導(dǎo)入人體區(qū)域網(wǎng)路技術(shù)，醫(yī)療系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)控 - 全文

　　智能醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)突破。隨著人體區(qū)域網(wǎng)路技術(shù)規(guī)范IEEE 802.15.6底定，新一代醫(yī)療照護(hù)系統(tǒng)將可以無(wú)線方式，將人體各部位穿戴式傳感器所測(cè)量到的生理信號(hào)，傳送至醫(yī)院伺服器并儲(chǔ)存，從而提供即時(shí)遠(yuǎn)端監(jiān)控與病患生理狀態(tài)分析等智能功能。

　　隨著全球人口老化及慢性病患人口增加，遠(yuǎn)端居家照護(hù)成為先進(jìn)國(guó)家醫(yī)療發(fā)展的重要議題?，F(xiàn)階段，生理參數(shù)量測(cè)技術(shù)已出現(xiàn)重大進(jìn)步，透過(guò)結(jié)合可攜式傳感裝置與人體區(qū)域網(wǎng)路（Body Area Network， BAN），醫(yī)療人員將可持續(xù)性監(jiān)控與分析病患生理信號(hào)，給予病患正確健康指導(dǎo)、諮詢與追蹤；同時(shí)有效降低醫(yī)療資源浪費(fèi)，并改善醫(yī)療品質(zhì)。

　　人體區(qū)域網(wǎng)路技術(shù)助力　現(xiàn)代醫(yī)療系統(tǒng)功能升級(jí)

　　傳統(tǒng)醫(yī)療照護(hù)需要醫(yī)護(hù)人員不定時(shí)監(jiān)察病患傳感器的生理信號(hào)，使得護(hù)理人員疲于奔命?，F(xiàn)代醫(yī)療照護(hù)系統(tǒng)透過(guò)人體區(qū)域網(wǎng)路技術(shù)，能讓護(hù)理人員即時(shí)遠(yuǎn)端監(jiān)控與分析病患的生理信號(hào)，假若病患出現(xiàn)病危狀況，醫(yī)護(hù)人員也可即時(shí)得知并做出危急處理。

　　人體區(qū)域網(wǎng)路由多個(gè)傳感器（EEG、ECG等）組成，分布在病患身體上收集和傳送生理信號(hào)（圖1）。所有傳感器的生理信號(hào)由連結(jié)傳感器（手錶或其他攜帶式裝置）匯集，并透過(guò)外部無(wú)線網(wǎng)路（WLAN、WWAN）將病患的生理信號(hào)傳送至醫(yī)院伺服器并儲(chǔ)存。讓醫(yī)護(hù)人員能即時(shí)監(jiān)控與分析病患的生理信號(hào)，達(dá)到降低醫(yī)療資源使用的目的。

　　圖1 人體醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)路示意圖

　　人體區(qū)域網(wǎng)路可應(yīng)用于人體生理信號(hào)監(jiān)測(cè)或多媒體娛樂(lè)等近身無(wú)線傳感技術(shù)，目前IEEE 802.15.6 Task Group已著手制定人體區(qū)域網(wǎng)路規(guī)范，并定義叁種實(shí)體層方式，包括窄頻（Narrow Band）、超寬頻（Ultra Wideband， UWB）及人體通訊（HBC）。

　　其中，人體通訊使用人體通道傳輸做為實(shí)體層媒介，可降低傳輸功耗，因而其能源效率較窄頻及超寬頻更具優(yōu)勢(shì)。為增加可攜帶性和節(jié)省電源替換成本，必須使用輕薄短小的薄膜電池，或利用能源收集再生（Energy Harvesting）方式提供電力，甚至以回收接收無(wú)線信號(hào)的能量進(jìn)一步供給電力。因此，超低能源消耗是無(wú)線人體通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的關(guān)鍵重點(diǎn)，以延長(zhǎng)電池生命周期。

　　然而，人體通訊的通道響應(yīng)具電容特性，會(huì)隨著穿戴者的年齡、身高體重、姿勢(shì)、電極幾何設(shè)計(jì)有所差異，及人體周遭環(huán)境而影響通道變化。

