【摘要】：便攜式醫(yī)療儀器與無線通信技術以及網(wǎng)絡技術的結(jié)合，使移動醫(yī)療成為可能?？紤]到移動生理參數(shù)監(jiān)測設備的特殊應用條件，面向移動醫(yī)療的芯片設計面臨低功耗、低頻率和低噪聲的挑戰(zhàn)。本文設計的SoC芯片采用低頻率、低噪聲、低功耗(三低)的設計方案，主要研究四個方面的內(nèi)容，即全差分模擬前端、電源管理、人體近端無線通信、數(shù)字信號協(xié)處理器和系統(tǒng)集成。

　　1 移動醫(yī)療的研究背景與研究現(xiàn)狀

　　全球人口老齡化、人們生活水平提高和偏遠地區(qū)對醫(yī)療服務需求增加等因素正促進著傳統(tǒng)醫(yī)療方式的變革，移動性和便攜式逐步成為影響醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的關鍵[1]。另一方面，半導體技術的發(fā)展使醫(yī)療創(chuàng)新的步伐以前所未有的速度邁進，在快速計算、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換和無線網(wǎng)絡技術進步的帶動下，醫(yī)療電子產(chǎn)品正逐步走向低功耗和微型化。便攜醫(yī)療電子產(chǎn)品的出現(xiàn)緣起家庭醫(yī)療護理趨勢的興起和消費者對自身健康關注度的增加，電子血壓計、血糖儀、數(shù)字助聽器、電子體溫計、穿戴式監(jiān)護儀、可吞咽電子膠囊等逐漸朝低成本和家用的方向發(fā)展，并有和消費類電子設備融合的趨勢，其應用日趨普及，前景十分看好。

　　現(xiàn)代移動通信技術的飛速發(fā)展也為移動醫(yī)療電子行業(yè)提供了堅實可靠的支撐。目前，3G是當之無愧的通信領域大熱門。所謂3G是指將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的新一代移動通信系統(tǒng)。它能夠處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務等多種信息服務。移動醫(yī)療芯片內(nèi)部含有人體近端無線通信模塊，利用人體將芯片獲取處理后的人體生理數(shù)據(jù)發(fā)送至3G移動終端（3G手機），再由3G移動終端傳輸給專用醫(yī)療設備或者應用程序進行分析、顯示，從而充分展現(xiàn)移動性和便攜性在醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)中的重要作用。

　　移動醫(yī)療芯片不僅在市場上有巨大的前景，在學術上也符合新摩爾定律的發(fā)展趨勢：多年來，摩爾定律（Moore's Law）推動了產(chǎn)能提升，帶動了半導體產(chǎn)業(yè)驚人的發(fā)展，創(chuàng)造了超快速數(shù)字處理器及容量龐大的存儲器等，使得個人計算機和移動電話普及到了千家萬戶。然而，半導體產(chǎn)業(yè)正面臨著雙重挑戰(zhàn)：一方面，利用先進CMOS技術開發(fā)系統(tǒng)芯片的成本飛漲；另一方面，體積的繼續(xù)縮小將把摩爾定律推向窮途末路。因此，半導體業(yè)界誕生了More than Moore，(新摩爾定律)，即芯片發(fā)展要追求功耗下降及綜合功能的提高，實際上轉(zhuǎn)向更加務實的滿足市場的需求。在一些全新的平臺上，如蘋果電腦的iPhone、任天堂的Wii等平臺中，其核心處理器和應用處理器性能遠遠比不上多核的CPU，但是其多樣化和有趣的應用，卻迷倒了全球成千萬上億的用戶。

