韓世鵬 Olatunji Mumini Omisore 王 磊

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055

關(guān)于穿戴式人體傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究思考*

韓世鵬 Olatunji Mumini Omisore 王 磊**

中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055

人體健康信息的監(jiān)測、獲取、處理是衡量個人健康狀態(tài)最直接的方法，也是有效預(yù)防疾病威脅的重要手段。穿戴式人體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實現(xiàn)健康全過程的跟蹤與智能服務(wù)，對人體信息的動態(tài)監(jiān)測和疾病預(yù)防具有重大意義。文章在分析穿戴式人體傳感器的前景和研究現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了解決穿戴式人體傳感器網(wǎng)絡(luò)核心技術(shù)的策略方法，并給出了基于人體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的穿戴式醫(yī)療設(shè)備中與“人-機(jī)-環(huán)境”有關(guān)的兩個關(guān)鍵問題。

人體健康，智能服務(wù)，穿戴式，人體傳感器網(wǎng)絡(luò)

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.12.006

穿戴式人體傳感器網(wǎng)絡(luò)（wearable body sensor network，WBSN）是涉及可穿戴、微機(jī)電、生物醫(yī)學(xué)電子等多學(xué)科的交叉技術(shù)。作為近年來移動互聯(lián)網(wǎng)的熱點(diǎn)發(fā)展方向之一，WBSN 具有便攜化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化等諸多優(yōu)勢?；谌梭w傳感器網(wǎng)絡(luò)的穿戴式醫(yī)療設(shè)備可實現(xiàn)健康全過程的跟蹤與服務(wù)；采用醫(yī)學(xué)智能技術(shù)對人體健康信息進(jìn)行智能處理，對于預(yù)防人體疾病具有重要的意義。智慧醫(yī)療、移動醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭醫(yī)療、社區(qū)公益醫(yī)療都在催促著醫(yī)療市場快速發(fā)展，穿戴式人體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為突破醫(yī)療健康檢測設(shè)備和人體健康信息監(jiān)測的攻堅技術(shù)，具有很大的研究價值和醫(yī)療需求。

1 前景分析

人體傳感器網(wǎng)絡(luò)及醫(yī)療健康服務(wù)應(yīng)用是穿戴式設(shè)備的發(fā)展趨勢之一，WBSN 主要涉及生理參數(shù)檢測、運(yùn)動數(shù)據(jù)統(tǒng)計及健康狀況改善等方面的設(shè)備和技術(shù)。據(jù)英國市場研究機(jī)構(gòu)朱尼普研究公司（Juniper Research）最新報告，2014 年全球大約有 1 900 萬個可穿戴設(shè)備在使用，預(yù)計到 2018 年，使用量將是 2014 年的 3 倍。據(jù)美國消費(fèi)電子協(xié)會（CEA）和美國電子電氣工程師協(xié)會（IEEE）報告，預(yù)計 2022 年，全球可穿戴設(shè)備的全年銷售額將達(dá)到 2 800 億人民幣，這主要得益于可穿戴醫(yī)療健康服務(wù)類產(chǎn)品的推動。據(jù)全球移動通信系統(tǒng)（GSM）對移動醫(yī)療行業(yè)的測算標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計 2022 年中國可穿戴設(shè)備市場銷售額可達(dá)到 600 億元人民幣。針對可穿戴醫(yī)療健康服務(wù)的人體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)呈現(xiàn)出 3 個特點(diǎn)。

（1）基礎(chǔ)醫(yī)療電子產(chǎn)品市場競爭更加激烈。隨著中國、印度、俄羅斯、巴西、墨西哥等新興國家經(jīng)濟(jì)的起飛，醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展使醫(yī)療電子設(shè)備的主要功能從診斷治療轉(zhuǎn)向保健，并逐漸向基層普及。這些新興市場需要更加實用的醫(yī)療器械新產(chǎn)品——從最普通的電子測步表、電子血壓表、電子血糖儀、電子按摩儀、電子疼痛治療儀到價格相對較高的家用制氧機(jī)等大眾醫(yī)療電子產(chǎn)品[1]。隨著國際醫(yī)療電子巨頭在高端市場不斷收緊并向相對低端的基礎(chǔ)市場延伸，以及我國醫(yī)療電子設(shè)備研發(fā)技術(shù)水平的提升，在上述領(lǐng)域國內(nèi)外企業(yè)的市場競爭將更加激烈。