　　由于人體通訊係以人體為通訊媒介，藉由靜電耦合（Electrostatic Coupling）的方式傳輸，因此，其系統(tǒng)僅需復(fù)雜度低的數(shù)字電路與電極片（取代天線）來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，傳送端以數(shù)字電壓信號(hào)輸入至電極片，在體表上轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)傳導(dǎo)；當(dāng)接收端電極片感應(yīng)到電場(chǎng)，就能轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)進(jìn)行接收，要注意的是，人體與傳感器皆須接地才能產(chǎn)生回路。

　　數(shù)字電路打造人體通訊系統(tǒng)

　　人體通訊機(jī)制運(yùn)作流程中，首先係以IEEE 802.15.6規(guī)范，定義人體通訊實(shí)體層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Physical-layer Protocol Data Unit， PPDU）的幀結(jié)構(gòu)，由前導(dǎo)序列（Preamble）、幀起始符號(hào)（Start Frame Delimiter， SFD）/速率指標(biāo)（Rate Indicator， RI）、實(shí)體層標(biāo)頭（PHY Header），以及實(shí)體層資料負(fù)載（PHY Payload）所組成。實(shí)體層資料負(fù)載則是由媒體存取控制標(biāo)頭（MAC Header）、媒體存取控制資料負(fù)載（MAC Payload）和幀檢查順序（Frame　Check　Sequence， FCS）所組成（圖2）。

　　圖2 人體通訊幀結(jié)構(gòu)圖

　　人體通訊系統(tǒng)以數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，實(shí)體層協(xié)議數(shù)據(jù)皆是Gold序列編碼產(chǎn)生。再經(jīng)過(guò)頻率位移碼（Frequency Shift Code， FSC）升頻后，輸入至電極片傳送；而頻率位移碼使用重復(fù)［0 1］編碼，其中展頻因子（Spreading Factor， SF）決定重復(fù)的次數(shù)。假設(shè)頻率位移碼使用［0 1］，則SF為2；依此類推，頻率位移碼使用［0 1 0 1］，SF即為4。

　　如圖3所示，人體通訊傳送端由傳送端暫存器、前導(dǎo)序列產(chǎn)生器、幀起始符號(hào)產(chǎn)生器、標(biāo)頭產(chǎn)生器、攪散器（Scrambler）、串行轉(zhuǎn)并行（Serial-to-Parallel， S2P）、頻率選擇性展頻器（Frequency-selective Spreader）、領(lǐng)航產(chǎn)生器及多工器所組成。所有產(chǎn)生的傳送信號(hào)依序經(jīng)由多工器切換輸入至電極。

　　圖3 人體通訊傳送端架構(gòu)圖

　　前導(dǎo)序列做為接收端同步使用，每一個(gè)前導(dǎo)序列由四個(gè)64位元Gold序列，經(jīng)過(guò)頻率位移碼展頻為四個(gè)長(zhǎng)度512位元的序列（圖4）；其中SFD/RI與PHY Header也須藉由頻率位移碼進(jìn)行調(diào)變。當(dāng)接收封包時(shí)，接收端靠著前導(dǎo)序列偵測(cè)封包，再利用幀起始符號(hào)偵測(cè)幀起始點(diǎn)。

　　圖4 前導(dǎo)序列產(chǎn)生器運(yùn)作示意圖

　　如表1所示，透過(guò)不同時(shí)序位移顯示傳送封包資料速率，接收端不須參考實(shí)體層標(biāo)頭，即得知封包資料速率，幀起始符號(hào)與速率指標(biāo)架構(gòu)則根據(jù)資料封包速率決定幀起始符號(hào)的時(shí)序位移，將24位元填滿時(shí)序位移。

