應(yīng)用于人體監(jiān)測的短距無線通信技術(shù)

耿斌等

摘 要 介紹人體生理參數(shù)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及當(dāng)前應(yīng)用于人體監(jiān)測的幾種主要的短距無線通信技術(shù)，包括藍(lán)牙、ZigBee、無線局域網(wǎng)和非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議短距無線通信等技術(shù)，分析了采用各種短距無線通信技術(shù)的人體監(jiān)測系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)它們的特點。短距離無線人體監(jiān)測系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于需要實施長時間連續(xù)監(jiān)測的各個領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞 短距無線通信 生理監(jiān)測 藍(lán)牙

引 言

人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)是一種可以長時間、連續(xù)、實時采集人體生理參數(shù)，具有顯示、處理、保存等基本功能，可以實現(xiàn)多種應(yīng)用的儀器組合，是傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)、生理信號檢測等技術(shù)的結(jié)合。隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，醫(yī)療模式正在轉(zhuǎn)變，由傳統(tǒng)的以醫(yī)院為中心的集總系統(tǒng)向以個人為中心的分布系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，由得病后的診療為主向得病前的預(yù)防為主轉(zhuǎn)變[1]。生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不僅局限于對危重患者的監(jiān)護，在傳統(tǒng)的醫(yī)療領(lǐng)域以外，如家庭和個人保健、運動、心理等方面都得到廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器與數(shù)據(jù)處理裝置之間通過有線方式傳輸數(shù)據(jù)，大量的連線影響使用者的正?；顒?，易使其產(chǎn)生不適感，由于使用者的緊張、不自然，獲得的生理參數(shù)的準(zhǔn)確性也受到一定影響，這些因素限制了生理參數(shù)監(jiān)測在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是近年來，短距離無線通信技術(shù)發(fā)展很快，有些技術(shù)已經(jīng)比較成熟并得到廣泛的應(yīng)用，通過將這些短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用于人體生理參數(shù)監(jiān)測，結(jié)合其它先進的電子技術(shù)可以實現(xiàn)對人體影響小的無線監(jiān)測系統(tǒng)[2]，在不影響被監(jiān)護人正?；顒拥那闆r下，可以進行長期連續(xù)的監(jiān)測，從而促進生理監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

1 短距無線人體監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

典型的人體無線監(jiān)測系統(tǒng)由佩戴于人體的生理信號檢測設(shè)備和數(shù)據(jù)接收基站組成，根據(jù)需要還可能包括中繼站，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測設(shè)備采集數(shù)據(jù)并無線發(fā)送至數(shù)據(jù)接收基站，基站可以是隨身攜帶的便攜設(shè)備或安放在附近區(qū)域的固定設(shè)備，具有無線數(shù)據(jù)接收及顯示、處理、保存等基本功能，還可以實現(xiàn)自動報警、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ堋z測設(shè)備與數(shù)據(jù)接收基站的數(shù)據(jù)傳輸采用短距離無線通信技術(shù)，相對其它無線通信技術(shù)而言，短距離無線通信技術(shù)發(fā)射功率普遍都很低，一般低于100mW；實際傳輸距離較短，從幾米到幾十米。目前應(yīng)用于人體生理參數(shù)監(jiān)測比較成熟的短距離無線通信技術(shù)包括藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)[3]、無線局域網(wǎng)技術(shù)和非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無線通信技術(shù)。

2 短距無線通信技術(shù)簡介

2.1 藍(lán)牙技術(shù)（IEEE 802.15）

藍(lán)牙技術(shù)是使用2.4GHz的ISM公用頻道的一種短距離通信技術(shù)，用戶無需申請即可使用，主要應(yīng)用于近距離的語言和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。頻道采用23個或79個，頻道間隔均為1MHz，速率為1600 跳/秒的跳頻工作方式，使得藍(lán)牙系統(tǒng)具有很高的抗干擾能力。根據(jù)發(fā)射功率的不同藍(lán)牙設(shè)備之間的有效通訊距離大約為10-100m。藍(lán)牙設(shè)備組網(wǎng)靈活，提供點對點和點對多點的無線連接，基于TDMA 原理組網(wǎng)。藍(lán)牙技術(shù)具有較高的安全性，除采用跳頻擴展技術(shù)和低發(fā)射功率等常規(guī)安全技術(shù)外，還采用三級安全模式進行管理控制。