（2）高端與低端醫(yī)療設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程繼續(xù)加速推進(jìn)。近年來，我國啟動優(yōu)秀國產(chǎn)設(shè)備產(chǎn)品的遴選工作，越來越多的醫(yī)院開始使用國產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備，這促進(jìn)了我國醫(yī)療電子行業(yè)的發(fā)展。一批國內(nèi)優(yōu)秀的醫(yī)療電子企業(yè)，如邁瑞、上海聯(lián)影、萬東醫(yī)療、東軟醫(yī)療、深圳理邦、深圳安科等迎來發(fā)展良機(jī)，在政府相關(guān)政策與財政支持下，必定會在未來幾年將一批先進(jìn)技術(shù)水平的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

（3）移動醫(yī)療等成為未來新型醫(yī)療模式。智慧醫(yī)療、移動醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭醫(yī)療和社區(qū)公益醫(yī)療是未來醫(yī)療行業(yè)發(fā)展的大趨勢，它們將改變傳統(tǒng)就醫(yī)保健的方式，同時節(jié)省醫(yī)療資源，有效解決我國醫(yī)療管理系統(tǒng)不完善、醫(yī)療成本高、覆蓋面窄等問題[2]。醫(yī)療電子產(chǎn)品的使用已不再局限于傳統(tǒng)的專業(yè)醫(yī)療機(jī)構(gòu)，家庭護(hù)理方面的應(yīng)用需求正在急速擴(kuò)張，而應(yīng)用場合的轉(zhuǎn)移對醫(yī)療電子產(chǎn)品的小型化、便攜化提出了更高的要求。隨著全社會信息化程度的提高，醫(yī)療電子向網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、無線化方向發(fā)展。未來移動醫(yī)療將逐漸滲入市民生活，市民就醫(yī)從掛號到治療都會實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連，這可大幅降低患者和醫(yī)院的時間成本，提高診治效率，確保醫(yī)療服務(wù)資源的最優(yōu)整合和協(xié)同效應(yīng)。

2 研究現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)階段研究熱點(diǎn)

近年來，醫(yī)療健康服務(wù)發(fā)展如火如荼，尤其以穿戴式人體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的柔性穿戴式醫(yī)療設(shè)備創(chuàng)制是一個極具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域[3]，涉及“核心部件—柔性集成—醫(yī)學(xué)智能—創(chuàng)新應(yīng)用”等方面的研究工作，現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)主要包括：（1）生物檢測方面，研發(fā)半導(dǎo)體納米材料的高性能微納傳感器、可穿戴活性傳感器、碳納米材料超薄膜和具有仿生功能的電子皮膚、電子織物等核心器件[4]；（2）生化傳感器方面，研發(fā)高結(jié)晶度、高縱橫比的納米纖維素生物膜基底的表皮生化傳感器[5]，以及采用聚酰亞胺和硬質(zhì)玻璃作為襯底基板，金和氧化鋅作為傳感電極，設(shè)計靈活可穿戴的汗液傳感器，用來監(jiān)測酒精濃度[6]；（3）柔性集成方面，基于仿生微納加工、低功耗集成電路（IC）設(shè)計與高密度封裝技術(shù)，開發(fā)高可靠性的硬件系統(tǒng)[7]；（4）人體數(shù)據(jù)通信方面，研究人體近端信息交互原理及信息安全理論，實現(xiàn)高能效人體近端通信；（5）健康狀態(tài)辨識方面，研究適用于穿戴式生命健康數(shù)據(jù)集的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，以及與生物信息大數(shù)據(jù)的融合技術(shù)[8]；（6）系統(tǒng)供能方面，研究納米發(fā)電機(jī)、柔性光能材料和基于溫度梯度的能量搜集方法，開發(fā)原理樣機(jī)；（7）醫(yī)療健康應(yīng)用方面，探索穿戴式醫(yī)療設(shè)備與時尚、創(chuàng)新設(shè)計的融合，行業(yè)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)及商業(yè)模式的設(shè)立，以及柔性可穿戴醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人等新應(yīng)用[9]。