　　另一方面，實(shí)體層標(biāo)頭資料以32位元表示資料傳輸率、領(lǐng)航配置資訊、同步形式、資料負(fù)載長(zhǎng)度，及CRC8等封包相關(guān)資訊。為防止因時(shí)鐘偏移（Clock Drift）影響同步，領(lǐng)航序列插入于實(shí)體層資料負(fù)載結(jié)構(gòu)，而領(lǐng)航序列周期會(huì)以3位顯示在實(shí)體層標(biāo)頭的領(lǐng)航資訊中（表2）。

　　實(shí)體層資料負(fù)載須經(jīng)過(guò)傳輸資料串行轉(zhuǎn)并行與頻率選擇性展頻器處理產(chǎn)生，且頻率選擇性展頻器處理由正交碼與頻率位移碼組成，如圖5所示。其中S2P方塊是以4位元為一個(gè)符元轉(zhuǎn)換成并行資料。

　　圖5 實(shí)體層資料負(fù)載處理流程圖

　　建立人體通訊通道模型　掌握頻率響應(yīng)與信噪比

　　在人體通訊系統(tǒng)中，資料透過(guò)電極以電壓信號(hào)感應(yīng)人體方式傳送，因而產(chǎn)生頻率響應(yīng)與噪音。尤其人體為非導(dǎo)體，電壓信號(hào)振幅將依此衰減，且電壓信號(hào)還會(huì)因人體具有電容特性而產(chǎn)生相位差，所以每位使用者身高體重有所差異，就擁有各自不同的頻率響應(yīng)。

　　許多電器裝置產(chǎn)生的電磁波輻射干擾人體通訊，亦將于人體中產(chǎn)生噪聲，統(tǒng)計(jì)特性成高斯分布。也因此，建立人體通訊通道模型，從而掌握資訊傳導(dǎo)特性，對(duì)人體通訊系統(tǒng)而言相當(dāng)重要。人體通訊使用近場(chǎng)耦合，兩耦合媒介介于傳送端與接收端之間（空氣與身體），兩個(gè)媒介距離定義表示如圖1所示；人體通道響應(yīng)方程式（1）、（2）、（3）分別表示為：

　　。。。。。。。。（1）

　　其中，hR（t）表示為參考通道脈沖響應(yīng)，Ch表示為系數(shù)，相關(guān)于接地平面大小與傳送端和接收端之間距離。

　　。。。。。。。。（2）

　　Av表示為信號(hào)損失波動(dòng)系數(shù)，成高斯分布表示為Av N（1， 0.162）。A、tr、t0、xc為常數(shù)（表3），Ch如方程式（3）所示：

　　。。。。。。。。（3）

　　其中，GT和GR分別表示為傳送端與接收端之接地平面大小，dair和dbody分別表示為空氣媒介與身體媒介中傳送端至接收端之最短距離，單位皆為平方公分（cm2）。參數(shù)于此通道模型限制如方程式（4）：

　　。。。。。。。。（4）

　　實(shí)際人體通道量測(cè)架構(gòu)如圖1所示，傳接收電極各放于左右手掌，并發(fā)送脈沖訊號(hào)，經(jīng)過(guò)人體傳導(dǎo)后接收。圖6為量測(cè)結(jié)果，顯示人體通道脈沖響應(yīng)因人體為非導(dǎo)體特性造成信號(hào)振幅衰減。而通道傳輸延遲極小，因此多重路徑傳播效應(yīng)之干擾也幾乎可以忽略。

　　圖6 人體實(shí)際量測(cè)通道脈衝響應(yīng)分析

　　利用先進(jìn)演算法　優(yōu)化人體通訊接收機(jī)設(shè)計(jì)

　　由于人體通訊資料傳輸系統(tǒng)採(cǎi)用非同調(diào)編碼技術(shù)（Non-coherent Modulation），再加上操作頻段極低，因此接收端不須進(jìn)行頻率同步。人體通訊資料傳輸基本上為封包傳輸，如何有效利用前導(dǎo)序列進(jìn)行時(shí)間同步，將是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

　　封包偵測(cè)演算法基于封包傳輸架構(gòu)，由于接收端不知道何時(shí)會(huì)收到封包，因此進(jìn)行初始化同步的程序前，須先進(jìn)行封包偵測(cè)，進(jìn)而將人體通訊系統(tǒng)的訊號(hào)封包分辨出來(lái)。

