With an increased demand of wearable healthcare systems, a low power body area network (BAN) becomes much more important for efficient and effective operation of the system. Among several wearable healthcare applications, sleep monitoring system should become much more convenient than other wearable healthcare systems since it always operates during sleep which is the uncontrolled state and its electrodes are placed on the very small area of the face. For maximum convenience, the following system requirements can be derived: 1) The electrodes should be as small as possible, 2) The wires outsides of the sleeper should be removed as much as possible, and 3) The weight of the total system should be as light as possible. In addition, compensation techniques are essential for the dynamic environment due to sleeper’s tossing and turning during sleep. This dissertation proposes a convenient sleep monitoring system that can deal with the whole above requirements. It consists of 3 low power SoCs for wearable BAN, and is implemented on the wearable circuit board technology, named Planar Fashionable Circuit Board (P-FCB).
The first SoC is an ExG sensor. It includes 2 capacitive feedback instrumentation amplifiers for enough signal amplification and 10-bit SAR ADC for low power digitization. To deal with 4 different kinds of ExG signals including EEG, EOG, EMG, and ECG, it can control the amp gain and bandwidth. The sensing data is transmitted through the data transceiver in the SoC. It communicates with the WBAN controller chip with low power consumption. It adopts both low swing data transmission and duty-cycled operation so that it consumes only 0.33pJ/b with 20Mbps data rate in average. This sensor SoC is implemented in 0.18um CMOS process, and dissipates 25uW with 1.5V supply voltage.
The second SoC is a WBAN controller which provides the real-time sensor network management of joining and leaving with low power consumption. For energy efficient network management, the Continuous Data Transmission (CDT) protocol is proposed. With the help of CDT protocol, two proposed building blocks, named Linked List based network Manager (LLM) and Adaptive Dual Mode Controller (ADMC), can adaptively change the network configuration according to the dynamic network variances in real-time (<500ms). This low power WBAN controller SoC is also implemented in 0.18um CMOS process and operates with 1.5V supply while consuming 75uW in average.
The last SoC is designed for external data communication in case of real-time data display. The data in the WBAN controller chip should be transferred to the storage device or displayed on the screen as the commercial sleep monitoring system does. For latter purpose, the low power inductive coupling transceiver SoC is designed. With the fabric inductor channel, it can maintain the wearability and consumes low energy < 1.3pJ/b with 50Mbps data rate. Especially, it adopts three proposed schemes of Transmission Time Control (TTC), Adaptive Gain Control (AGC), and Differential Detection Method (DDM). The Transmission Time Control (TTC) scheme is proposed to reduce the transmitter energy consumption to 0.475pJ/b. And the Adap-tive Gain Control (AGC) scheme is adopted to make the receiver energy consumption be 0.825pJ/b. The receiver sensitivity is enhanced by Differential Detection Method (DDM) so that the weakly coupled channel of fabric inductor pair can be used for data communication. The proposed transceiver is implemented within 1.5 x 2.37mm^2 in 0.18um CMOS process.
Three SoCs are integrated into fabric patches using P-FCB technology for comfortable feeling to the skin. In order to reduce the patch size and weight on the sleeper’s face, multi-layer P-FCB technology is pro-posed. Moreover, the wearable bus is also implemented using fabric and conductive threads for data transfer inside of the proposed system. Thanks to the three SoCs combined with multi-layer P-FCB technology, 5g and sub-500uW compact and low power sleep monitoring system is implemented and shows the feasibility of the convenient sleep monitoring system by the clinical verification of the sleep staging results.
본 논문은 웨어러블 헬스케어 응용 분야에 적용할 수 있는 웨어러블 인체영역 네트워크의 설계에 대해서 제안하였다. 특히, 착용형 수면 검사 시스템을 위한 시스템에 초점을 맞추어 설계 및 검증을 진행하였는데, 이것은 두 종류의 IC를 각각 집적한 다층 직물형 기판으로 제작된 직물형 패치와 각각의 패치를 연결하는 직물형 밴드로 구성되어 있다.
첫 번째 패치는 생체 신호 중 심전도, 근전도, 뇌전도 및 안전도를 측정할 수 있는 센서 패치로서, 조절 가능한 gain과 bandwidth를 갖는 amplifier 및 저전력의 10-bit SAR ADC, 저전력 통신이 가능한 clock and data transceiver로 구성된 센서 IC가 집적되어 있다. 특히 센서 IC의 평균 전력을 최소화하기 위하여, 가장 높은 전력 소모 비중을 차지하는 데이터 송신기에서 duty cycle operation 및 low swing transmission 방식을 채택하여 전체 센서 IC의 평균 전력 소모를 25uW로 줄였다.
두 번째 패치는 저전력의 네트워크 관리를 담당하는 네트워크 관리 패치로서, 수면 중 실시간으로 변화하는 네트워크를 효율적으로 관리할 수 있는 Linked List-based Network Manager (LLM) 블록과, 변화하는 네트워크를 반영하여 저전력으로 동작하게 하는 Adaptive Dual Mode Controller (ADMC) 블록을 포함하는 네트워크 컨트롤러 IC가 집적되어 있다. 특히 네트워크의 변화에 대해 대응하는데 필요한 Latency가 leave와 join의 경우 각각 500ms와 8us로, 느린 주파수의 생체 신호 특성 상 실시간의 보상이 가능한 특성을 보인다. 제안된 IC의 평균 전력 소모는 75uW이며, 그 중 네트워크 관리에 필요한 전력은 2.1uW 이다. 또한 이 네트워크 관리 패치에는 선택적으로 근거리 무선 송수신기 IC가 집적될 수 있는데, 이것은 저에너지의 실시간 데이터 송수신을 위한 IC이며, 다른 대안으로 대용량 저장장치 카드에 수면 데이터가 저장될 수 있다. 근거리 무선 송수신기 IC는 직물형 인덕터의 유도결합 방식으로 데이터를 송수신하며, 최대 50Mbps의 데이터 전송률을 지원하고 이때 송신과 수신에 각각 0.825pJ/b과 0.475pJ/b의 에너지를 소모하게 된다.
두 패치는 각각 직경이 2cm인 원형의 모양으로 제작되었고, 전체 수면 검사 시스템을 위해 1개의 네트워크 컨트롤 패치와 14개의 센서 패치가 사용되며, 이들은 직물형 밴드인 Wearable Band (W-Band)로 연결된다. 전체 시스템의 시간 동기화를 위해 clock은 네트워크 컨트롤러에서만 생성되어 전체 시스템에 공유되며, 시스템 내 데이터 통신은 Continuous Data Transmission (CDT) 프로토콜에 의해 이루어진다. 제안된 시스템은 배터리를 포함한 총 무게가 5g이고, 전체 평균 전력 소모는 425uW이며, 외부와 연결되는 선을 없애고 내부의 연결은 버스 구조를 이용한 하나의 선을 사용하여 편리함을 달성하였다. 끝으로, 시스템 검증을 위하여 수면 시간 동안 네 종류의 생체 신호를 측정하고, 이를 30 초 간격의 epoch으로 구분하여 각각에 대해 W, R, N1, N2, N3의 다섯 단계로 sleep staging을 하여 hynogram을 그림으로써, 제안한 시스템이 효과적으로 수면을 모니터링할 수 있는 가능성을 보였다.
