基于WSN穿戴式系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望

王子洪

第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院 設(shè)備器材科，重慶 400038

基于WSN穿戴式系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與展望

王子洪

第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院 設(shè)備器材科，重慶 400038

穿戴式系統(tǒng)是具有無(wú)創(chuàng)連續(xù)檢測(cè)人體生理信息、數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送和實(shí)時(shí)處理功能的集成系統(tǒng)，能滿足低生理、心理負(fù)荷條件下的生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)。本文從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)角度分析穿戴式系統(tǒng)的構(gòu)成、探討穿戴式系統(tǒng)在發(fā)展中面臨的幾個(gè)技術(shù)難題，并展望穿戴式系統(tǒng)將成為人體健康監(jiān)測(cè)、疾病預(yù)防中的重要助手。

穿戴式系統(tǒng)；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；生理信息檢測(cè)技術(shù)

近年來(lái)，伴隨社會(huì)人口老齡化的加劇、醫(yī)療模式向家庭和社區(qū)的轉(zhuǎn)變、病人需受實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)和軍事、潛水等危險(xiǎn)作業(yè)的需求，科研人員一直著力于穿戴式人體生理信息檢測(cè)系統(tǒng)的研究。同時(shí)，微電子技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)了生理信號(hào)無(wú)創(chuàng)檢測(cè)、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸、快速數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的進(jìn)步。通過(guò)技術(shù)融合，穿戴式系統(tǒng)能長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)受試者生理信息，并將生理信號(hào)發(fā)送到醫(yī)院專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示、分析，方便醫(yī)生及時(shí)掌握受試者的生理狀況。在受試者出現(xiàn)疾病或意外跌倒時(shí)，醫(yī)院專(zhuān)家系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，提醒其家人或醫(yī)護(hù)人員及時(shí)救助受試者[1]。具有無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的穿戴式系統(tǒng)能將對(duì)受試者日?；顒?dòng)的影響降到最低，以期實(shí)現(xiàn)低生理、心理負(fù)荷下的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)。本文將對(duì)穿戴式系統(tǒng)的構(gòu)成、生理信息檢測(cè)技術(shù)和穿戴式系統(tǒng)發(fā)展面臨的技術(shù)難題進(jìn)行探討

1 穿戴式系統(tǒng)研究進(jìn)展

基于WSN的穿戴式系統(tǒng)，是指基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Nerwork，WSN）構(gòu)建的，具有無(wú)創(chuàng)連續(xù)檢測(cè)人體生理信息和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能的穿戴式多參數(shù)生理信息檢測(cè)系統(tǒng)[2]。該系統(tǒng)利用正在發(fā)展中的各項(xiàng)生理信息檢測(cè)方法，以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和傳輸數(shù)據(jù)：傳感器子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)對(duì)象的心電圖、血壓、呼吸、血氧飽和度、人體姿態(tài)等生理信息，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)放大、濾波、壓縮等處理，以統(tǒng)一無(wú)線傳輸協(xié)議將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)；主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各子節(jié)點(diǎn)的同步工作，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行處理、顯示，或者將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS、CDMA等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綄?zhuān)家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診[3]，穿戴式系統(tǒng)工作示意圖，見(jiàn)圖1。

圖1 穿戴式系統(tǒng)工作示意圖

1.1 穿戴式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建的穿戴式系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可歸納為以下3個(gè)部分：

1.1.1 傳感器子節(jié)點(diǎn)

執(zhí)行多參數(shù)檢測(cè)任務(wù)的各傳感器模塊，主要有心電、呼吸、人體姿態(tài)、血壓和血氧模塊等。傳感器子節(jié)點(diǎn)是在主節(jié)點(diǎn)的控制下采集人體生理信號(hào)，完成信號(hào)濾波放大等處理，并以無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)[4]。

1.1.2 主節(jié)點(diǎn)

也叫匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）或者網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，是一個(gè)具有無(wú)線收發(fā)功能的基站，可以是PC、PDA、手機(jī)或其他與高數(shù)據(jù)率設(shè)備通信的網(wǎng)關(guān)。主節(jié)點(diǎn)可以向區(qū)域內(nèi)的傳感器子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，并負(fù)責(zé)接收和處理各傳感器節(jié)點(diǎn)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)[5]，同時(shí)，主節(jié)點(diǎn)還能與Internet連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷；或者與GPRS、CDMA等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

1.1.3 專(zhuān)家系統(tǒng)

專(zhuān)家系統(tǒng)可以是PC或者遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心。專(zhuān)家系統(tǒng)的功能是接收主節(jié)點(diǎn)發(fā)送的反映監(jiān)護(hù)對(duì)象生理狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并且實(shí)時(shí)顯示、處理、保存這些數(shù)據(jù)。然后專(zhuān)家根據(jù)掌握的信息做出會(huì)診并給出處理意見(jiàn)，如預(yù)警、救援等。