　　封包偵測(cè)演算法主要利用第一個(gè)前導(dǎo)序列進(jìn)行，為讓接收端藉由量測(cè)接收信號(hào)的能量，以判斷是否有收到資料封包，首先須計(jì)算接收信號(hào)能量，如方程式（5）所示：

　　。。。。。。。。（5）

　　其中r代表接收信號(hào)、k為累加器指標(biāo)、K則為觀察區(qū)間。當(dāng)C大于一個(gè)事前設(shè)定的門檻值T，則表示此觀察區(qū)間內(nèi)的信號(hào)功率滿足人體通訊系統(tǒng)的封包功率特性，因此判斷為一個(gè)人體通訊系統(tǒng)的封包。

　　符元時(shí)序同步則是當(dāng)接收端判斷為收到一個(gè)資料封包后，進(jìn)一步利用剩余的前導(dǎo)序列進(jìn)行符元時(shí)序估測(cè)。此時(shí)，接收端將接收信號(hào)與已知的前導(dǎo)序列Gold碼做互相關(guān)運(yùn)算，最大值的偏移量即為符元時(shí)序的估測(cè)點(diǎn)，如方程式（6）所示：

　　。。。。。。。。（6）

　　其中為符元時(shí)序估測(cè)，c為前導(dǎo)序列Gold碼，n為搜尋的指標(biāo)，m是累加器的指標(biāo)。

　　接著，利用以下系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行人體通訊系統(tǒng)效能模擬；包括人體通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中心頻率為32MHz、時(shí)脈頻率為64MHz、頻寬為8MHz、資料傳輸率為2Mbit/s、實(shí)體層資料負(fù)載為128Byte、FSC和Wash碼調(diào)變、SNR從-6d至-1dB。通道模型透過(guò)方程式（1）產(chǎn)生振幅與相位變化。

　　圖7為人體通訊系統(tǒng)模擬的范例，表示進(jìn)行符元時(shí)序同步時(shí)反相關(guān)運(yùn)算的輸出值，如方程式（7）所示，而使得P（n）有最大值的n即為符元時(shí)序的同步點(diǎn)。

　　圖7 符元時(shí)序同步模擬分析

　　。。。。。。。。（7）

　　根據(jù)IEEE 802.15.6規(guī)范的接收目標(biāo)，于傳輸負(fù)載為128Byte情況下，封包錯(cuò)誤率（Packet Error Rate， PER）須小于1%。在考慮封包偵測(cè)與符元時(shí)序同步后，當(dāng)SNR大于-2.6dB就能符合預(yù)想達(dá)到錯(cuò)誤率小于1%的目標(biāo)，如圖8的系統(tǒng)封包錯(cuò)誤率模擬結(jié)果。

　　圖8 封包錯(cuò)誤率模擬分析

　　IEEE 802.15.6開(kāi)路　人體區(qū)域網(wǎng)路發(fā)展更完備

　　IEEE 802.15.6已說(shuō)明人體通訊訊框結(jié)構(gòu)、傳送端架構(gòu)與通道模型，并據(jù)此開(kāi)發(fā)出接收機(jī)演算法，有效進(jìn)行封包偵測(cè)與符元時(shí)序估測(cè)。從模擬結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)人體通訊系統(tǒng)在低SNR的條件下進(jìn)行資料傳輸，仍可實(shí)現(xiàn)低錯(cuò)誤率的效能，達(dá)到低功率、高資料傳輸率的人體通訊網(wǎng)路。

　　現(xiàn)階段，人體區(qū)域網(wǎng)路已可即時(shí)且準(zhǔn)確提供多種病患的生醫(yī)傳感器信號(hào)予醫(yī)療人員，從而達(dá)到正確的健康指導(dǎo)、咨詢與追蹤，大幅提升醫(yī)療照護(hù)品質(zhì)，并降低醫(yī)療資源的使用。