專家揭秘：人體傳感網(wǎng)絡(luò)知多少？ - 全文

　　人體傳感網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景

　　隨著“預(yù)防為主”的觀念深入人心，對(duì)健康信息的遠(yuǎn)程采集和處理是早發(fā)現(xiàn)、早診斷和早干預(yù)的必備手段；其次，為實(shí)現(xiàn)不影響人正常生理活動(dòng)情況下的連續(xù)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)的有線逐步趨向無(wú)線化；再者，隨著監(jiān)測(cè)設(shè)備向微尺度和長(zhǎng)時(shí)間跨度發(fā)展，創(chuàng)新的傳感方法與手段必不可少。鑒于此，人體傳感網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)背景下應(yīng)運(yùn)而生，成為醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)及泛在網(wǎng)（注：廣泛存在的網(wǎng)絡(luò)）的“末梢”，助力解決健康與信息化.

　　什么是人體傳感網(wǎng)絡(luò)？

　　人體傳感網(wǎng)絡(luò)：body sensor network，簡(jiǎn)稱BSN。BSN以身體為中心，并集成生物傳感器、醫(yī)學(xué)電子學(xué)、多傳感器分析與數(shù)據(jù)融合、人工智能、普適傳感、無(wú)線通信和其他創(chuàng)新應(yīng)用等多學(xué)科知識(shí)。BSN充分發(fā)揮無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)健康全過程的跟蹤與服務(wù)，是低成本健康的發(fā)展方向之一。BSN主要特色是采集與互聯(lián)互通。

　　圖 BSN組成部分

　　誰(shuí)在研究BSN？

　　在2013年深圳醫(yī)療電子技術(shù)大會(huì)上，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院深圳低成本健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王磊先生為我們介紹到，歐美走在BSN研究的前列。

　　UC Berkeley較早從事BSN研究，設(shè)計(jì)了專用平臺(tái)以及針對(duì)BSN的TinyOS操作系統(tǒng)；MIT的Media Lab、英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)研制、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)和歐洲IMEC在BSN研究上均有其各自的造詣。而國(guó)內(nèi)有中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、香港中文大學(xué)、清華大學(xué)微電子所等在與BSN相關(guān)的傳感器和系統(tǒng)應(yīng)用方面進(jìn)行了深入的研究。據(jù)王磊先生介紹，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院設(shè)計(jì)了用于BSN的“三低”醫(yī)學(xué)芯片，開發(fā)了改進(jìn)型的BSN平臺(tái)，并使用BSN平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)能量評(píng)估和生物反饋調(diào)節(jié)方面開展了工作，同時(shí)對(duì)BSN新型通信方式“人體通信”進(jìn)行深入探究。

　　研究熱點(diǎn)和最新發(fā)展趨勢(shì)

　　圍繞BSN的研究熱點(diǎn)，業(yè)界開展了相應(yīng)的科研和產(chǎn)業(yè)化工作，總體上來(lái)說(shuō)，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　?。?）傳感器方面，研發(fā)電子織物和非接觸電極等新型傳感技術(shù)；

　?。?）在能量收獲，即利用人體自身的機(jī)械運(yùn)動(dòng)能或是溫度梯度能給BSN節(jié)點(diǎn)供能等方面開始了嘗試性的工作；

　?。?）針對(duì)BSN語(yǔ)義學(xué)模型開展研究，集中在STSOM、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等數(shù)學(xué)工具的運(yùn)用上；

　?。?）采用單晶集成的方式，研制適用于BSN的低頻率低噪聲低功耗的醫(yī)學(xué)集成電路芯片；

　?。?）無(wú)線通信方面，集中在利用人體通信的傳輸模式的機(jī)理探討和技術(shù)開發(fā)；

　　BSN涉及的通信協(xié)議和關(guān)鍵技術(shù)

　　王磊先生以中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院自主研制的三代人體傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)為例，為我們展述了BSN涉及的重要組成部分和關(guān)鍵技術(shù)。