東芝公司的Lifeminder系統(tǒng)由腕表型可穿戴式傳感器模塊和掌上電腦組成，可穿戴式檢測設(shè)備配備加速度傳感器、脈搏波傳感器、溫度傳感器、皮膚電反應(yīng)電極和藍(lán)牙通信模塊，通過藍(lán)牙技術(shù)與掌上電腦通信[4]。該系統(tǒng)根據(jù)手腕的運動、脈率及皮膚電反應(yīng)值分別判斷使用者的運動情況和使用者是否開始吃飯，大約能達(dá)到90%的準(zhǔn)確率。借助掌上電腦的便攜特性，該系統(tǒng)可以監(jiān)測使用者的日常行為活動、健康狀況和運動情況，進而提醒和指導(dǎo)使用者每天進行健康的飲食和適當(dāng)?shù)腻憻挘@對于保持健康的生活方式，達(dá)到預(yù)防疾病的目的非常重要。

藍(lán)牙技術(shù)具有組網(wǎng)靈活、安全性高、使用廣泛的優(yōu)點。很多便攜設(shè)備集成藍(lán)牙通信功能，例如手機、掌上電腦、計算機等，這使得藍(lán)牙設(shè)備可以很方便的組網(wǎng)，將這些便攜設(shè)備作為數(shù)據(jù)接收基站的硬件，只需進行軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期的同時還可以提供多樣化的硬件選擇。采用智能手機作為數(shù)據(jù)接收基站，可以在不增加使用者負(fù)荷的情況下實現(xiàn)個人的移動監(jiān)測[5]，通過手機的遠(yuǎn)程通信功能，還可以進一步實現(xiàn)遠(yuǎn)程移動監(jiān)測[6]。目前應(yīng)用最多的藍(lán)牙規(guī)范是Bluetooth 2.0+EDR標(biāo)準(zhǔn)，采用4dB（class 2）功率等級，相對于其他技術(shù)而言其通信距離更短，更加適合近距離的應(yīng)用。隨著藍(lán)牙4.0技術(shù)規(guī)范的使用，在低功耗和傳輸距離方面優(yōu)勢更為明顯，為藍(lán)牙技術(shù)在人體監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用提供更多機會[7]。

2.2 ZigBee技術(shù)（IEEE 802.15.4）

ZigBee技術(shù)建立在針對低數(shù)據(jù)速率、低功耗網(wǎng)絡(luò)的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，IEEE 802.15.4處理物理層（PHY）和介質(zhì)訪問控制層（MAC）協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對網(wǎng)絡(luò)層（NWK）協(xié)議和應(yīng)用層（APL）進行標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)為DSSS，數(shù)據(jù)傳輸率比較低，在歐洲是270kbps，美國是290 kbps，覆蓋范圍為10-75 m。通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。ZigBee 采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)議棧簡捷緊湊，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。

國內(nèi)的趙澤等[8]提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過ZigBee技術(shù)構(gòu)成一個無線傳感監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點上使用中央控制器對所需要測量的生理指標(biāo)傳感器進行控制采集數(shù)據(jù)，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee監(jiān)護基站設(shè)備，并由該基站把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，通過Internet網(wǎng)絡(luò)可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計觀察，提供必要的咨詢服務(wù)和醫(yī)療指導(dǎo)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。類似的系統(tǒng)也可應(yīng)用于醫(yī)院內(nèi)部，實現(xiàn)對病患、監(jiān)護設(shè)備及設(shè)施的醫(yī)療和健康監(jiān)控，借助于各種傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確而且實時地監(jiān)測病人的血壓、體溫和心率等基本生理信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生作出快速的反應(yīng)，特別是對重病和病危患者的監(jiān)護和治療。