2.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

（1）生理和生化檢測方面。Ryu 等[10]通過干紡方法制備了高度取向性的碳納米管纖維彈性應(yīng)力傳感器。Yugandhar 等[11]對于壓電微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）建立了仿真模型。Yamada 等[12]制備了定向排列的單壁碳納米管薄膜，拉伸時碳納米管破裂成島-橋-間隙結(jié)構(gòu)，其形變可以達(dá)到 280%。Tee 等和 Lipomi[13,14]利用具有錐狀微結(jié)構(gòu)的壓阻傳感器制備了可以向大腦傳遞觸覺信息的電子皮膚和在彈性基底上制備了電容型透明可拉伸的碳納米管傳感器，其對壓力和拉力同時有響應(yīng)。Chae 等[15]制備了可以高度拉伸的透明場效應(yīng)晶體管，其結(jié)合了石墨烯/單壁碳納米管電極和具有褶皺的無機(jī)介電層碳納米管網(wǎng)格通道。Gong 等[16]開發(fā)了實用的高靈敏壓阻傳感器，在彈性基底上構(gòu)筑了金納米線薄層和電極陣列。Liao 等[17]研制了柔性可穿戴的葡萄糖傳感器。Bae 等[18]研制了雙層 PDMS 復(fù)合結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了吸附力。

筆者團(tuán)隊依托中科院重點(diǎn)部署項目，針對下一代可穿戴醫(yī)療健康服務(wù)的共性與關(guān)鍵技術(shù)，利用酶電極、納米技術(shù)和柔性微機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)建可穿戴式汗液傳感器，檢測汗液中葡萄糖、乳酸、尿酸、氨基酸和各種離子（如鈉、鉀、鈣、氯離子）等多種健康狀態(tài)辨識指標(biāo)，建立與人體健康相關(guān)指標(biāo)的聯(lián)系。汗液傳感器采用葡萄糖、乳酸、尿酸氧化酶的定向進(jìn)化及納米組裝體設(shè)計，提高葡萄糖、乳酸、尿酸電化學(xué)檢測的靈敏度和穩(wěn)定性；發(fā)展基因密碼子擴(kuò)展方法，設(shè)計篩選對特定生化分子具有特異性的氧化還原酶，通過將氧化還原酶定點(diǎn)特異偶聯(lián)到圖案化高密度金和石墨電極，實現(xiàn)生化信號到電信號的高效轉(zhuǎn)化，提高生物電化學(xué)傳感系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性；葡萄糖、乳酸、氨基酸氧化酶及各種離子檢測手段在可穿戴設(shè)備上的整合，建立陣列式微針酶電極的工藝流程，實現(xiàn)心血管及糖尿病健康管理示范；課題組研制的柔性電極，如圖1所示。

（2）醫(yī)療設(shè)備集成與健康狀態(tài)辨識方面。Kim等[19]分析了穿戴式低功耗心電圖監(jiān)測專用集成電路的設(shè)計。Kmon 和 Grybo?[20]研究了基于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝的低功耗低噪聲多通道神經(jīng)放大器。Muller 等[21]研制了采用 0.5 V 低電壓供電的生理信號采集 IC。Lee 等[22]設(shè)計了基于 Gm-C 結(jié)構(gòu)的低截止頻率濾波器結(jié)構(gòu)，芯片在超低截止頻率和電源噪聲抑制方面有進(jìn)一步的改善。Qian 等[23]分析了應(yīng)用于癲癇病治療的微功率低噪聲神經(jīng)信號檢測記錄前端電路。Chang 等[24]致力于研究低功耗高性能數(shù)字濾波器的設(shè)計。Piwek 等[25]研究可穿戴衣物為患者提供個性化的健康數(shù)據(jù)，協(xié)助自我診斷和干預(yù)。Poon 等[26]分析了大數(shù)據(jù)應(yīng)用背景下的可穿戴傳感器技術(shù)的應(yīng)用前景；McDonald 等[27]系統(tǒng)分析了數(shù)據(jù)與疾病、健康或行為的關(guān)聯(lián)性；Chaussabel 和 Pulendran[28]論述了基于穿戴式數(shù)據(jù)采集的信息應(yīng)用于臨床決策的相關(guān)案例；Rumsfeld 等[29]將相關(guān)的穿戴式數(shù)據(jù)集與智能分析方法應(yīng)用于具體心血管疾病的臨床分析；Eisenstein[30]將基因生物數(shù)據(jù)與健康監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)應(yīng)用相結(jié)合，應(yīng)用于社區(qū)人口的醫(yī)療與康復(fù)實證。