　　圖1 摩爾定律與新摩爾定律示意圖

　　針對移動醫(yī)療的研究和開發(fā)目前主要是學術界和產(chǎn)業(yè)界以項目的形式共同完成，主要項目有：美國佐治亞理工學院的智慧衫（Smart Shirt）項目[3]；美國麻省理工學院的MIThril項目[4]；歐盟IST FP5項目-ZMON[5]；歐盟IST FP5項目-WEALTHY[6]；歐盟IST FP6項目-MyHeart[7]；歐盟IST FP6-NMP-2項目-BIOTEX[8]；法國的VTAMN項目[9]；德國Fraunhofer IZM開發(fā)的具有傳感功能的T恤衫[10]等。這些項目的一個共同點是注重產(chǎn)學研結(jié)合，以應用為導向，其中的有些研究成果已經(jīng)成功轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。移動醫(yī)療芯片的出現(xiàn)和迅速發(fā)展為移動醫(yī)療的實現(xiàn)提供了強有力的技術支持。移動醫(yī)療芯片將模擬前端、ADC、微處理器、編碼/解碼器、基帶處理器和電源管理等集成在一個硅片內(nèi)，這樣不需要或者僅僅需要很少的外部分立原件，功耗、體積和重量都以顯著的降低?？梢詰糜谛呐K起搏器、電子耳蝸、深腦刺激器和膠囊內(nèi)窺鏡的芯片都已相繼出現(xiàn)。2004年Wong等人[11]發(fā)明了一個適用于心臟起搏器的模數(shù)混合芯片，該芯片包括該電源管理系統(tǒng)、心電采集放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、高壓脈沖發(fā)生器等，芯片所有模塊的功耗僅僅8微瓦，該芯片植入人體后可以持續(xù)工作10至12年。2005年Georgious等人[12]發(fā)明了一個功耗為126微瓦的電子耳蝸，該電子耳蝸可以持續(xù)工作13天并且可以趁患者睡覺的時候?qū)υ摱佭M行充電。2010年，Yan等人[13]發(fā)明了一個穿戴式心臟監(jiān)護片上系統(tǒng)（SoC）芯片，該芯片不僅可以測量心電信號，而且可以測量心輸出量。

　　同時，一些國際知名芯片廠商也成功開發(fā)出了一系列適用于醫(yī)學信號采集和處理的系統(tǒng)芯片。德州儀器于2010年研發(fā)出一款低功耗、八通道電生理模擬前端芯片ADS1298，每個通道都包括一個低噪聲增益編程可調(diào)PGA的放大器和24位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。并內(nèi)置右腿驅(qū)動電路，威爾遜中心端、振蕩器，基準電壓源和SPI接口等。該芯片如此高的集成度極大的改善了心電圖(ECG)的便攜式。而ADI于2011年相繼推出了一款適用于診斷級的ADAS1000 ECG模擬前端芯片。該芯片還包括右腿驅(qū)動放大器、交流和直流導聯(lián)關閉檢測、屏蔽驅(qū)動等，而且還集成了呼吸測量和起搏脈沖檢測功能。

　　國內(nèi)的集成電路設計行業(yè)起步較晚，而且國內(nèi)的集成電路設計企業(yè)主要集中在通用處理器、通信、移動多媒體、以及消費類電子產(chǎn)品的專用處理器開發(fā)上，對適用于監(jiān)護類醫(yī)療電子產(chǎn)品的專用集成電路芯片的開發(fā)投入很少。因此，開發(fā)適用于醫(yī)療儀器設備的芯片對縮短我國醫(yī)療電子產(chǎn)品與國際水平的差距，以及提高我國醫(yī)療器械企業(yè)的國際競爭力起到重要的作用。

　　2 移動醫(yī)療芯片的系統(tǒng)架構(gòu)

　　醫(yī)療電子未來的主要趨勢是[14]便攜式、微型化、可連接、人性化、安全和可靠。便攜式需要精確的生物信號采集傳感器，高效率的系統(tǒng)電源管理芯片，極低功耗的系統(tǒng)和能量存儲。微型化需要先進的集成技術，如CMOS集成電路， MEMS和其他可變技術的集成。可連接性需要低功耗RF無線通信技術。醫(yī)療電子設備的人性化需要通過病人和客戶的經(jīng)驗進行設計考慮。數(shù)據(jù)安全性需要更多的硬件和軟件工具支持在RF傳輸和存儲過程中醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性。可靠性需要增強行業(yè)規(guī)則和標準。

　　圖2 移動醫(yī)療SoC芯片整體架構(gòu)

　　針對國內(nèi)外移動醫(yī)療芯片的研發(fā)現(xiàn)狀，我們致力于研制適用于移動生理參數(shù)監(jiān)測的集成電路系統(tǒng)芯片，實現(xiàn)多生命體征信號提取、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸?shù)膯尉Ъ?。該芯片可應用于便攜式的血糖儀、數(shù)字血壓計、血氣分析儀、數(shù)字脈搏和心率監(jiān)視器等一系列移動醫(yī)療設備中?？紤]到移動生理參數(shù)監(jiān)測設備的特殊應用條件，芯片采用低頻率、低噪聲、低功耗（三低）的設計方案，主要研究四個方面的內(nèi)容，即全差分模擬前端、人體近端無線通信、低功耗可擴展FFT處理器電源管理和系統(tǒng)集成。芯片的整體結(jié)構(gòu)以及相關的外設如圖2所示，所設計的移動醫(yī)療芯片SoC整體電子顯微照片圖3所示。

