專(zhuān)家揭秘：人體傳感網(wǎng)絡(luò )知多少？

　　人體傳感網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)生背景

　　隨著(zhù)“預防為主”的觀(guān)念深入人心，對健康信息的遠程采集和處理是早發(fā)現、早診斷和早干預的必備手段；其次，為實(shí)現不影響人正常生理活動(dòng)情況下的連續監測，傳統的有線(xiàn)逐步趨向無(wú)線(xiàn)化；再者，隨著(zhù)監測設備向微尺度和長(cháng)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)背景下應運而生，成為醫療物聯(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(chēng)BSN。BSN以身體為中心，并集成生物傳感器、醫學(xué)電子學(xué)、多傳感器分析與數據融合、人工智能、普適傳感、無(wú)線(xiàn)通信和其他創(chuàng )新應用等多學(xué)科知識。BSN充分發(fā)揮無(wú)線(xiàn)化、網(wǎng)絡(luò )化、信息化優(yōu)勢，實(shí)現健康全過(guò)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，設計了專(zhuān)用平臺以及針對BSN的TinyOS操作系統；MIT的Media Lab、英國帝國理工大學(xué)研制、德國亞琛工業(yè)大學(xué)和歐洲IMEC在BSN研究上均有其各自的造詣。而國內有中科院深圳先進(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)的傳感器和系統應用方面進(jìn)行了深入的研究。據王磊先生介紹，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院設計了用于BSN的“三低”醫學(xué)芯片，開(kāi)發(fā)了改進(jìn)型的BSN平臺，并使用BSN平臺在運動(dòng)能量評估和生物反饋調節方面開(kāi)展了工作，同時(shí)對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

　　圍繞BSN的研究熱點(diǎn)，業(yè)界開(kāi)展了相應的科研和產(chǎn)業(yè)化工作，總體上來(lái)說(shuō)，體現在以下幾個(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械運動(dòng)能或是溫度梯度能給BSN節點(diǎn)供能等方面開(kāi)始了嘗試性的工作；

　?。?）針對BSN語(yǔ)義學(xué)模型開(kāi)展研究，集中在STSOM、貝葉斯網(wǎng)絡(luò )等數學(xué)工具的運用上；

　?。?）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學(xué)集成電路芯片；

　?。?）無(wú)線(xiàn)通信方面，集中在利用人體通信的傳輸模式的機理探討和技術(shù)開(kāi)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(kāi)發(fā)平臺為例，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(xiàn)、基站板、無(wú)線(xiàn)充電等功能模塊；

　?。?）呼吸、心電、血氧、脈率等生理參數測量節點(diǎn)；

　?。?）集成加速度、角速度、磁力計的九自由度慣性測量節點(diǎn)；

　　總體而言，硬件系統具有小型化、低功耗、低成本的特點(diǎn)。

　　人體傳感器網(wǎng)絡(luò )軟件開(kāi)發(fā)臺（SDK）包括：開(kāi)發(fā)板軟件、無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議、基帶設計和數據接口定義。主要技術(shù)指標：無(wú)線(xiàn)傳輸數據50kbps；數據收發(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)。王磊先生對此進(jìn)行詳細的解答。

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

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

　　三代人體傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)平臺采用低頻率、低噪聲、低功耗（“三低”）設計方法，單晶集成多生命體征信號放大、濾波、處理、電源管理功能。三代人體傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)平臺展示如下圖所示：

　　圖 三代人體傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)平臺展示

　　關(guān)鍵技術(shù)（2）：人體通信

　　傳統通信理論將人體作為一個(gè)干擾源，在BSN中，為實(shí)現低負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理；

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

　　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，針對人體通信的動(dòng)態(tài)傳播信道進(jìn)行詳盡的在體實(shí)驗研究，表明人體通信對運動(dòng)的不敏感性，這個(gè)重大發(fā)現為目前運動(dòng)中BSN通信鏈路不穩定的問(wèn)題提供了一種有效的解決方案。

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

　　針對心腦血管事件發(fā)生發(fā)展機理的研究需要影像、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)檢測與心腦血管功能的評估尤為密切，表現在：

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

　?。?）ST-T段心電圖異常是早期冠心病診斷的重要指標；

　?。?）心率變異性是預測心律失常發(fā)生和持續的重要因素；

　?。?）夜間呼吸率異常是COPD等事件的重要風(fēng)險因子；

　?。?）日間運動(dòng)信息是評估中風(fēng)導致偏癱預后的重要手段。

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