diğerleri için faz 5834'te uygundur: giyilebilir tıbbi sistem çiplerine dayalı kablosuz vericiler kısa mesafe, noktadan noktaya hizalama ve düşük iletim hızlarına sahiptir. Bluetooth ve Zigbee gibi kablosuz iletişim teknolojileriyle karşılaştırıldığında, kullanımı son derece zahmetlidir.

　　2.7. Radyo Frekansı Tanımlama Teknolojisi

　　RFID teknolojisi, insan teması olmadan veri iletişimi sağlamak için uzayla bağlı alternatif elektromanyetik alanlar kullanan bir RFID teknolojisi türüdür. Çin'in planlanan RFID frekans bandı 50~190 kHz, yüksek frekans bandı 13,56 MHz± 7 kHz ve ayrıca 432~434,79 MHz vardır; Çin'de planlanan bir diğer frekans bandı ise tren araçlarının tanımlanmasında yaygın olarak kullanılan 900, 910 ve 910.1 MHz'dir. IrDa ve Zigbee gibi, RFID de kısa iletişim mesafesine sahip bir iç mekan kablosuz iletişim teknolojisidir ve mobil varlık yönetimi, envanter yönetimi, gerçek zamanlı hasta izleme, ilaç takibi ve dağıtım gibi çeşitli tıbbi uygulamalarda faydalı hale getirir. Ancak bu teknolojinin kendisi elektronik etiket ve RFID teknolojisidir; son derece düşük iletim hızları ve kolayca çalınabilen bilgiler vardır; bu da giyilebilir tıbbi çiplerde gerçek zamanlı kablosuz bağlantı uygulamaları için uygun değildir.

　　2.8. İnsan iletişimi

　　İnsan iletişimi (Biyo-kanal) teknolojisi, insan iletişim teknolojisi olarak da bilinir, son yıllarda ortaya çıkan yeni bir kavramdır. İlk olarak 1995 yılında MIT Media Lab'den Zimmerman tarafından önerilmiştir. Önceki kablosuz iletişim teknolojilerinden farklı olarak, insan iletişimi iletişim aracı olarak insan manyetik alanının veya insan vücudunun yakınlığını kullanır. İletişim mesafesi çok kısadır ve bazen iletişim için insan teması gerektirir. Bu nedenle, iletişim menzili ve iletişim hedefinin hassas kontrolünü sağlar, farklı kanal sinyalleri arasındaki paraziti büyük ölçüde azaltır ve iletişim güvenliğini sağlar. Genellikle, insan vücuduna yakın alanlarda iletişim kablolu da olabilir; bu da dış gürültüden kaynaklanan parazit olmadan yüksek hızlı ve doğru veri iletimini sağlar. Ancak, kablolar genellikle dolanır ve insanların kullanımı son derece zahmetlidir. Öte yandan, Zigbee ve Bluetooth gibi olgun veri iletişim teknolojilerini kullanmak kabloların yarattığı sıkıntıyı önler, ancak yavaş iletişim hızları, yüksek çip güç tüketimi ve uzay karmaşasının elektromanyetik sinyallerinden kaynaklanan parazite karşı duyarlılık gibi sorunlarla da karşılaşır. Bu nedenle, insan iletişimi kavramı önerildiği anda, akademi ve endüstrinin geniş çapta ilgisini çekti.

　　3. Giyilebilir tıbbi sistem çiplerine dayalı kablosuz verici alıcıların geliştirilmesi örneği

　　Mikroelektronik teknolojisinin hızlı gelişimi ve yaşlanan insan toplumunun ihtiyaçları nedeniyle, giyilebilir tıbbi izleme sistemleri geliştirilmiştir. Vücut Alanı Ağı (BAN), her biri giyilebilir tıbbi çip içindeki kablosuz vericiler aracılığıyla diğer düğümlerle (veya merkezi düğümlerle) iletişim kurabilen birçok insan sensör düğümünden oluşur. İnsan tıbbi izleme için erken kısa menzilli kablosuz iletişim çipi araştırmalarında genellikle ASK FSK modülasyonu, düşük güç tüketimi ve basit kristal osilatörler verici olarak kullanıldı. Bu yapı yalnızca tek vücut işareti verisini iletebiliyor, düşük performansa sahip, düşük osilatör frekansları ve uzun anahtarlama-başlatma sürelerine sahip, bu da çok düşük iletişim iletim hızlarına yol açıyordu. Modern biyomedikal mühendislik araştırmalarının derinleşmesiyle, son on yılda endüktif bağlama bobin iletişimine dayalı bazı yeni devreler ve sistemler önerilmiştir. Ancak, bu endüktif bobin tabanlı çözümler aynı zamanda düşük iletişim kalitesi, düşük iletim hızları ve uzun iletim süreleriyle de mücadele etmektedir; bu da iletişim verimliliğini etkili bir şekilde azaltır ve pil kullanım süresini kısaltmaktadır.