　　圖3 移動醫(yī)療SoC芯片電子顯微照片

　　2.1 全差分模擬前端

　　由于生理信號的特殊性，模擬前端電路設計的關鍵技術在于實現(xiàn)低噪聲、低功耗、高精度模擬信號采集和高速高精度低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換。模擬前端（AFE）部分用于對人體生理信號進行采集，為其后的數(shù)據(jù)處理和無線收發(fā)模塊提供真實可靠的數(shù)據(jù)來源，在移動醫(yī)療芯片中占據(jù)著極其重要的位置。近年來，已經(jīng)報道了一些應用于生物醫(yī)學信號采集的模擬前端集成電路設計[15-18]。然而，這些設計中要么沒有集成ADC，要么系統(tǒng)增益不可調(diào)，或者不支持多通道采集，另外設計很少嘗試針對于低幅度電流源信號的采集。為了盡量不失真的還原、放大多種人體生理信號，減小噪聲干擾，模擬前端包括前置放大器、帶通濾波器、抑制工頻干擾的陷波器、主放大器和逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（SAR ADC），如圖4所示。一般情況下，前置放大器的增益不宜太大，以避免電極的極化電壓造成電路的飽和，其數(shù)值一般選擇在5-10倍左右。帶通濾波器一般用來濾掉生理信號頻段外的噪聲干擾。陷波器一般用來濾除掉工頻干擾。由于前置放大器的放大倍數(shù)不大，所以主放大器必須將生理信號進一步放大，保證能夠驅(qū)動后面模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

　　圖4 電生理差分模擬前端

　　該AFE芯片含有6個采集通道，每個通道的功耗僅為80μW，同時每個通道的增益和帶通截止頻率可以配置，可適用于ECG、EMG和EEG等多種電生理信號的采集。此外，該芯片內(nèi)包含有抑制工頻干擾的全集成陷波器，可以抑制耦合進入通道內(nèi)的工頻干擾。針對常規(guī)陷波器需要大電阻（超過1MΩ）大電容（超過50pF）的難題，該設計采用了電流分流技術，通過減少積分器的充放電時間來增大時間常數(shù)，從而大大降低了陷波器的中心頻率。同時，陷波器的中心頻率可以進行調(diào)節(jié)，從而使芯片適用于不同頻率的工頻干擾。本設計中的模擬前端芯片采用SMIC混合信號0.18μm 1P6M CMOS工藝制造。

　　2.2 電源管理芯片

　　對于醫(yī)療電子設備，便攜式是最重要的一個特點，這就需要高效率、高集成度的電源管理芯片。因此，提高電源管理芯片的效率對于減小電子設備的面積和重量，提高電子設備電源的運行時間極其重要。在有廣泛性能變換要求的系統(tǒng)中，動態(tài)電壓縮放（DVS）是一個很常用的方法[19]。通過引入多個不的電源電壓，DC-DC 轉(zhuǎn)換器使得子系統(tǒng)工作在各自不同的最佳供電電壓下，大大降低了系統(tǒng)的功耗。實現(xiàn)動態(tài)電壓縮放中的DC-DC轉(zhuǎn)換器的方法有很多種。電壓模式的脈寬調(diào)制DC-DC轉(zhuǎn)換器具有結(jié)構(gòu)簡單的特點，但是在輕載的情況下，效率比較低[20]。電流模式的脈寬調(diào)制DC-DC轉(zhuǎn)換器或者脈寬調(diào)制\頻率調(diào)制混合調(diào)制的DC-DC轉(zhuǎn)換器在很大的負載電流范圍內(nèi)電流都比較高，但是兩種模式的轉(zhuǎn)換控制電路使得電路的結(jié)構(gòu)很復雜，導致芯片面積增大[21，22]。根據(jù)移動醫(yī)療電子設備的低功耗、便攜式和待機時間長的特點，需要一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單和高轉(zhuǎn)換效率的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

　　鑒于上述現(xiàn)有技術存在的特點，本設計提出一種應用于生物醫(yī)學設備的低功耗、高效率降壓型DC-DC變換芯片，結(jié)構(gòu)如圖5所示，以解決現(xiàn)有的直流-直流變換器存在的主開關器件開關損耗大、附加時鐘電路體積大、成本高、效率低的問題，使其很好的適用于便攜式醫(yī)療設備中。

　　圖5 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

　　因此，本設計的目標是設計一種結(jié)構(gòu)簡單并且低功耗的電流比較器，使其在工作過程中，靜態(tài)電流僅有幾十μW。另外，采用內(nèi)部產(chǎn)生的數(shù)字信號作為控制信號，從而可以省去額外的控制模塊，大大降低電路結(jié)構(gòu)復雜度和功耗。同時，本設計打算在設計的PFM控制電路中采用動態(tài)部分關斷策略，有效的減少系統(tǒng)損耗，從而提高了效率，使所設計的DC-DC 轉(zhuǎn)換器適用于有低功耗、小面積要求的便攜式生物醫(yī)學設備。