ZigBee低功耗、低成本的特點非常適合于遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中，一個 ZigBee基站便可以覆蓋整個室內(nèi)，即使在戶外的活動，也只要在高處設(shè)置一個中轉(zhuǎn)節(jié)點，即可實現(xiàn)直徑幾百米的覆蓋范圍，對于醫(yī)院的室外活動場地也足夠，不必安裝過多的節(jié)點，也不必額外的提高 ZigBee的收發(fā)功率，病人只要隨身攜帶集成ZigBee技術(shù)和測量生理指標(biāo)的功能模塊便可以在家中自由活動的狀態(tài)下得到醫(yī)療監(jiān)護。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，增加或者刪除一個節(jié)點、節(jié)點位置發(fā)生變動、節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作，這使得該技術(shù)適用于需要動態(tài)組網(wǎng)的場合。由于沒有成為消費電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)配置，使用者不能直接使用智能手機等設(shè)備接收數(shù)據(jù)，降低了ZigBee技術(shù)在面向個人的應(yīng)用中的吸引力。

2.3 無線局域網(wǎng)技術(shù)（IEEE 802.11）

無線局域網(wǎng)WLAN（wireless lan）利用無線技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、話音和視頻信號，一般用于家庭或大樓以及園區(qū)內(nèi)部，典型覆蓋距離幾十米至幾百米，目前采用的技術(shù)主要是IEEE802.11a/b/g系列。IEEE802.11協(xié)議主要規(guī)定OSI模型中最低兩層：物理層和介質(zhì)訪問控制層的一些特征，這些標(biāo)準(zhǔn)可以在ISM頻段上使用，頻道包括902-928MHz（可利用頻寬26MHz），2.4-2.4835 GHz（可利用頻寬83.5 MHz），以及5.725-5.850GHz（可利用頻寬125MHz）。

Motorola公司提供了基于WLAN的醫(yī)院信息綜合解決系統(tǒng)，醫(yī)生利用手持設(shè)備PDA，或者是平板電腦就可以在醫(yī)院內(nèi)隨便移動，并通過網(wǎng)絡(luò)實時更新病人情況。在查房過程中，通過手持PDA隨時隨地將患者信息輸入計算機，也可以隨時查詢患者的既往病史、過敏史等關(guān)鍵性資料，并可以通過計算機核對處方藥品及處置方式是否正確等。對于突發(fā)性情況，比如接到具有特殊情況的病人，醫(yī)護人員可以即時通過移動終端查詢相關(guān)的醫(yī)療信息，及時做出正確的決定。為病患提供的便攜無線終端，使其可以隨時隨地發(fā)出求助信號。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以實現(xiàn)整個醫(yī)院內(nèi)各種人員和部門之間的信息無縫交流，從而提高整個醫(yī)院的運行效率。

作為傳統(tǒng)布線網(wǎng)絡(luò)的一種替代方案或延伸，WLAN系統(tǒng)支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大、種類多。在社區(qū)、養(yǎng)老院、醫(yī)院等區(qū)域搭建無線局域網(wǎng)，不僅可以建立無線監(jiān)護系統(tǒng)，還可以實現(xiàn)多層次的信息管理、無線呼叫及語音系統(tǒng)，以及提供一般的寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)等。在醫(yī)院，醫(yī)護人員和病患者之間需要頻繁地在院內(nèi)移動檢查、同時處理的信息量大以及患者對就診時間的敏感性，都要求網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高、支持多種應(yīng)用。同時，由于此類應(yīng)用并不特別強調(diào)舒適性，可以容忍相對大的設(shè)備體積和相對高的功耗，因此WLAN很適合在醫(yī)院等機構(gòu)內(nèi)使用。而在面向個人的穿戴式生理監(jiān)測設(shè)備上，過高的功耗則限制了無線局域網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。

2.4 非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議短距無線通信技術(shù)

