無線人體局域網(wǎng)技術(shù)淺析

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

一些市場研究報告預(yù)計，由于用于患者監(jiān)護(hù)和消費類醫(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BAN器件的需求將會達(dá)到每年1億顆。

由于許多地區(qū)都存在人口老齡化問題，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)生緊缺的國家。這種系統(tǒng)可對老年患者身體狀況實施持續(xù)監(jiān)測，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壽。

BAN是一些極為小型的無線局域網(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安裝在附近的專用信號處理單元，周圍有許多笨拙不便的連接線。這些連接線限制了患者的活動范圍，也影響了患者的舒適性。一些研究報告表明，這些連接線正是醫(yī)院疾病傳染的來源。另外，這些連線的晃動還會對檢測結(jié)果產(chǎn)生不利影響。

隨著低功耗、低成本無線連接技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以實施和部署B(yǎng)AN，成為上述傳統(tǒng)技術(shù)的一種補充。圖1顯示了一種典型的無線BAN。

圖1: 一種典型的人體局域網(wǎng)

我們可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)安裝到患者身體表面或者周圍，也可以靜態(tài)地植入到人體組織中，從而實現(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。這些收集來的信號可用于腦電圖(EEG)、心電圖(EKG)、肌電圖(EMG)、表皮溫度、皮膚電傳導(dǎo)和眼動電圖(EOG)。

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

某些情況下，傳感器會成為收發(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波形的對比。

BAN中使用的傳感器主要有兩大類，具體使用哪一類取決于其工作模式。

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(14天以內(nèi))。這些傳感器一般都非常昂貴，重量較輕，體積很小，可以實現(xiàn)自由移動式健康監(jiān)測。醫(yī)療提供商利用這些傳感器，幾乎可以實時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同時擁有主動刺激和生理監(jiān)測功能，是一些慢性疾病監(jiān)測的理想選擇。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)計的關(guān)鍵。BAN的特點是易配置、低成本、超低功耗和高可靠的傳感器系統(tǒng)。它的包裝和工作運行必須是無菌的，以用于人體周圍或者內(nèi)部。另外，無線通信必須足夠健壯，以經(jīng)受各種環(huán)境的RF干擾，例如：Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、微波爐和無繩電話等。

BAN節(jié)點設(shè)計的挑戰(zhàn)包括：

外形尺寸 體積和重量對BAN傳感器尤為重要，因為它們直接影響患者的舒適性。節(jié)點面積和重量越小，它對患者活動的限制就越小。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、抗噪性能和無線通信鏈接天線的效率等。由于各大公司都在根據(jù)客戶的應(yīng)用進(jìn)行BAN設(shè)計，因此用戶友好和可靠性便成為增加用戶接受度的重要因素。

功耗與流耗 電池使用時間是BAN節(jié)點設(shè)計面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。頻繁更換電池或者充電，對穿戴式節(jié)點來說并不理想，對許多植入式節(jié)點而言更是不可接受的。傳感器與通信忙閑度以及超級再生無線電接收器的使用，帶來更長的工作時間，并實現(xiàn)了電池自主性。一些設(shè)計師正關(guān)注能源采集技術(shù)領(lǐng)域取得的許多新進(jìn)展，想要通過這些技術(shù)延長其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)計時，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?；颊叩陌踩潭热Q于傳感和無線傳輸層BAN系統(tǒng)的可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和可靠性。

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

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

今天，我們可以使用多種無線連接標(biāo)準(zhǔn)來實施BAN技術(shù)，例如：藍(lán)牙、ZigBee、Wi-Fi、ANT或者低功耗藍(lán)牙等。然而，這些無線連接標(biāo)準(zhǔn)制定之初并非為BAN技術(shù)應(yīng)用而開發(fā)。

表1列出了一些標(biāo)準(zhǔn)的初始目標(biāo)應(yīng)用。有些標(biāo)準(zhǔn)的功耗過高，不能滿足穿戴式BAN器件小于3mA的峰值功耗(耗電量)要求。但是，標(biāo)準(zhǔn)制定機構(gòu)和行業(yè)組織已經(jīng)實施了醫(yī)療專用計劃，旨在滿足這些BAN要求。

我們還可以使用各廠商提供的專有解決方案來實施BAN系統(tǒng)。這類系統(tǒng)通常都使用不同的工作頻率(取決于各個國家)，且不可通用。另一方面，相比公共無線標(biāo)準(zhǔn)，專有解決方案允許BAN專為滿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：它側(cè)重于短距離、低成本、低功耗和低實施復(fù)雜度。IEEE802.15.6標(biāo)準(zhǔn)對物理(PHY)層、媒體訪問控制(MAC)協(xié)議和安全層進(jìn)行了定義。

IEEE802.15.6架構(gòu)

圖2顯示了IEEE802.15.6架構(gòu)。它由一個PHY層和一個公共MAC及安全層組成。PHY層被分為三個頻帶，目的是滿足醫(yī)療和消費類應(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)議控制可訪問該信道。

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

圖2: IEEE802.15.6架構(gòu)。

推動無線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無線電技術(shù)不斷發(fā)展，以及人們要求獲得越來越多信息的情況下，BAN市場預(yù)計會急劇增長。

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