　　模塊組成

　?。?）微型天線、基站板、無(wú)線充電等功能模塊；

　?。?）呼吸、心電、血氧、脈率等生理參數(shù)測(cè)量節(jié)點(diǎn)；

　　（3）集成加速度、角速度、磁力計(jì)的九自由度慣性測(cè)量節(jié)點(diǎn)；

　　總體而言，硬件系統(tǒng)具有小型化、低功耗、低成本的特點(diǎn)。

　　人體傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)臺(tái)（SDK）包括：開發(fā)板軟件、無(wú)線通信協(xié)議、基帶設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)接口定義。主要技術(shù)指標(biāo)：無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)50kbps；數(shù)據(jù)收發(fā)率為10kbPs；互聯(lián)互通協(xié)議。BSN通信協(xié)議如圖所示：

　　圖 BSN通信協(xié)議

　　關(guān)鍵技術(shù)分析

　　BSN涉及到醫(yī)學(xué)集成電路芯片、IP模塊和人體通信等關(guān)鍵技術(shù)。王磊先生對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)的解答。

　　關(guān)鍵技術(shù)（1）：醫(yī)學(xué)集成電路芯片和IP模塊

　　集成電路設(shè)計(jì)具有全集成、低功耗、低成本、高性能、可配置以及微型化醫(yī)學(xué)集成電路芯片等突破性技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

　　三代人體傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)采用低頻率、低噪聲、低功耗（“三低”）設(shè)計(jì)方法，單晶集成多生命體征信號(hào)放大、濾波、處理、電源管理功能。三代人體傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)展示如下圖所示：

　　圖 三代人體傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)展示

　　關(guān)鍵技術(shù)（2）：人體通信

　　傳統(tǒng)通信理論將人體作為一個(gè)干擾源，在BSN中，為實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷高可靠性的生命信息提取，需要將人體作為一個(gè)傳輸媒介，研究人體通道的信息傳輸機(jī)理；

　　在“真實(shí)浮地”環(huán)境下進(jìn)行了大量在體實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真，闡明了載波頻率（30MHz）、調(diào)制方式和數(shù)據(jù)率（BPSK、1-10MSps）、能耗參數(shù)（1nJ/bit）、傳輸距離與安全性（Capacitive Coupling，1m）、組織與信道關(guān)系、運(yùn)動(dòng)與信道關(guān)系、體征參數(shù)與信道的相互作用等因素，為下一代BSN的通信機(jī)制研究提供理論基礎(chǔ)。

　　圖 “真實(shí)浮地”環(huán)境下的人體信道衰減與傳輸距離關(guān)系

　　王磊先生表示，針對(duì)人體通信的動(dòng)態(tài)傳播信道進(jìn)行詳盡的在體實(shí)驗(yàn)研究，表明人體通信對(duì)運(yùn)動(dòng)的不敏感性，這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)為目前運(yùn)動(dòng)中BSN通信鏈路不穩(wěn)定的問題提供了一種有效的解決方案。

　　以心腦血管事件評(píng)估為例，王磊先生再次強(qiáng)調(diào)BSN是人體生命信息動(dòng)態(tài)檢測(cè)最直接和最可靠的手段之一。

　　針對(duì)心腦血管事件發(fā)生發(fā)展機(jī)理的研究需要影像、生化、基因、生命體征等多模態(tài)健康信息，其中生命信息動(dòng)態(tài)檢測(cè)與心腦血管功能的評(píng)估尤為密切，表現(xiàn)在：

　?。?）血壓動(dòng)態(tài)變化是導(dǎo)致易損斑塊脫落的重要誘導(dǎo)因子；

　?。?）ST-T段心電圖異常是早期冠心病診斷的重要指標(biāo)；

　?。?）心率變異性是預(yù)測(cè)心律失常發(fā)生和持續(xù)的重要因素；

　?。?）夜間呼吸率異常是COPD等事件的重要風(fēng)險(xiǎn)因子；

　?。?）日間運(yùn)動(dòng)信息是評(píng)估中風(fēng)導(dǎo)致偏癱預(yù)后的重要手段。

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