1.2 穿戴式生理信息檢測(cè)技術(shù)

穿戴式技術(shù)的產(chǎn)生源于航空、軍事、醫(yī)療、危險(xiǎn)作業(yè)等領(lǐng)域的需求，利用穿戴式系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握監(jiān)護(hù)對(duì)象的生理狀態(tài)，對(duì)保障監(jiān)護(hù)對(duì)象的生命安全具有積極作用。常見(jiàn)的穿戴式系統(tǒng)檢測(cè)的生理參數(shù)包括心電圖、呼吸、人體姿態(tài)、血壓、血氧飽和度等。

1.2.1 無(wú)線心電檢測(cè)技術(shù)

在穿戴式醫(yī)療儀器的發(fā)展中，心電監(jiān)護(hù)儀是發(fā)展最早應(yīng)用最廣的設(shè)備?，F(xiàn)在臨床上應(yīng)用的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備都是有線連接，對(duì)患者和醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō)都不方便。隨著研究的深入，用織物電極取代傳統(tǒng)的Ag-AgCl電極，用無(wú)線技術(shù)取代導(dǎo)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，再結(jié)合高集成度和低功耗的傳感器設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)心電的無(wú)創(chuàng)連續(xù)監(jiān)測(cè)和信號(hào)的無(wú)線傳輸。

圖3中分別展示了Ag-AgCl電極和織物電極。Ag-AgCl電極是心電監(jiān)護(hù)儀采集人體心電信號(hào)使用最普遍的電極，技術(shù)成熟，可靠性較高。但是Ag-AgCl電極對(duì)人體皮膚有刺激作用，長(zhǎng)時(shí)間粘貼，可能使局部皮膚產(chǎn)生過(guò)敏癥狀，而且這類(lèi)電極必須貼身使用，妨礙監(jiān)測(cè)對(duì)象的正常活動(dòng)。目前在研究中的織物電極（textile electrode）是粘貼式電極的良好代替品[6]。織物電極的本質(zhì)是一塊導(dǎo)電紡織面料，其制作方式主要有3種：第一種是將具有傳導(dǎo)性的金屬纖維和棉紗線交織組成；第二種是在普通紡織面料上用貴金屬溶液（如銀、銅等）浸鍍固化形成一層導(dǎo)電層[7]；第三種是基于具有電傳導(dǎo)特性的有機(jī)材料開(kāi)發(fā)，如電活性聚合物（electroactive polymer，EAP）。織物電極可以自然縫合在衣服上，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象不會(huì)造成行動(dòng)上的不便和心理上的負(fù)擔(dān)。

圖3 Ag-AgCl電極和織物電極

Bluetooth/Zigbee是常見(jiàn)的用于心電數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線技術(shù)，它們都是屬于IEEE 802.15家族，工作于ISM頻段。論文將在后面的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)部分詳細(xì)比較這兩種無(wú)線協(xié)議的技術(shù)指標(biāo)差異。

1.2.2 呼吸檢測(cè)技術(shù)

在眾多呼吸檢測(cè)技術(shù)中，考慮到穿戴式系統(tǒng)的低功耗及長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求，電阻抗法和感應(yīng)體積描記法是較優(yōu)的選擇。

圖2 穿戴式系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電阻抗法的檢測(cè)原理源自Nyboer提出的阻抗容積理論：電阻抗的變化與容積的變化成正比。利用這一理論，現(xiàn)在利用電阻抗法測(cè)呼吸頻率已經(jīng)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。阻抗法檢測(cè)呼吸信號(hào)雖然具有無(wú)創(chuàng)、簡(jiǎn)單、廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，但卻容易受到人體心電和肌電等運(yùn)動(dòng)信號(hào)的干擾，從而使檢測(cè)的準(zhǔn)確性受到影響[8]。比起電阻抗法，呼吸感應(yīng)體積描記技術(shù)能夠準(zhǔn)確地描記胸、腹呼吸運(yùn)動(dòng)，測(cè)得吸/呼比時(shí)間參數(shù)、潮氣量、胸腹呼吸貢獻(xiàn)比等容積參數(shù)，并且其信號(hào)的抗運(yùn)動(dòng)干擾能力強(qiáng)、使用方便、無(wú)需粘貼電極，只是需要增加更多的電路元件[9]。張政波等應(yīng)用感應(yīng)體積描記法設(shè)計(jì)出的呼吸測(cè)量系統(tǒng)就是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖4。

圖4 嵌入傳感線圈的胸、腹帶設(shè)計(jì)模型

1.2.3 人體姿態(tài)檢測(cè)

