人體局域網(wǎng)(BAN)解析 - 全文

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　　人體局域網(wǎng)(BAN)通常被看作是應(yīng)對(duì)醫(yī)療保健費(fèi)用劇增以及醫(yī)療服務(wù)提供商匱乏的一種解決方案，無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)組織和IEEE都在研發(fā)BAN技術(shù)。近幾年，無(wú)線(xiàn)人體局域網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)解決了偏遠(yuǎn)地區(qū)患者的監(jiān)護(hù)問(wèn)題。降低醫(yī)療成本的需求以及人們對(duì)疾病預(yù)防和早期疾病檢測(cè)關(guān)注度的提高，都是BAN不斷發(fā)展的推動(dòng)力。

　　一些市場(chǎng)研究報(bào)告預(yù)計(jì)，由于用于患者監(jiān)護(hù)和消費(fèi)類(lèi)醫(yī)療保健的穿戴式及植入型醫(yī)用設(shè)備的發(fā)展，2011年以前對(duì)BAN器件的需求將會(huì)達(dá)到每年1億顆。

　　由于許多地區(qū)都存在人口老齡化問(wèn)題，醫(yī)療監(jiān)護(hù)將扮演重要的角色，特別是在那些臨床醫(yī)生緊缺的國(guó)家。這種系統(tǒng)可對(duì)老年患者身體狀況實(shí)施持續(xù)監(jiān)測(cè)，將信息與遠(yuǎn)處的醫(yī)療服務(wù)提供商共享，可以更好地滿(mǎn)足醫(yī)療保健需求。利用這種系統(tǒng)，醫(yī)療及老年人監(jiān)護(hù)服務(wù)提供商可以為那些患有慢性疾病的老年人提供服務(wù)，讓他們可以活得更長(zhǎng)壽。

　　BAN是一些極為小型的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)，可支持大量的醫(yī)療應(yīng)用，從各種生命體征的追蹤到對(duì)移植設(shè)備工作情況的監(jiān)控，以及完成高水準(zhǔn)的內(nèi)窺鏡檢查。

　　傳統(tǒng)的患者監(jiān)護(hù)由許多生理傳感器組成。這些傳感器連接患者身體和一個(gè)安裝在附近的專(zhuān)用信號(hào)處理單元，周?chē)性S多笨拙不便的連接線(xiàn)。這些連接線(xiàn)限制了患者的活動(dòng)范圍，也影響了患者的舒適性。一些研究報(bào)告表明，這些連接線(xiàn)正是醫(yī)院疾病傳染的來(lái)源。另外，這些連線(xiàn)的晃動(dòng)還會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

　　隨著低功耗、低成本無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以實(shí)施和部署B(yǎng)AN，成為上述傳統(tǒng)技術(shù)的一種補(bǔ)充。

　　我們可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝到患者身體表面或者周?chē)?，也可以靜態(tài)地植入到人體組織中，從而實(shí)現(xiàn)特定生理數(shù)據(jù)的收集。這樣，不管患者身在何處，我們都可以持續(xù)地監(jiān)控患者的健康狀況。這些收集來(lái)的信號(hào)可用于腦電圖(EEG)、心電圖(EKG)、肌電圖(EMG)、表皮溫度、皮膚電傳導(dǎo)和眼動(dòng)電圖(EOG)。

　　所有傳感器將采集到的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給位于患者身上或者床邊的一個(gè)外部處理器。之后，處理器通過(guò)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(例如：以太網(wǎng)、Wi-Fi或者GSM)，將所有信息實(shí)時(shí)地發(fā)送給醫(yī)生使用的設(shè)備或者某臺(tái)指定的服務(wù)器。BAN使用的傳感器一般會(huì)要求指定其重要生理參數(shù)的精度，低功耗信號(hào)處理的水平，并要求具備無(wú)線(xiàn)連接功能。

　　某些情況下，傳感器會(huì)成為收發(fā)器或者接收器，具體取決于所采集數(shù)據(jù)的帶寬—例如，溫度或者心率數(shù)據(jù)與模擬EKG波形的對(duì)比。

　　BAN中使用的傳感器主要有兩大類(lèi)，具體使用哪一類(lèi)取決于其工作模式。

　　穿戴式BAN所使用的傳感器，一般貼在人體表面，或者植入人體淺層，用于短期監(jiān)測(cè)(14天以?xún)?nèi))。這些傳感器一般都非常昂貴，重量較輕，體積很小，可以實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)式健康監(jiān)測(cè)。醫(yī)療提供商利用這些傳感器，幾乎可以實(shí)時(shí)地了解患者的健康狀況。

　　植入式BAN使用的傳感器安裝在人體較深區(qū)域，例如：心臟、大腦和脊髓等。植入式BAN同時(shí)擁有主動(dòng)刺激和生理監(jiān)測(cè)功能，是一些慢性疾病監(jiān)測(cè)的理想選擇。到目前為止，這些慢性疾病只能使用藥物治療。植入式BAN治療的例子包括帕金森病的深度腦刺激、慢性疼痛脊髓刺激，以及尿失禁膀胱刺激等。