圖1 柔性電極

2.3 當(dāng)前研究領(lǐng)域存在的問題與制約

前述研究工作很大程度上提升了穿戴式人體傳感器網(wǎng)絡(luò)各單項技術(shù)的水平，但是縱觀相關(guān)領(lǐng)域的科研工作，尚存在如下不足：（1）在生物檢測與傳感部分，對材料創(chuàng)新、可獲取的體征參數(shù)的種類和新參數(shù)的研究較多，但是對柔性傳感器的接口電路、符合人體生理學(xué)和工效學(xué)的傳感器優(yōu)化設(shè)計的研究較少，導(dǎo)致樣機(jī)系統(tǒng)在動態(tài)連續(xù)檢測時的效果變差，很多傳感器不能實用。（2）上述研究對傳感器、IC 芯片、電子電路等所有模塊的柔性集成的研究較少。因此，雖然傳感器是高度可柔的，但整個系統(tǒng)的柔性較差或幾乎沒有柔性，使得以人體傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的柔性穿戴式醫(yī)療設(shè)備的稱謂“名不符實”，也導(dǎo)致連續(xù)檢測期間運(yùn)動偽差的增大和穿戴舒適性的降低。（3）對柔性系統(tǒng)進(jìn)行原理驗證的探索研究比較多，但與具體醫(yī)療健康需求相結(jié)合的應(yīng)用研究比較欠缺。

上述 3 個問題嚴(yán)重制約了以人體傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的柔性穿戴式醫(yī)療設(shè)備真正被作為今后基層醫(yī)療、移動醫(yī)療的技術(shù)手段面向大眾的推廣。如何克服和解決這些問題，是該領(lǐng)域內(nèi)具有挑戰(zhàn)性和重要性的一項前沿課題。

3 研究策略建議

人體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是穿戴式醫(yī)療健康設(shè)備在健康管理、隨身健康監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等健康醫(yī)療設(shè)備或解決方案等方面的重要技術(shù)基礎(chǔ)[31]。未來的技術(shù)突破主要集中在人體傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)、核心器件和解決方案，可從以下 4 個方面展開研究，進(jìn)一步為實現(xiàn)可穿戴醫(yī)療健康應(yīng)用提供相應(yīng)的技術(shù)積累。

3.1 圖形化、多模態(tài) MEMS 柔性電極制備技術(shù)

（1）基于人體工效學(xué)原理，優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)形狀。開發(fā)在人體不同狀態(tài)下仍保持良好電學(xué)性能和信號采集性能的傳感器互聯(lián)互通方案，為穿戴式傳感器信號的采集、處理與分析提供安全舒適、穩(wěn)定可靠的體表接口。具體包括研究基于柔性襯底的 MEMS 設(shè)計方法，建立柔性電極結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析優(yōu)化模型?；?MEMS 柔性電極對電生理/化學(xué)/物理等多模態(tài)信號采集方法復(fù)雜度高、難度大，可以采用圖形化高密度電極制備的方法。該方法使用聚合物材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）和金屬金（Au）作為主要結(jié)構(gòu)材料，這種柔性聚合物作為襯底排布高密度微米級金電極陣列，輔以圖形化導(dǎo)線網(wǎng)絡(luò)，起到保護(hù)金屬電路的作用，從而實現(xiàn)良好的柔性、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，最終實現(xiàn)與人體表皮的最優(yōu)接觸。

