耿斌等

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

關(guān)鍵詞 短距無(wú)線通信 生理監(jiān)測(cè) 藍(lán)牙

引 言

人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種可以長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)、實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用的儀器組合，是傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、生理信號(hào)檢測(cè)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(gè)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(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)不僅局限于對(duì)危重患者的監(jiān)護(hù)，在傳統(tǒng)的醫(yī)療領(lǐng)域以外，如家庭和個(gè)人保健、運(yùn)動(dòng)、心理等方面都得到廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器與數(shù)據(jù)處理裝置之間通過(guò)有線方式傳輸數(shù)據(jù)，大量的連線影響使用者的正常活動(dòng)，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(cè)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(lái)，短距離無(wú)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(guò)將這些短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合其它先進(jìn)的電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體影響小的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，在不影響被監(jiān)護(hù)人正?；顒?dòng)的情況下，可以進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)測(cè)，從而促進(jìn)生理監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

1 短距無(wú)線人體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

典型的人體無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由佩戴于人體的生理信號(hào)檢測(cè)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(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)并無(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)接收及顯示、處理、保存等基本功能，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警、遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ堋z測(cè)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(wú)線通信技術(shù)，相對(duì)其它無(wú)線通信技術(shù)而言，短距離無(wú)線通信技術(shù)發(fā)射功率普遍都很低，一般低于100mW；實(shí)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(cè)比較成熟的短距離無(wú)線通信技術(shù)包括藍(lán)牙技術(shù)、ZigBee技術(shù)[3]、無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)和非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無(wú)線通信技術(shù)。

2 短距無(wú)線通信技術(shù)簡(jiǎn)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(wú)需申請(qǐng)即可使用，主要應(yīng)用于近距離的語(yǔ)言和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。頻道采用23個(gè)或79個(gè)，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(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)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(kuò)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(jí)安全模式進(jìn)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(cè)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(guò)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(yùn)動(dòng)、脈率及皮膚電反應(yīng)值分別判斷使用者的運(yùn)動(dòng)情況和使用者是否開(kāi)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(cè)使用者的日常行為活動(dòng)、健康狀況和運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而提醒和指導(dǎo)使用者每天進(jìn)行健康的飲食和適當(dāng)?shù)腻憻?，這對(duì)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(diǎn)。很多便攜設(shè)備集成藍(lán)牙通信功能，例如手機(jī)、掌上電腦、計(jì)算機(jī)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(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，縮短開(kāi)發(fā)周期的同時(shí)還可以提供多樣化的硬件選擇。采用智能手機(jī)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(shí)現(xiàn)個(gè)人的移動(dòng)監(jiān)測(cè)[5]，通過(guò)手機(jī)的遠(yuǎn)程通信功能，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)測(cè)[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(jí)，相對(duì)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(shì)更為明顯，為藍(lán)牙技術(shù)在人體監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供更多機(jī)會(huì)[7]。

2.2 ZigBee技術(shù)（IEEE 802.15.4）

ZigBee技術(shù)建立在針對(duì)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(wèn)控制層（MAC）協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對(duì)網(wǎng)絡(luò)層（NWK）協(xié)議和應(yīng)用層（APL）進(jìn)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(guó)是290 kbps，覆蓋范圍為10-75 m。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。ZigBee 采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，協(xié)議棧簡(jiǎn)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(shí)支持地理定位功能。

國(guó)內(nèi)的趙澤等[8]提出一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)ZigBee技術(shù)構(gòu)成一個(gè)無(wú)線傳感監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)上使用中央控制器對(duì)所需要測(cè)量的生理指標(biāo)傳感器進(jìn)行控制采集數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee監(jiān)護(hù)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(guò)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(hù)中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，提供必要的咨詢服務(wù)和醫(yī)療指導(dǎo)，實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)病患、監(jiān)護(hù)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(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)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(duì)重病和病危患者的監(jiān)護(hù)和治療。

ZigBee低功耗、低成本的特點(diǎn)非常適合于遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在這樣的系統(tǒng)中，一個(gè) ZigBee基站便可以覆蓋整個(gè)室內(nèi)，即使在戶外的活動(dòng)，也只要在高處設(shè)置一個(gè)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)直徑幾百米的覆蓋范圍，對(duì)于醫(yī)院的室外活動(dòng)場(chǎng)地也足夠，不必安裝過(guò)多的節(jié)點(diǎn)，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(cè)量生理指標(biāo)的功能模塊便可以在家中自由活動(dòng)的狀態(tài)下得到醫(yī)療監(jiān)護(hù)。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)、節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作，這使得該技術(shù)適用于需要?jiǎng)討B(tài)組網(wǎng)的場(chǎng)合。由于沒(méi)有成為消費(fèi)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(jī)等設(shè)備接收數(shù)據(jù)，降低了ZigBee技術(shù)在面向個(gè)人的應(yīng)用中的吸引力。