　　2.3 人體通信收發(fā)芯片

　　移動醫(yī)療設備非常需要數(shù)據(jù)進行短距離無線傳輸，因此我們把人體當成傳輸數(shù)據(jù)的導體，省去了高頻的載波信號，實現(xiàn)了通信數(shù)據(jù)在人體表面高速、安全、點對點的低功耗傳送。HBC部分為發(fā)射端和接收端。發(fā)射端主要包括RC振蕩器、FSK和OOK調(diào)制電路、驅(qū)動電路。接收端主要有低噪聲放大器、有源巴倫、可變增益放大器、帶通濾波器、2位ADC、解調(diào)電路。

　　圖6所示為收發(fā)器的結(jié)構(gòu)圖。

　　發(fā)射端采用FSK/OOK雙模調(diào)制，F(xiàn)SK采用低頻率可切換多調(diào)制的載波方式，發(fā)射端的驅(qū)動緩沖器可實現(xiàn)輸出功率根據(jù)通信距離進行調(diào)諧控制。接收端采用無變頻直接解調(diào)的超寬帶射頻通信結(jié)構(gòu)，無須外接片外濾波器和低噪聲放大器，接收機結(jié)構(gòu)簡單，整個接收機的輸出直接接到基帶電路，接收機工作頻率在30M以內(nèi)，無須片外電感，集成度好，功耗低。

　　直接在接收機部分完成信號處理，數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)字解調(diào)后進入基帶，充分減小了數(shù)字基帶的壓力，簡化了基帶電路。采用的GM-C結(jié)構(gòu)片內(nèi)帶通濾波器中心頻率、帶寬可調(diào)以抑制干擾人體通信頻段內(nèi)的射頻噪聲信號同時實現(xiàn)片內(nèi)的信道頻帶的選擇。采用高速遲滯比較器構(gòu)成的2位ADC對信號進行放大整形，可變增益放大器，LNA增益，有源巴倫的增益可根據(jù)接收信號幅度四檔可調(diào)，以實現(xiàn)寬動態(tài)范圍的接收機。LNA采用新穎的噪聲反饋抵消的全電阻負載結(jié)構(gòu)。

　　本設計提出了一種適合于人體通信收發(fā)機的FSK調(diào)制解調(diào)方案，采用模擬FSK解調(diào)，極大簡化了數(shù)字基帶電路。本收發(fā)機結(jié)構(gòu)十分適合短距離人體近端的無線通信，符合生理醫(yī)學信號的無線采集對通信誤碼率和通信距離、質(zhì)量的要求，通信距離大概在1m左右，BER為10E-5。系統(tǒng)采用半雙工的，針對人體通的電磁場傳播特性采用合適的通信頻率和調(diào)制方式，有高的數(shù)據(jù)帶寬和通信質(zhì)量。

　　2.4 數(shù)字信號協(xié)處理器

　　由于人體通信收發(fā)數(shù)據(jù)對帶寬的要求，并且消耗能量較高，例如在1Mbps發(fā)送一個字節(jié)需要消耗5000pJ，而執(zhí)行一條32位指令消耗200pJ，即執(zhí)行25條指令集才能發(fā)送1bit數(shù)據(jù)。因此在數(shù)據(jù)發(fā)送前進行在節(jié)點處理（Processing on Node）可以降低能量和功耗，并且特定的生物信號處理（BSP）任務需要特定的電路結(jié)構(gòu)。從而提出了適用于低頻生理信號處理的低功耗數(shù)字定制ASIC芯片-BSP芯片。該BSP芯片基于授權的ARM7DMI32位RSIC處理器和AMBA總線，集成了MMU、FFT/IFFT、SPI、RAM、ROM等單元。在整個系統(tǒng)中授權的ARM7TDMI IP作為整個系統(tǒng)的控制器，MMU單元用來管理掛在AMBA總線上的外設，例如SPI、FLASH、SRAM，而點數(shù)可配置為8、16、32、64、128、256的FFT/IFFT單元作為ARM7DMI的協(xié)處理器。

　　本設計中，采用最省功耗的基于存儲器的順序結(jié)構(gòu)，采用兩個雙端口的RAM存儲所有數(shù)據(jù)，兩個RAM分別用來存儲數(shù)據(jù)的實部和虛部。旋轉(zhuǎn)因子存儲在一個ROM中。如圖7所示，為FFT/IFFT的整體結(jié)構(gòu)圖。