（2）圖形化、多模態(tài) MEMS 柔性電極制備過程。準(zhǔn)備柔性聚對苯二甲酸乙二酯（PET）基板，采用旋涂法在基板上覆蓋光刻膠，通過光刻將需要鍍金部位的光刻膠刻蝕掉；接下來，采用電子束蒸鍍原理在基板上先后沉積鉻和金（鉻有利于增強(qiáng)金和 PET 基板的結(jié)合）；然后通過有機(jī)溶劑（如丙酮）溶解光刻膠，同時光刻膠上面的鉻和金也隨之剝離基板，只有需要鍍金區(qū)域的鉻和金保留下來；最后清洗基板。相比于傳統(tǒng)柔性電極，基于 MEMS 的柔性電極可以保證電極長期安全穩(wěn)定的工作要求、最大化滿足可控圖形化的需求，以及提高整體器件的拉伸、彎曲、折疊等機(jī)械性能，實現(xiàn)與人體皮膚緊密無創(chuàng)貼合，增加了信號穩(wěn)定性和舒適度，從而可以在皮膚表面實現(xiàn)無不適感覺的長期佩戴測量，具備生物安全性，滿足個性化設(shè)計的需求。同時，通過三維圖形化設(shè)計，降低表面阻抗，增強(qiáng)電極與皮膚貼附性，進(jìn)一步提升信號采集靈敏度。

（3）柔性電極的機(jī)械性能、電學(xué)性能和生物安全性測試。探究各種因素對柔性電極的影響，以及如何改善傳統(tǒng)柔性電極力學(xué)性能和粘連性不足等缺點(diǎn)，以提高柔性電極在復(fù)雜環(huán)境下的貼合程度，提高圖形化 MEMS 電極的信息采集能力。

3.2 高精度參數(shù)提取與設(shè)備柔性集成技術(shù)

（1）高精度多模態(tài)模擬前端生物檢測 IC 芯片設(shè)計技術(shù)的研究。圖形化、多模態(tài)的 MEMS 傳感器，可以在體表測量電生理、力（觸）覺、pH 值、乳酸等多種參數(shù)[32]，對接口電路精度的要求更高，可以研究基于動態(tài)共模反饋的低噪聲低失調(diào)運(yùn)算放大器和基于電流模技術(shù)的高共模抑制比增益可調(diào)的儀表放大器設(shè)計技術(shù)，以及采用全 CMOS 結(jié)構(gòu)設(shè)計高精度低功耗電壓/電流基準(zhǔn)源和全 MOSFET 結(jié)構(gòu)的電源電壓及溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，開發(fā)更高精度和更低功耗的柔性可穿戴醫(yī)療設(shè)備模擬前端芯片，如圖 2 所示。

（2）高精度參數(shù)提取與全柔性微系統(tǒng)集成。首先，結(jié)合自主 IC 和其他功能部件的物理尺寸和空間布局的實際情況，研究高柔性基板/高精密布線的計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，研究根據(jù)柔性襯底和柔性基板的運(yùn)動學(xué)分析進(jìn)行優(yōu)化布局布線的方法；同時，為降低電路系統(tǒng)中數(shù)字電路部分噪聲和熱噪聲對模擬電路的干擾，研究減少噪聲傳播的布局布線多級隔離結(jié)構(gòu)，將干擾盡可能降低。其次，探究柔性襯底和柔性基板的匹配設(shè)計，融合 MEMS 技術(shù)與電子技術(shù)，實現(xiàn)全柔性的微系統(tǒng)集成。最后，針對生理參數(shù)非平穩(wěn)非線性的特點(diǎn)，采用非線性濾波方法，并加入信號質(zhì)量評價，聯(lián)合形態(tài)學(xué)分析和時序分析方法進(jìn)行偽差檢測，剔除污染嚴(yán)重的不可用信號段，達(dá)到準(zhǔn)確可靠地提取多模態(tài)體表信號的目的。

3.3 人體通信技術(shù)

圖2 醫(yī)療設(shè)備模擬前端芯片

（1）基于人體通信原理構(gòu)建穿戴式通信系統(tǒng)。人體通信是以“人”為通信媒介，具有低功耗、安全性高和身體狀態(tài)對信道影響小的優(yōu)點(diǎn)?？梢圆捎萌梭w通信原理構(gòu)建穿戴式通信系統(tǒng)，這與采用藍(lán)牙、Wi-Fi 等常規(guī)方法構(gòu)建 WBSN 有極大不同[33]。利用人體自身在特定頻率下出現(xiàn)的電容耦合現(xiàn)象，進(jìn)行高能效和高保密性的近場無線數(shù)據(jù)傳輸，對提升穿戴式設(shè)備傳輸性能、完善 WBSN理論體系有重要意義。