　　Bu standart olmayan iletişim sistemleri, giyilebilir tıbbi kablosuz iletişim için ultra düşük güç tüketimi, ultra küçük boyut, yüksek güvenilirlik ve yüksek iletişim hızı taleplerini karşılamakta zorlanmaktadır. Kablosuz sağlık izleme talebinin artmasıyla birlikte, dünya çapında araştırma kurumları ve büyük çip şirketleri bu alanda kapsamlı uygulama araştırma ve geliştirme yapmak için rekabet etmiştir. En temsilci örnekler arasında: Kanada'da RF verici alıcı ZL70101 çipi geliştiren Zarlink, Birleşik Krallık'ta Toumaz tarafından geliştirilen Sensium çip üzerindeki sistem, ayrıca Amerika Birleşik Devletleri'ndeki UC Berkeley Üniversitesi'ndeki Kablosuz Düğüm Ağ İletişim Çipi Araştırma Grubu tarafından tasarlanan 2.4 GHz 400mV güç kaynağı voltajına sahip düşük güçlü bir RF verici alıcı ve Kore Bilimler Akademisi tarafından geliştirilen bir insan iletişimi kablosuz verici alıcı çipi bulunuyor.

　　3.1 Zarlink Tıbbi İmplantlenebilir İletişim Sistemi ZL70101 Çip

　　2006 yılında, Kanada'nın Zarlink Semiconductor Company, tıbbi implant sistemleri için ultra düşük güçlü, yüksek performanslı RF verici verici ZL70101 başlattı. Bu çip oldukça entegre bir yapıya sahiptir; ağ eşleştirme hariç, sadece bir adet 24 MHz kuvars kristali ve iki decoupling kapasitör gerektirir; toplamda üç çip dışı bileşen içerir; Çalışma frekans bandı 433 MHz ISM bandıdır ve 0.18μm RF CMOS süreci kullanır. Transceiver 5.5 mA'da çalışır ve uyku modunda sadece 250 nA'dır. Tüm çip, 400 MHz RF verici alıcı, 2.45 GHz uyandırma sinyal izleme alıcısı ve bir medya yolu kontrolcüsü (MAC) entegre eder. Çip yapı diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir.

　　Alıcı, düşük gürültülü amplifikatör, aynalı frekans bastırıcı mikser, IFF çok fazlı filtre (PPF), sinyal gücü göstergesi (RSSI) ve ADC'den oluşan bir düşük ara frekans yapısı benimser. Verici, FSK frekans kaydırmalı anahtarlama modülasyon yöntemi kullanılarak üst bir mikser ve bir güç amplifikatorundan oluşur. Uyandırma sistemi, OOK modülasyonu kullanan bir alıcıdır ve 2.45 GHz bandında çalışır. Baz istasyonlarından gelen başlatma sinyallerini periyodik olarak algılayarak tüm çipi çalıştırabilir ve çipin ortalama çalışma akımını büyük ölçüde azaltır. Bu çip, implantasyon amaçlı tıbbi izleme uygulamaları için tasarlanmıştır, ancak ultra düşük güç tasarımı, 2m iletişim mesafesi ve 800kbps'ye kadar ulaşma hızı sayesinde, harici giyilebilir tıbbi çiplerin kablosuz bağlantı gereksinimlerini de karşılamada üstün başarı gösterir.