　　圖7 FFT/IFFT整體結(jié)構(gòu)圖

　　一個蝶形運算單元包含一個復數(shù)乘法器，而復數(shù)乘法器的功耗較大，所以整個FFT處理器中只包含一個蝶形處理單元，在每一級蝶形運算中不停地調(diào)用此蝶形運算單元。為了最大限度的地降低功耗，擬采用改進的蝶形運算單元，即將原本由四個實數(shù)乘法器組成的復數(shù)乘法器改變成三個實數(shù)乘法器。實數(shù)乘法器擬采用改進的booth編碼乘法器。

　　為了提高處理速度，在蝶形運算和寄存器讀寫過程中擬采用流水線結(jié)構(gòu)，以降低整個FFT芯片的能量消耗。由于設計的FFT處理器是可擴展的，即可以選擇計算不同的點數(shù)，所以可擴展結(jié)構(gòu)的設計也是一個重點。為了滿足低功耗的要求，這個結(jié)構(gòu)必須簡單和便于控制，為此，在整體結(jié)構(gòu)上，擬采用有限狀態(tài)機（FSM）進行控制，根據(jù)不同點數(shù)有不同級數(shù)的蝶形運算單元，來選擇狀態(tài)機的狀態(tài)數(shù)。

　　對于FFT運算，特別是高點數(shù)FFT的運算，有大量中間數(shù)據(jù)需要讀寫，而且對于不同點數(shù)的FFT，地址產(chǎn)生順序又不同，因此對存儲器讀寫地址的產(chǎn)生也是一個重點。為此，將專門設計一個地址生成器，這個地址生成器產(chǎn)生兩個RAM的讀寫地址，同時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)因子ROM的讀地址。此外，為進一步降低功耗，將采用門控時鐘、多電壓等低功耗技術。

　　3 移動醫(yī)療所面臨的挑戰(zhàn)

　　移動醫(yī)療不僅能幫助解決“看病難、看病貴”的問題，它還可以高度共享醫(yī)院原有的信息系統(tǒng)，并使系統(tǒng)更具移動性和靈活性，從而簡化工作流程，提高整體工作效率。中國移動醫(yī)療的市場空間非常大，但不可否認的是其在行業(yè)應用和商業(yè)模式上還需要一個長期的培育過程。移動醫(yī)療還面臨很多挑戰(zhàn)，比如目前缺少規(guī)范化的標準，像云計算或物聯(lián)網(wǎng)，不同的廠家建立了不同的健康云，很多地方在做基于健康檔案的區(qū)域級信息平臺，將來如果這些平臺之間的數(shù)據(jù)不能有效地整合，反而會導致很多信息沒有及時地更新或者不一致。另外是安全問題，包括系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全和無線傳播信號對敏感信息的影響。對醫(yī)療設備商來說，移動醫(yī)療對便攜式醫(yī)療設備的需求會大大增加，比如床邊監(jiān)護儀和B超等。一般來說，便攜式醫(yī)療產(chǎn)品的市場化成本較高，其研發(fā)成本、市場開拓成本、時間成本和市場周期都給這些企業(yè)帶來很大的壓力。另外，生理信號微弱的幅度和極低頻率的特征，以及醫(yī)療芯片對極低功耗的追求，既是設計醫(yī)療芯片必須滿足的條件，也是設計醫(yī)療芯片所面臨的主要挑戰(zhàn)。中國移動醫(yī)療才剛剛起步，有著廣闊的發(fā)展前景和市場需求，同時也面臨著諸多挑戰(zhàn)，我們應該抓緊機遇，積極應對挑戰(zhàn)，使移動醫(yī)療能夠得到廣泛推廣，提升醫(yī)療護理的管理效率和人們的生活質(zhì)量。

　　4 本文小結(jié)

　　本文對移動醫(yī)療的研究背景和國內(nèi)外現(xiàn)狀進行了詳細論述，在分析了常規(guī)生理信號特征的基礎上，介紹了專注于面向家庭，個人可移動的生理參數(shù)采集的SoC，同時對所設計的面向移動醫(yī)療的SoC中四個關鍵的芯片模塊的設計進行分析。該片上系統(tǒng)采用低功耗系統(tǒng)芯片方案，實現(xiàn)對多種生理信號的采集、處理、顯示和傳輸，不僅提高了芯片的集成度、節(jié)約了芯片面積，而且有利于降低功耗、降低成本。最后，綜合的闡述了移動醫(yī)療在未來發(fā)展道路中面臨的挑戰(zhàn)。