（2）基于人體生物特征獲取人體信息。基于人體通信的人體生物特征信息傳感技術(shù)是在多個實驗對象的基礎(chǔ)上，選取不同的實驗部位，將人體通信收發(fā)器放置在實驗部位，信號發(fā)生端產(chǎn)生不同頻率、幅度、調(diào)制方式的波形，在接收端記錄相應(yīng)的衰減值。通過建立數(shù)值仿真模型，研究電介質(zhì)變化對信號的影響；通過實驗與仿真相結(jié)合，研究基于人體通信的人體生物特征信息傳感技術(shù)，獲取人體的“生物密碼”。圖 3 所示為人體通信網(wǎng)分層安全管理架構(gòu)。

3.4 穿戴式醫(yī)學(xué)智能技術(shù)

基于醫(yī)學(xué)智能的穿戴式醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)融合處理。在實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)可靠采集及海量數(shù)據(jù)積累的基礎(chǔ)上，開展基于機(jī)器學(xué)習(xí)的柔性可穿戴醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)的融合。對不同來源、不同尺度的多種復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，避免信號中的噪聲及錯誤相互疊加而降低預(yù)測準(zhǔn)確率，實現(xiàn)精確的個性化預(yù)測。研究多數(shù)據(jù)流信息的特征工程與模式匹配、信息融合、一致性及異常檢測，海量非標(biāo)數(shù)據(jù)集的無監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，以及基于柔性穿戴式數(shù)據(jù)集的健康監(jiān)護(hù)應(yīng)用及評估體系，分析穿戴式數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)高維特性和冗余特性；研究基于降維及數(shù)據(jù)嵌入的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，同時考慮穿戴式數(shù)據(jù)集應(yīng)用中的電生理/物理/化學(xué)多模態(tài)傳感數(shù)據(jù)的特性，以及應(yīng)用于健康監(jiān)護(hù)應(yīng)用中的適應(yīng)性；研究具備自適應(yīng)特性的數(shù)據(jù)嵌入降維機(jī)器學(xué)習(xí)計算框架，探討高維可穿戴數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)分析方法與應(yīng)用機(jī)制。

圖3 人體通信網(wǎng)分層安全管理架構(gòu)

4 對未來研究中關(guān)鍵問題的思考

基于人體傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的穿戴式醫(yī)療設(shè)備，必須考慮“人-機(jī)-環(huán)境”三者之間的關(guān)系。

（1）如何充分考慮環(huán)境與人體的“變”與“動”來優(yōu)化核心模塊的可靠性是一個關(guān)鍵科學(xué)問題。穿戴設(shè)備所處的環(huán)境多變，人體自身也基本處于運(yùn)動狀態(tài)，確保柔性設(shè)備總體性能的穩(wěn)定、核心模塊的可靠，是非常重要的。此外，若是可以充分利用這種“變”與“動”，建立理論模型，進(jìn)而研究自適應(yīng)的可靠性提升策略，可為柔性可穿戴醫(yī)療設(shè)備的實際應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

（2）如何在深入理解人體健康信息的基礎(chǔ)上提高柔性可穿戴醫(yī)療設(shè)備的信號采集精度是另一個關(guān)鍵科學(xué)問題。柔性設(shè)備與人體的頻繁接觸不可避免，電極部分更是要受到人體穿戴部位的結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能的影響，信號互擾很嚴(yán)重[34]。如何結(jié)合人體生理學(xué)與工效學(xué)，增加柔性設(shè)備貼附性、增加信號提取的“效率”，至關(guān)重要。同時，人體是一個綜合的整體，如何通過體表多參數(shù)提取的有效組合，彌補(bǔ)單個傳感器的檢測精度的不足，也具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

1 Park Y T, Han D. Current status of electronic medical record systems in hospitals and clinics in Korea. Healthcare Informatics Research, 2017, 23(3): 189.

2 周兵. 基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的可穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究. 北京: 中國科學(xué)院大學(xué), 2014.

3 Chen L Y, Tee B C K, Chortos A L, et al. Continuous wireless pressure monitoring and mapping with ultra-small passive sensors for health monitoring and critical care. Nature Communications,2014, 5: 5028.

4 Peng H, Dang W, Cao J, et al. Topological insulator nanostructures for near-infrared transparent flexible electrodes. Nature Chemistry,2012, 4(4): 281-286.