　　Şekil 3 Zarlink'in MICS RF verici-ceiver prensibinin blok diyagramı

　　3.2 Biyolojik uzaktan algılama için ultra düşük güçlü sistem çipleri için Toumaz kablosuz verici alıcı

　　2007 yılında Birleşik Krallık'ta Toumaz, SPI bus, ADC, MCU, SRAM ve ultra düşük güçlü bir RF vericisini birleştiren Sensium adlı bir sistem entegrasyon çipi piyasaya sürdü. Bu Sensium çipinin RF verici alıcı bölümü 7 mm² çip alanına sahiptir, 0.13μm RF CMOS işlemi kullanır, 1 V'da çalışır ve hem Avrupa standardı 870 MHz bandında hem de ABD standardı 928 MHz bandında çalışır. Alım sırasında akım tüketimi sadece 2.1 mA, iletim gücü -7 dB(m) ve iletim akımı 2.6 mA'dır; Gönderme/alım bölümü, 10-3 bit hata oranı ve 50 kbps veri iletim hızıyla yarı dupleks modda, FSK modülasyonunda çalışır. Bu çip, EKG, Xinbo ve vücut sıcaklığı gibi telemetri ve satın alma uygulamaları için geliştirildiğinden, performans göstergeleri tasarım uygulamaları için gereken gereksinimleri tam olarak karşılamaktadır. Çip, geleneksel düşük IF vericilere kıyasla daha yüksek görüntü frekansı bastırma sağlayan Sliding-IF yapısı benimser ve iki aşamalı frekans geçişi kullandığı için sıfır IF vericilere göre çok daha az DC kayması vardır.

　　Düşük güç tüketimi gereksinimlerini karşılamak için tüm çip 1 V'da çalışır; bu, 0.13μm süreçlerde PMOS ve NMOS'un Vth toplamından daha azdır. Bu nedenle, özellikle analog ve RF bölümlerdeki birçok cihaz, eşik altı ve zayıf yansıtıcı bölgelerde çalışır; bu da güç tüketimini büyük ölçüde azaltırken, RF analog devre tasarımı için zorluklar da yaratır. Alıcı bölüm sıfır-IF yapısına sahiptir ve tüm çipin sistem yapısı Şekil 4'te gösterilmiştir.

　　LNA, tek uçlu giriş ortak kaynak ve kapı yapısı kullanır; çıkış ise çip içi düzlemsel indüktörler ve ayarlanabilir kapasitans matrisleri ile eşleşen yükler kullanılır. LNA çıkışı doğrudan birinci aşama alt mikserin bir ucuna bağlıdırken, bu çift dengeli Gilbert ünite mikserinin diğer girişi güç kaynağına bağlanır ve böylece sahte diferansiyel çalışma modunda bir mikser yapısı oluşturur. Verici bölümdeki sürücü tamponunun son aşaması, açık boşaltma yapısına sahip tek transistörlü bir NMOS amplifikatörü kullanır ve drenajı doğrudan çip dışı indüktör-kapasitans eşleştirme ağına bağlıdır. Bu NMOS transistörünün boşaltma aşaması doğrudan güç kaynağına bağlıdır, bu nedenle çip bozulmasını önlemek için kalın kapılı çift kapılı NMOS transistörü kullanılmalıdır. Vericinin yapısı basit ve VCO'su kendi kendine salınımlı bir durumda çalışır. İletişim bağlantısındaki iletişim kaybı, RSSI tabanlı otomatik kazanç kontrolü (AGC) ile ayarlanabilir ve vericinin sürücü tamponunun kazancı ayarlanabilir, böylece güç iletim verimliliği artırılır.

　　3.3 İnsan vücudu iletişimine dayalı kablosuz verici alıcı çipi

　　2007 yılında, Kore Bilimler Akademisi'nden Seong-Jun Son liderliğindeki bir araştırma ekibi, dünyanın en düşük güç tüketimini ve 2 Mbps hızında veri iletebilen biyo-kanallı kablosuz verici alıcı çipini tasarladı [55]. Bu çip, UWB'ye benzer genişbant iletişim teknolojisi kullanır ve iletişim verilerini iletmek için vücudun neredeyse manyetik alanına dayanır. Tüm verici alıcı, dijital modülasyon olmadan tamamen dijital bir verici alıcı sistemini entegre eder (bkz. Şekil 5). Çip 1 V frekansında çalışır, sadece 0.2 mW güç tüketimi ve 0.85 mm² çip alanına sahiptir. Genel performansı, kısa mesafeler, yüksek veri aktarım hızları ve son derece düşük güç tüketimi gerektiren giyilebilir çiplerin birbirine bağlanması için son derece uygundur.

