低功耗蓝牙、Zigbee和3D-IC助力远程医疗

首席执行官

TrIP-Sen公司

随着全球七分之一的人口存在超重问题，老年人人口比例将在2025年翻倍达到12亿，伴随而来的是发达国家医疗保健支出的爆炸性增长，人们对远程医疗解决方案日益增长的需求。通过远程采集和定期传送生理参数，远程医疗成为一种效率更高、护理质量更好的工具，因为这种工具有助于改善身体适宜性，降低慢性病管理成本，还能够让老年人在家中就诊。

康体佳健康联盟(Continua Health Alliance)是一个旨在推进远程医疗，并确保从传感器直至健康记录数据库实现端到端互通性的产业联盟。该联盟已推出其 1.5 版本的设计指南，定义了一套与生理信息传感器和居住类传感器通信的双接口通信机制(见图1)。所谓双接口，其中一个是指基于近期获批的蓝牙低能耗 (BLE) 标准及其保健设备规范的 PAN (个人域网)接口，另一个是基于 Zigbee 保健应用规范的 LAN (局域网)接口。就复杂程度而言，这两种标准相差无几，不过顾名思义，BLE往往有更长的电池续航时间，这主要是因为使用了短数据包开销和较高的数据速率、较少的数据包交换(从而实现短发现/连接时间)和跳过的通信事件。而由于使用了鲁棒的调制技术(采用正交编码的直接序列展频)和网状集群星型网络技术，Zigbee拥有更长的通信距离和更高的可靠性。

图1：康体佳健康联盟PAN和LAN接口(v1.5)。

从移动应用、家用到辅助医疗设施等等，这两种接口都能很好地适用于它们各自的使用环境，不过不好的一面是如果两个规范之间缺乏互操作性的话，康体佳双接口概念有可能会让用户有所失望，从而给远程医疗系统的大范围普及带来负面影响。也有许多增强用户体验或者提升健康风险检测的终端用户方案，因为支持这两种标准而从中受益。比如，心律失常病人的心电图仪可能会通过Zigbee网关或基于BLE的蜂窝手机(具体取决于在给定时空内这两种标准的可用性)不断地传送出心脏活动数据，从而提供即时提醒，最终可能挽救病人的生命。

在同一设备中同时支持BLE和Zigbee标准不一定意味着传感器节点的总成本会翻倍。事实上，这两种方案不仅有许多公共的功能模块，并且应用层还有多个相似之处(使用类似的面向对象的数据库用于提供专门的服务)，无线电层甚至有更多的相似之处。更确切地讲，BLE波形使用高斯滤波最小频移键控(GMSK)调制技术，而Zigbee则基于偏移正交相移键控(O-QPSK)和半正弦波脉冲整型，这种技术与GMSK类似，但是除去了高斯整型滤波器。这样就可以通过使用接收器端采用数字中频子采样架构的可重构收发器(图2)，轻松地支持这两种标准。?

图2：数字中频子采样无线电架构。

在此案例中，输入信号首先被放大，然后变频至中频，最后后进行滤波和子采样。子采样会影响在接近直流的较低频率处产生的原始光谱副本。这种混叠信号首次集中在直流处时会进行数字化处理，然后进行低通滤波，最后进行解调。这种无线电架构是一种完全可重构的大型数字架构，该架构可以在无需任何额外成本的情况下以及单模Zigbee或BLE方案中实现对这两个标准的支持，从而获得更高的安全性和客户满意度。此外，它还可以带来额外的认知优势，这是因为该架构可以根据给定的无线电环境调整性能水平。换而言之，线性度、灵敏度和滤波级别都可以在给定时间动态修改为传播损耗和干扰级别条件的函数，从而进一步降低峰值功率，延长电池续航时间。

不过，康体佳双接口并不是唯一反响热烈且广泛普及的远程医疗系统。现有IC解决方案缺乏灵活性并且集成度有限，这会妨碍远程医疗产品普及到世界各地的大众市场。为了实现具有高集成度和高成本效益的定制远程医疗产品，必须通过设计模块化3D-IC来使用不同于目前采用的技术(2D SoC集成)。3D-IC采用Cu-Cu直接粘接和Ox-Ox模块化粘接技术，由堆叠的多达5个裸片(图3)组成(取决于具体客户选择的配置)：一个基本裸片(实现整个BLE标准和部分Zigbee规范)、一个互补裸片(支持实现完整Zigbee解决方案的其余功能)、一个MEMS传感器裸片(比如加速度计、压力等)、一个无源裸片(将部分RLC元器件集成到硅片中)和一个有源/能量清道夫裸片(比如热电堆、动能发电机等)。

图3：康体佳认证的远程医疗应用的模块化3D-IC架构和相关软件堆栈。

这种技术的相关优势包括：针对每个裸片采用单独的经过优化的技术工艺、具有实现定制方案的灵活性、驱动器功率更低、升级方便和电路板占位面积较小。此外还包括开发成本更低和产量更高等优势。?

此外，模块化3D-IC技术还很好地满足了未来的纺织行业的需求，在该行业中，未来会将电子元器件集成到纺织品中。更准确地讲，3D-IC生理传感器可以通过CEA-LETI开发的Diabolo等芯片插入技术插入到衣服的布料中。Diabolo会将电子元器件连接的可扩展金属线放置在织物中。目前，金属线仅用于对LED和无源RFID标签等基本IC插入的机械结构提供支持。未来这种技术会应用在健康传感器中。

如下面的图4所示，这种健康传感器节点由两部分组成：能量清道夫/热电堆和无线传感器节点(WSN) 3D-IC。通过使用串联的热电偶，热电堆可以将人体耗散的热能转换成电能。事实上，现在已经可以采用将两个晶圆粘接在一起，通过在一侧使用P型热敏元件，另一侧使用N型热敏元件的方法，获得相当水平的电能(4mW/cm2，5°温差)，这样就可以实现高密度热电偶。接下来，产生的电能将通过金属线分配给3D-IC的电源芯片，并在电源芯片上进行调节、储存，最终分配给WSN 3D-IC的其余器件。

图4：集成远程医疗传感器3D-IC的纺织品。

整体远程医疗市场潜力确实很有发展前途，包括体育/健身、慢性病管理和老年人群体等细分市场板块，据市场分析师预计，该市场将在2014年前达到19亿美元至46亿美元之间的水平。迄今为止，技术障碍和监管方一直在阻碍这一市场充分发挥其潜力。不过，随着模块化、可重构和认知3D-IC技术的引进，高成本效益和高集成度定制远程医疗系统将得以实现，再加上高效的实现由康体佳健康联盟定义的传感器通信的方法，这种局面将大大改善。