5 Jandhyala S, Walper S A, Cargill A A, et al. Integration of biochemical sensors into wearable biomaterial platforms. SPIE Commercial + Scientific Sensing and Imaging. 2016, 9863: 1-6.

6 Selvam A P, Muthukumar S, Kamakoti V, et al. A wearable biochemical sensor for monitoring alcohol consumption lifestyle through Ethyl glucuronide (EtG) detection in human sweat.Scientific Reports, 2016, 6: 1-9.

7 Zheng Y L, Ding X R, Poon C C Y, et al. Unobtrusive sensing and wearable devices for health informatics. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 2014, 61(5): 1538-1554.

8 Raj P, Raman A, Nagaraj D, et al. High-Performance Big-Data Analytics. Switzerland: Springer International Publishing, 2015:391: 424.

9 Laschi C, Mazzolai B, Cianchetti M. Soft robotics: Technologies and systems pushing the boundaries of robot abilities. Science Robotics, 2016, 1(1): 1-11.

10 Ryu S, Lee P, Chou J B, et al. Extremely elastic wearable carbon nanotube fiber strain sensor for monitoring of human motion. ACS Nano, 2015, 9(6): 5929.

11 Yugandhar G, Rao G V, Rao K S. Modeling and simulation of piezoelectric MEMS sensor. Materials Today Proceedings, 2015,2(4-5): 1595-1602.

12 Yamada T, Hayamizu Y, Yamamoto Y, et al. A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection. Nature Nanotechnology, 2011, 6(5): 296-301.

13 Tee B C, Chortos A, Berndt A, et al. A skin-inspired organic digital mechanoreceptor. Science, 2015, 350(6258): 313-316.

14 Lipomi D J, Vosgueritchian M, Tee B C, et al. Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes. Nature Nanotechnology. 2011, 6(12): 788-792.

15 Chae S H, Yu W J, Bae J J, et al. Transferred wrinkled Al2O3for highly stretchable and transparent graphene-carbon nanotube transistors. Nature Materials, 2013, 12(5): 403-409.

16 Gong S, Schwalb W, Wang Y, et al. A wearable and highly sensitive pressure sensor with ultrathin gold nanowires. Nature Communications, 2014, 5(2): 3132.

17 Liao C, Mak C, Zhang M, et al. Flexible organic electrochemical transistors for highly selective enzyme biosensors and used for saliva testing. Advanced Materials, 2015, 27(4): 676-681.

18 Bae W G, Kim D, Kwak M K, et al. Enhanced skin adhesive patch with modulus-tunable composite micropillars. Advanced Healthcare Materials, 2013, 2(1): 109.

19 Kim H, Yazicioglu R F, Kim S, et al. A configurable and low-power mixed signal SoC for portable ECG monitoring applications. Vlsi Circuits, 2011, 8(2): 142-143.

20 Kmon P, Grybo? P. Energy efficient low-noise multichannel neural amplifier in submicron CMOS process. IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers, 2013, 60(7): 1764-1775.

21 Muller R, Gambini S, Rabaey J M. A 0.013 mm25 μW DC-coupled neural signal acquisition IC with 0.5 V supply. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2012, 47(1): 232-243.

22 Lee Y C, Hsu W Y, Huang T T, et al. A compact Gm-C filter architecture with an ultra-low corner frequency and high groundnoise rejection. Biomedical Circuits and Systems Conference,2013, 12(4): 318-321.

23 Qian C, Parramon J, Sanchez-Sinencio E. A micropower low-noise neural recording front-end circuit for epileptic seizure detection.IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2011, 46(6): 1392-1405.

24 Chang C H, Molahosseini A S, Zarandi A A E, et al. Residue number systems: A new paradigm to datapath optimization for low-power and high-performance digital signal processing applications. IEEE Circuits & Systems Magazine, 2015, 15(4): 26-44.

25 Piwek L, Ellis D A, Andrews S, et al. The rise of consumer health wearables: Promises and barriers. PLoS Medicine. 2016, 13(2):1-9.

26 Poon C, Lo B, Yuce M, et al. Body sensor networks: in the era of big data and beyond. IEEE Reviews in Biomedical Engineering,2015, 8: 4-16.