目前，一個(gè)完整的人體姿態(tài)檢測(cè)模塊通常由以下3個(gè)重要的芯片集成一些必要的外圍電路組成：三維加速度計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)芯片。三維加速度計(jì)，如飛思卡爾公司的MMA7260QT，能準(zhǔn)確測(cè)量人體x、y、z三維度的移動(dòng)、傾斜[10]；圖5為加速度傳感器檢測(cè)運(yùn)動(dòng)信號(hào)的物理模型。當(dāng)前開(kāi)發(fā)出來(lái)的加速度傳感器芯片和模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)能滿足穿戴式系統(tǒng)低功耗、高靈敏度、小體積等要求，為人體姿態(tài)研究提供良好的硬件基礎(chǔ)[11]。因此，將人體姿態(tài)檢測(cè)列入到穿戴式系統(tǒng)中，及時(shí)掌握監(jiān)護(hù)對(duì)象是否出現(xiàn)意外或者疾病引起的跌倒，在對(duì)老年人、不能自理的病人等的及時(shí)救助中具有積極作用。

圖5 加速度傳感器物理模型

1.2.4 血壓檢測(cè)

光電容積描記法和振動(dòng)法是穿戴式系統(tǒng)檢測(cè)血壓的常見(jiàn)技術(shù)。光電容積描記法是用波長(zhǎng)660nm或940nm的光源照射指端/橈動(dòng)脈，并將光敏元件接收到的被血流吸收后的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)一系列公式計(jì)算可以間接得到血壓值[12]。示波法中收縮壓和舒張壓的判別是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律制定的，雖然具有干擾小、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是從穿戴式的角度來(lái)看，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

截止目前開(kāi)發(fā)出來(lái)的穿戴式系統(tǒng)中，除了香港中文大學(xué)的“保健衫”（Health Shirt，h-shirt）外，暫未見(jiàn)報(bào)道能實(shí)現(xiàn)血壓連續(xù)檢測(cè)的?！氨＝∩馈笔褂玫姆椒ㄊ沁B續(xù)測(cè)量手指PPG（Photo Plethysmo Graphy，PPG）信號(hào)和ECG信號(hào)，由PPG信號(hào)得到PTT（Pulse Transit Time，PPT）值，然后結(jié)合每個(gè)心動(dòng)周期特征點(diǎn)之間的關(guān)系來(lái)估算血壓[6]。

1.2.5 血氧飽和度檢測(cè)

采用朗伯-比爾定律和光散射理論為基礎(chǔ)的脈搏血氧飽和度檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)不再是難題，脈搏血氧計(jì)正處于普及應(yīng)用階段。

2 穿戴式系統(tǒng)面臨的技術(shù)難題

2.1 傳感器技術(shù)

雖然穿戴式系統(tǒng)研究已經(jīng)有較長(zhǎng)時(shí)間，各生理參數(shù)檢測(cè)都有了相應(yīng)的技術(shù)支持，但是目前的研究成果距離期望值還有一定差距，各項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)都還有繼續(xù)發(fā)展的空間。其中，傳感器技術(shù)在穿戴式系統(tǒng)中占有舉足輕重的地位[13]。除了本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)步，傳感器模塊的功耗低、體積小、質(zhì)量輕等問(wèn)題依然需要相關(guān)行業(yè)的發(fā)展來(lái)解決，如微電子技術(shù)、材料科學(xué)等。

2.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

使用穿戴式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)對(duì)象的遠(yuǎn)程醫(yī)療或者移動(dòng)監(jiān)護(hù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是必然的選擇。通過(guò)有線連接方式傳輸穿戴式系統(tǒng)檢測(cè)到的生理信號(hào)，不但限制了監(jiān)護(hù)對(duì)象的活動(dòng)，而且使穿戴式系統(tǒng)便攜性、低功耗、低負(fù)荷的特點(diǎn)變得毫無(wú)意義。在特定環(huán)境下，如航天、醫(yī)療、救援、科考等，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能將穿戴式系統(tǒng)的功能最大化。當(dāng)前，已經(jīng)有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和醫(yī)療器械公司將藍(lán)牙或者紫蜂技術(shù)應(yīng)用到心電圖、呼吸、脈搏波等生理參數(shù)的測(cè)量?jī)x器中[14]。表1列出了幾種主要無(wú)線傳輸技術(shù)的技術(shù)參數(shù)比較，從表中我們可以看出藍(lán)牙和紫蜂技術(shù)在穿戴式系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：低功耗、低成本、理想的傳輸距離等。