非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無線通信技術(shù)是最早應(yīng)用于人體生理參數(shù)監(jiān)測的無線通信技術(shù)，需要設(shè)計者自己制定底層的通訊協(xié)議。典型的無線收發(fā)芯片，在片內(nèi)同時集成頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，有的可以通過程序配置輸出功率和通信頻率。發(fā)射功率通常最大為10mW，傳輸距離受環(huán)境影響，一般可以達(dá)到幾十米。有些芯片還有多種低功率工作模式，這給開發(fā)人員提供更靈活的節(jié)能設(shè)計空間。此類芯片大多工作在無需申請的ISM頻段，例如nRF401、nRF905系列芯片、CC1000、CC1020系列芯片等。

國內(nèi)有很多研究工作是針對此類無線收發(fā)模塊在生理監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用展開的。例如，王景燦等人設(shè)計一種基于射頻技術(shù)的穿戴式醫(yī)療儀器，采用nRF905射頻芯片實現(xiàn)生理信號的無線傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸前進行AES加密處理，實驗結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)對心電和脈搏波等生理信號實時、安全、準(zhǔn)確的無線傳輸[9]。王陳海等人使用nRF24L01芯片設(shè)計個人健康無線監(jiān)護系統(tǒng)，由佩戴于人體的多個傳感器節(jié)點與便攜的監(jiān)護基站組成，可以采集人體的心電、血壓、血氧飽和度、脈搏、心率等基本生理參數(shù)[10]。在該應(yīng)用模式下，與其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議構(gòu)建的系統(tǒng)相比，基于非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議所構(gòu)建的個人健康監(jiān)護系統(tǒng)具有效率高、功耗低、通信性能好的特點。

非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無線收發(fā)芯片的種類較多，很多芯片有其獨特的性能，可以根據(jù)實際應(yīng)用的特點選擇最合適的技術(shù)，在沒有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)通信需求的情況下，采用非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議短距無線通信技術(shù)往往可以縮短開發(fā)周期、提高通信效率，獲得更低的功耗和更高的實時性。由于這類芯片對硬件的控制比較方便，工作過程不需要人工干預(yù)，可以嵌入到已有的成熟設(shè)備中擴展短距無線通信功能。在與其他設(shè)備互聯(lián)方面，通過在數(shù)據(jù)接收端采用集成USB功能的微控制器，可以很容易實現(xiàn)與計算機的連接，進一步可以擴展遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。由于不具有對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支持，非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無線通信技術(shù)更適合點對點通信的簡單應(yīng)用。

3 總結(jié)

隨著科技的發(fā)展與人們醫(yī)學(xué)觀念的進步，人體監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用由傳統(tǒng)的醫(yī)療領(lǐng)域，向家庭和個人保健、運動、心理等更多領(lǐng)域擴展，相應(yīng)的穿戴式醫(yī)療電子一直以來都是研究熱點，在美國國際消費性電子展CES 2013中，展示的穿戴式數(shù)字健康與健身科技產(chǎn)品的數(shù)量同比增長近25%。移動醫(yī)療（mHealth）熱潮的興起將進一步推動穿戴式醫(yī)療電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用[11]，數(shù)據(jù)顯示2013年至2017年全球移動醫(yī)療市場規(guī)模預(yù)計由45億美元增至230億美元[12]，作為其中重要的數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，短距離無線通信技術(shù)發(fā)展前景非常廣闊。據(jù)IMS研究所報告，在未來5年內(nèi)，無線醫(yī)療設(shè)備的用戶量將超過5千萬。可應(yīng)用的短距離無線通信技術(shù)種類很多，每一種技術(shù)在一定的通用性的基礎(chǔ)上又有其獨特的適用領(lǐng)域，根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的短距無線通信技術(shù)，可以實現(xiàn)低負(fù)荷狀態(tài)下的長期連續(xù)監(jiān)測，為多個領(lǐng)域的研究及應(yīng)用提供良好的技術(shù)平臺。

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