　　Bu çip insan iletişim ilkelerine dayanarak tasarlandığı için, çalışma frekansı 1~200 MHz olabilir ve 0.25μm CMOS süreci kullanılır. Tüm verici alıcı çipinin yalnızca bir sinyal iletim elektrodu bulunur; bu elektrot insan derisine temas eder veya giysilere bağlanır; bu da geleneksel kablosuz insan iletişimi için ek küresel topraklama elektrotlarına olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Çipin verici bölümü esas olarak bir halka osilatör, sözde rastgele kod üreteci (PRBS) ve sürücü tamponundan oluşur. Çipin alıcı bölümü, analog ön uç amplifikator, seviye kaydırma devresi, Schmitt tetik ve saat kurtarma faz kilitli döngü (CDR) devresinden oluşur. Güç tüketimini azaltmak için çip, modülasyonsuz doğrudan dijital iletim benimser; 200 MHz geniş bant veri iletimi, tamamen dijital saat kurtarma devresi, tamamen sayısal kontrollü dijital osilatör (DCO) ve kvadratür örnekleme teknolojisi kullanır. Bu düşük güçlü devre tasarım teknolojilerinin uygulanması, en çok enerji tüketen ön amplifikatör devrelerinde ve saat üretim devrelerinde güç tüketimini en aza indirir.

　　Şekil 4 Toumaz şirketinin RF verici-ceiver prensibinin blok diyagramı

　　Şekil 5: İnsan iletişim prensiplerine dayalı kablosuz verici alıcı

　　4. Giyilebilir Tıbbi Kablosuz Transceiver Çipleri İçin Outlook

　　Günümüz toplumunda insanlar iş ve hayat nedeniyle büyük bir baskı altında kalıyor. İnsanların sağlık talepleri artmaya devam ederken, giyilebilir tıbbi çipler yavaş yavaş günlük hayata entegre ediliyor. Biyomedikal mühendislik ve mikroelektronik teknolojisinin sürekli gelişimiyle birlikte, giyilebilir tıbbi çipler giderek daha küçültülmüş ve ağ bağlantılı hale gelmektedir. Giyilebilir tıbbi mikrosistemler, hastada fizyolojik sinyal sensörü düğümlerinin takılması gerektiği için, uzun süreli aşınma sırasında hastaların düşük yük altında kalması için minyatürleme gereklidir. Aynı zamanda, hastaların fizyolojik karakteristik sinyalleri kablosuz ağlar aracılığıyla merkezi baz istasyon düğümlerine veya diğer sensör düğümlerine iletmelidir; bu da ağ kurmayı geliştirme için en temel gereklilik yapar. Bu nedenle, mevcut giyilebilir tıbbi çipler kaçınılmaz olarak tamamen entegre SoC'lere doğru ilerliyor; böylece küçültme ve düşük maliyet sağlanıyor; Aynı zamanda, çip üzerindeki entegre RF verici alıcı devresi, sensör düğümü sinyallerinin pratik ve gerçek zamanlı iletilmesini sağlar; böylece insan sağlığı durumunun her zaman ve her yerde mobil olarak izlenmesini sağlar.

　　Şu anda, uluslararası alanda kişisel giyilebilir tıbbi sistemler için özel kablosuz iletişim standardı bulunmamaktadır. Endüstriyel, ev ve tıbbi düşük maliyetli, düşük güçlü kablosuz iletişim pazarlarını hedefleyen IEEE802.15 serisi standartlar, kişisel giyilebilir tıbbi çiplerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Zigbee, Bluetooth ve WLAN tabanlı giyilebilir tıbbi çipler zaten geliştirilmiş olsa da, iletişim protokolleri giyilebilir tıbbi uygulamalar için özel olarak tasarlanmamıştır. MAC katmanları ve QoS, kablosuz tıbbi veri iletiminin düşük güç tüketimi, yüksek iletim hızı ve kısa mesafe özellikleri için optimize edilemezler, bu nedenle uygulama gereksinimlerini henüz karşılamamaktadırlar. Bu zorluklarla karşılaşan tıbbi çip tasarımcılarının düşük güçlü devre tasarımı ve kablosuz iletişim iletim yöntemlerinde hâlâ önemli bir gelişme alanı vardır. Bu hususlara dayanan birçok yenilikçi devre sistemi yapısı ve kavramı, pratiklik açısından daha fazla araştırma ve iyileştirme gerektirmektedir. Kablosuz iletişim teknolojisinin gelişimi, entegre devre teknolojisindeki gelişmeler ve uygulama pazarlarının sürekli gelişimiyle bu sorunlar kaçınılmaz olarak çözülecek ve modern insan sağlık projelerini düşük maliyetli, minyatürleştirilmiş, akıllı ve ağ tabanlı gelişime yönlendirecektir.