　　理解BAN要求是在該領(lǐng)域進(jìn)行可靠產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。BAN的特點(diǎn)是易配置、低成本、超低功耗和高可靠的傳感器系統(tǒng)。它的包裝和工作運(yùn)行必須是無(wú)菌的，以用于人體周?chē)蛘邇?nèi)部。另外，無(wú)線(xiàn)通信必須足夠健壯，以經(jīng)受各種環(huán)境的RF干擾，例如：Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、微波爐和無(wú)繩電話(huà)等。

　　BAN節(jié)點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)

　　BAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)包括：

　　外形尺寸 體積和重量對(duì)BAN傳感器尤為重要，因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懟颊叩氖孢m性。節(jié)點(diǎn)面積和重量越小，它對(duì)患者活動(dòng)的限制就越小。但是，它必須同其他要求一起進(jìn)行權(quán)衡，例如：傳感器信噪比、抗噪性能和無(wú)線(xiàn)通信鏈接天線(xiàn)的效率等。由于各大公司都在根據(jù)客戶(hù)的應(yīng)用進(jìn)行BAN設(shè)計(jì)，因此用戶(hù)友好和可靠性便成為增加用戶(hù)接受度的重要因素。

　　功耗與流耗 電池使用時(shí)間是BAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。頻繁更換電池或者充電，對(duì)穿戴式節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)并不理想，對(duì)許多植入式節(jié)點(diǎn)而言更是不可接受的。傳感器與通信忙閑度以及超級(jí)再生無(wú)線(xiàn)電接收器的使用，帶來(lái)更長(zhǎng)的工作時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)了電池自主性。一些設(shè)計(jì)師正關(guān)注能源采集技術(shù)領(lǐng)域取得的許多新進(jìn)展，想要通過(guò)這些技術(shù)延長(zhǎng)其BAN產(chǎn)品的工作壽命。

　　可靠性 在進(jìn)行醫(yī)療器件和應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)必須要能夠提供足夠高的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性。患者的安全程度取決于傳感和無(wú)線(xiàn)傳輸層BAN系統(tǒng)的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

　　安全性 BAN節(jié)點(diǎn)必須有足夠的安全措施，以保護(hù)患者個(gè)人隱私和防止黑客入侵。

　　智能 本地信號(hào)處理能力的大小，決定了智能程度的高低;所需信號(hào)處理算法的靈活程度，決定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的多少，以及采集信號(hào)的帶寬。由于嵌入式微處理器的功耗不斷降低，節(jié)點(diǎn)正變得越來(lái)越智能。

　　今天，我們可以使用多種無(wú)線(xiàn)連接標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)施BAN技術(shù)，例如：藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi、ANT或者低功耗藍(lán)牙等。然而，這些無(wú)線(xiàn)連接標(biāo)準(zhǔn)制定之初并非為BAN技術(shù)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)。

　　我們還可以使用各廠(chǎng)商提供的專(zhuān)有解決方案來(lái)實(shí)施BAN系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)通常都使用不同的工作頻率(取決于各個(gè)國(guó)家)，且不可通用。另一方面，相比公共無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，專(zhuān)有解決方案允許BAN專(zhuān)為滿(mǎn)足一些特定需求而定制，因而擁有更好的特性，例如低功耗等。

　　為了開(kāi)發(fā)出一種適合BAN應(yīng)用的低功耗器件優(yōu)化型通信標(biāo)準(zhǔn)，IEEE于2007年成立了IEEE802.15工作組6(BAN)，目的是開(kāi)發(fā)IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)。相比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.15.6擁有許多優(yōu)勢(shì)：它側(cè)重于短距離、低成本、低功耗和低實(shí)施復(fù)雜度。IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理(PHY)層、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)協(xié)議和安全層進(jìn)行了定義。

　　IEEE802.15.6架構(gòu)

　　它由一個(gè)PHY層和一個(gè)公共MAC及安全層組成。PHY層被分為三個(gè)頻帶，目的是滿(mǎn)足醫(yī)療和消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的不同數(shù)據(jù)速率要求：窄頻帶、超寬頻帶和人體通信頻帶。它的目標(biāo)通信距離為3米，支持100kbps到1Mbps之間的各種數(shù)據(jù)速率，最大耗電量為3mA。MAC協(xié)議控制可訪(fǎng)問(wèn)該信道。

　　該標(biāo)準(zhǔn)還定義了三個(gè)安全等級(jí)：0級(jí)--非安全通信;1級(jí)--需身份認(rèn)證;2級(jí)--同時(shí)需要身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)加密。

　　推動(dòng)無(wú)線(xiàn)BAN技術(shù)加速發(fā)展的因素有很多，其中之一便是IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)。在低功耗和低成本CMOS無(wú)線(xiàn)電技術(shù)不斷發(fā)展，以及人們要求獲得越來(lái)越多信息的情況下，BAN市場(chǎng)預(yù)計(jì)會(huì)急劇增長(zhǎng)。

　　未來(lái)，醫(yī)療保健應(yīng)用仍然會(huì)是BAN技術(shù)發(fā)展的重要推動(dòng)因素。不過(guò)，隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，還會(huì)出現(xiàn)其他一些諸如工業(yè)和農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等新興應(yīng)用。