表1 近距離各種主要無(wú)線傳輸技術(shù)的比較

2.3 電子織物載體

當(dāng)前，各研究機(jī)構(gòu)或組織所開(kāi)發(fā)出的穿戴式系統(tǒng)原型大抵是T恤、背心、胸帶、腕表、戒指等，如香港中文大學(xué)的基于電子織物的“保健衫”，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的智慧衫（Smart Shirt），美國(guó)VivoMetrics公司開(kāi)發(fā)的生命衫（Life Shirt），美國(guó)Medwave公司開(kāi)發(fā)的Vasotrac的腕表式血壓測(cè)量?jī)x，以及現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)的手表式血氧計(jì)等等。利用現(xiàn)代紡織技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)穿戴式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括以下3個(gè)方面。第一，將傳感器母板和導(dǎo)電線縫合到織物上，要求母板具有體積小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)，這是穿戴式產(chǎn)品最初的設(shè)計(jì)模式。第二，將具有電傳導(dǎo)性的金屬纖維和棉紗線交織組合，使織物本身因含有金屬纖維而具有導(dǎo)電性。采用這種方式得到的材料可用于制作信號(hào)采集的電極、信號(hào)傳輸?shù)膶?dǎo)線等[6]。第三是利用有機(jī)材料開(kāi)發(fā)傳感器、電極和導(dǎo)線等組件，這是制作理想穿戴式系統(tǒng)的最佳選擇，相關(guān)研究已在國(guó)內(nèi)外進(jìn)行中。

2.4 低負(fù)荷移動(dòng)監(jiān)護(hù)

實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷移動(dòng)監(jiān)護(hù)是穿戴式系統(tǒng)的重要目標(biāo)。當(dāng)前應(yīng)用中的穿戴式系統(tǒng)還主要局限于小范圍的移動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)病人的活動(dòng)有很大影響。這主要有2個(gè)方面的原因，其一是生理信號(hào)檢測(cè)技術(shù)不成熟。人體生理信號(hào)屬于微弱信號(hào)，檢測(cè)中來(lái)自于人體其他器官的干擾很大，特別是在移動(dòng)條件下，干擾信號(hào)往往比目標(biāo)信號(hào)更明顯。因此，信號(hào)檢測(cè)和處理技術(shù)還有待繼續(xù)發(fā)展[15]。其二是傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗問(wèn)題。要實(shí)現(xiàn)病人長(zhǎng)時(shí)間的家庭監(jiān)護(hù)或移動(dòng)監(jiān)護(hù)，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是必然的選擇。但是當(dāng)前傳感器和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗還沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)，除了開(kāi)發(fā)出具有小體積、高能量的電池外，需要繼續(xù)推進(jìn)傳感器技術(shù)的進(jìn)步和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

3 小結(jié)

各種便攜式監(jiān)測(cè)儀器的相繼面世，說(shuō)明穿戴式系統(tǒng)的研究已經(jīng)有了相當(dāng)成果，但是總體上還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)護(hù)的目標(biāo)，也還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的微型化、智能化的要求。要實(shí)現(xiàn)穿戴式系統(tǒng)成為人體健康監(jiān)護(hù)、疾病預(yù)防的重要助手，有待科研人員對(duì)穿戴式系統(tǒng)進(jìn)行深入探索[16]，使系統(tǒng)達(dá)到以下要求：

（1）微型化的多參數(shù)系統(tǒng)：穿戴式系統(tǒng)需要滿足的基本要求就是長(zhǎng)期穿戴的舒適性和多生理參數(shù)檢測(cè)的有效性。

（2）統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是不同公司的穿戴式產(chǎn)品和醫(yī)院專(zhuān)家系統(tǒng)及時(shí)通信及無(wú)障礙數(shù)據(jù)發(fā)送接收的保證。

（3）個(gè)性化和網(wǎng)絡(luò)化：具有個(gè)體差異的個(gè)人是穿戴式系統(tǒng)的廣泛普及對(duì)象，未來(lái)的穿戴式系統(tǒng)要能達(dá)到遠(yuǎn)離醫(yī)院的個(gè)人能及時(shí)獲得建議、技術(shù)支持或救護(hù)的需求。

（4）面向社區(qū)、家庭：以社區(qū)和家庭為中心是醫(yī)療模式轉(zhuǎn)變的方向，穿戴式系統(tǒng)要立足于這個(gè)趨勢(shì)，滿足社區(qū)醫(yī)療的需求。

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Status and Prospects of Wearable System Based on WSN

WANG Zi-hong
Medial Instrument Department, South-West Hospital, Chongqing 400038

The research of wearable system for human physiology information monitoring paid more attention to multi-parameter, non-intrusive continuous monitoring, and wireless data transmission. The paper introduced the overall structure of the wearable health monitoring system based on WSN (wireless sensor network), the main technologies for human physiologic information monitoring, the problems of wearable monitoring system faced with, and the prospects in future.

wearable system; wireless sensor network; technologies of physiologic information monitoring

TP 29-AI

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.018

1674-1633(2012)02-0062-04

2011-07-08

作者郵箱：king7798@126.com