27 McDonald D, Glusman G, Price N D. Personalized nutrition through big data. Nature Biotechnology, 2016, 34(2): 152-154.

28 Chaussabel D, Pulendran B. A vision and a prescription for big data-enabled medicine. Nature Immunology, 2015, 16(5): 435-439.

29 Rumsfeld J S, Joynt K E, Maddox T M. Big data analytics to improve cardiovascular care: promise and challenges. Nature Reviews Cardiology, 2016, 13(6): 350.

30 Eisenstein M. Big data: The power of petabytes. Nature, 2015,527(7576): 2-4.

31 邱明林. 基于人體傳感網(wǎng)的穿戴式遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn). 杭州: 浙江大學(xué), 2013.

32 宋軼琳, 林楠森, 姜紅, 等. 納米鉑黑修飾微電極陣列在神經(jīng)電生理檢測中的應(yīng)用研究. 東南大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版）, 2011,30(1): 29-32.

33 冷騰飛, 聶澤東, 王磊. 人體通信信道測試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn).傳感器與微系統(tǒng), 2012, 31(11): 17-19.

34 許鵬俊. 用于體表心電監(jiān)測的紡織結(jié)構(gòu)電極與皮膚之間機(jī)械作用分析及動態(tài)噪音研究. 上海: 東華大學(xué), 2012.

Wearable Body Sensor Network

Han Shipeng Olatunji Mumini Omisore Wang Lei
（Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China）

Aside the fact that monitoring, obtaining, and processing of health information remain the prominent way to assessing human health status, it has also been an important means for effective prevention and treatment of diseases. Emergence of wearable body sensor network(WBSN) is a way to achieve health tracking process and intelligent services required for dynamic monitoring of human information. Based on analysis of the present situation and research status of wearable human sensor, this paper presents a systematic review on the core technology of WBSN that would be of great impact in health diagnosis and diseases prevention. Finally, based on the wearable medical device and sensor network technology, two scientific questions regarding “man-machine-environment” are presented. One is the strategy or method to solve the core technology of WBSN and the other is WBSN based wearable medical device.

human health, intelligent services, wearable, body sensor networks

韓世鵬 中科院深圳先進(jìn)技術(shù)院研究助理。主要從事柔性傳感器和醫(yī)用機(jī)器人等方面的研究。參與了國家自然科學(xué)基金、中科院重點(diǎn)部署等科研項目。發(fā)表論文 4 篇。E-mail: sp.han@siat.ac.cn

Han Shipeng Research Assistant at the Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences (CAS). His research focus includes flexible sensors and medical robots. He has participated in several projects supported by National Natural Science Foundations of China, Key Deployment of CAS, and other research projects. He has authored/co-authored 4 research papers. E-mail: sp.han@siat.ac.cn

王 磊 中科院深圳先進(jìn)技術(shù)院醫(yī)工所副所長、微創(chuàng)中心主任、院紀(jì)委委員，研究員。榮獲中科院“百人計劃”、中科院王寬誠率先人才計劃、廣東省科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、深圳市政府特殊津貼等多種榮譽(yù)。主要從事人體傳感器網(wǎng)絡(luò)（BSN）技術(shù)、可穿戴技術(shù)及醫(yī)用機(jī)器人等方面的研究，主持和參與了國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項、國家“863”計劃等重大科研項目。累計發(fā)表科研論文 200 余篇，其中 SCI / EI / ISTP 索引150 余篇；出版專著和專著章節(jié)10部。E-mail: wang.lei@siat.ac.cn

Wang Lei Deputy Director at Institutes of Biomedical and Health Engineering, and Director of Center for Medical Robotics and Minimally Invasive Surgical Devices, both at Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences (CAS). His research focus includes body sensor networks, medical robots, and wearable technologies. He has presided over and participated in major scientific research projects such as the Key National Natural Science Foundation of China, Major National Science and Technology Projects, and National “863”Program Project. He has authored/co-authored over total of 200 scientific papers, including more than 150 SCI/EI/ISTP indexed articles, 10 monographs. E-mail: wang.lei@siat.ac.cn

*資助項目：國家自然科學(xué)基金項目（U1505251），中科院重點(diǎn)部署項目（KFZDSW-2 14）

**通訊作者

修改稿收到日期：2017年11月30日