2.3 無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)（IEEE 802.11）

無(wú)線局域網(wǎng)WLAN（wireless lan）利用無(wú)線技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、話音和視頻信號(hào)，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(wèn)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(dòng)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)更新病人情況。在查房過(guò)程中，通過(guò)手持PDA隨時(shí)隨地將患者信息輸入計(jì)算機(jī)，也可以隨時(shí)查詢患者的既往病史、過(guò)敏史等關(guān)鍵性資料，并可以通過(guò)計(jì)算機(jī)核對(duì)處方藥品及處置方式是否正確等。對(duì)于突發(fā)性情況，比如接到具有特殊情況的病人，醫(yī)護(hù)人員可以即時(shí)通過(guò)移動(dòng)終端查詢相關(guān)的醫(yī)療信息，及時(shí)做出正確的決定。為病患提供的便攜無(wú)線終端，使其可以隨時(shí)隨地發(fā)出求助信號(hào)。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)醫(yī)院內(nèi)各種人員和部門之間的信息無(wú)縫交流，從而提高整個(gè)醫(yī)院的運(yùn)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(wú)線局域網(wǎng)，不僅可以建立無(wú)線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，還可以實(shí)現(xiàn)多層次的信息管理、無(wú)線呼叫及語(yǔ)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(hù)人員和病患者之間需要頻繁地在院內(nèi)移動(dòng)檢查、同時(shí)處理的信息量大以及患者對(duì)就診時(shí)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(shí)，由于此類應(yīng)用并不特別強(qiáng)調(diào)舒適性，可以容忍相對(duì)大的設(shè)備體積和相對(duì)高的功耗，因此WLAN很適合在醫(yī)院等機(jī)構(gòu)內(nèi)使用。而在面向個(gè)人的穿戴式生理監(jiān)測(cè)設(shè)備上，過(guò)高的功耗則限制了無(wú)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(wú)線通信技術(shù)

非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無(wú)線通信技術(shù)是最早應(yīng)用于人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的無(wú)線通信技術(shù)，需要設(shè)計(jì)者自己制定底層的通訊協(xié)議。典型的無(wú)線收發(fā)芯片，在片內(nèi)同時(shí)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(guò)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(kāi)發(fā)人員提供更靈活的節(jié)能設(shè)計(jì)空間。此類芯片大多工作在無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，例如nRF401、nRF905系列芯片、CC1000、CC1020系列芯片等。

國(guó)內(nèi)有很多研究工作是針對(duì)此類無(wú)線收發(fā)模塊在生理監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用展開(kāi)的。例如，王景燦等人設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)生理信號(hào)的無(wú)線傳輸，在數(shù)據(jù)傳輸前進(jìn)行AES加密處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)心電和脈搏波等生理信號(hào)實(shí)時(shí)、安全、準(zhǔn)確的無(wú)線傳輸[9]。王陳海等人使用nRF24L01芯片設(shè)計(jì)個(gè)人健康無(wú)線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，由佩戴于人體的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)與便攜的監(jiān)護(hù)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(gè)人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有效率高、功耗低、通信性能好的特點(diǎn)。

非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無(wú)線收發(fā)芯片的種類較多，很多芯片有其獨(dú)特的性能，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)選擇最合適的技術(shù)，在沒(méi)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(wú)線通信技術(shù)往往可以縮短開(kāi)發(fā)周期、提高通信效率，獲得更低的功耗和更高的實(shí)時(shí)性。由于這類芯片對(duì)硬件的控制比較方便，工作過(guò)程不需要人工干預(yù)，可以嵌入到已有的成熟設(shè)備中擴(kuò)展短距無(wú)線通信功能。在與其他設(shè)備互聯(lián)方面，通過(guò)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(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接，進(jìn)一步可以擴(kuò)展遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。由于不具有對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的支持，非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議無(wú)線通信技術(shù)更適合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的簡(jiǎn)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(jìn)步，人體監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用由傳統(tǒng)的醫(yī)療領(lǐng)域，向家庭和個(gè)人保健、運(yùn)動(dòng)、心理等更多領(lǐng)域擴(kuò)展，相應(yīng)的穿戴式醫(yī)療電子一直以來(lái)都是研究熱點(diǎn)，在美國(guó)國(guó)際消費(fèi)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(zhǎng)近25%。移動(dòng)醫(yī)療（mHealth）熱潮的興起將進(jìn)一步推動(dòng)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(dòng)醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)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(wú)線通信技術(shù)發(fā)展前景非常廣闊。據(jù)IMS研究所報(bào)告，在未來(lái)5年內(nèi)，無(wú)線醫(yī)療設(shè)備的用戶量將超過(guò)5千萬(wàn)?？蓱?yīng)用的短距離無(wú)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(dú)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(wú)線通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷狀態(tài)下的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)，為多個(gè)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用提供良好的技術(shù)平臺(tái)。

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