張博文，金新政

（華中科技大學(xué)健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

基于體感網(wǎng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

張博文，金新政*

（華中科技大學(xué)健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

近年來(lái)體感網(wǎng)的出現(xiàn)與運(yùn)用為打破傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)模式提供了契機(jī)，為了對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行探究，本文首先解讀了體感網(wǎng)的概念與內(nèi)涵，構(gòu)建了體感網(wǎng)系統(tǒng)三層架構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上闡明了系統(tǒng)內(nèi)層級(jí)間的作用與關(guān)系，指出實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域真正嵌入當(dāng)下醫(yī)療服務(wù)模式所面臨的挑戰(zhàn)。

體感網(wǎng)；健康監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)架構(gòu)

0 前言

根據(jù)中華人民共和國(guó)民政部的統(tǒng)計(jì)顯示，截止至2015年底我國(guó)60周歲及以上人口22200萬(wàn)人，占總?cè)丝诘?6.1%，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)老年人口將達(dá)到2.48億，老齡化水平將達(dá)到17%［1］。與此同時(shí)，伴隨著老齡化進(jìn)程的加快，我國(guó)慢性病發(fā)病人數(shù)快速上升，現(xiàn)有確診患者2.6億人，導(dǎo)致的死亡已經(jīng)占到我國(guó)總死亡的85%，導(dǎo)致的疾病負(fù)擔(dān)已占總疾病負(fù)擔(dān)的70%［2］。由于老年人群和慢病自身的特殊性，其管理的重點(diǎn)應(yīng)放在長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè)和及時(shí)的健康指導(dǎo)與反饋。然而我國(guó)健康監(jiān)測(cè)醫(yī)療資源主要集中在院內(nèi)，設(shè)備操作復(fù)雜，價(jià)格昂貴，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)服務(wù)模式無(wú)法滿足大量的老年和慢病人群的健康需求，人們迫切需要一種創(chuàng)新的，低成本的，高效的方法來(lái)打破傳統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)模式。

與此同時(shí)，隨著生理傳感器、低功耗集成電路與無(wú)線傳輸技術(shù)的出現(xiàn)與成熟，醫(yī)療服務(wù)政策的推動(dòng)以及大眾健康觀念的轉(zhuǎn)變，一批以體感網(wǎng)為基礎(chǔ)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入人們的視線，應(yīng)用在各式各樣的健康應(yīng)用上，輔佐保健治療，使得健康監(jiān)測(cè)服務(wù)得以從院內(nèi)走向戶外與用戶家中。基于體感網(wǎng)的監(jiān)測(cè)服務(wù)模式展現(xiàn)了巨大的市場(chǎng)潛力和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)大眾自我健康管理的實(shí)現(xiàn)有著重大意義。

1 概念與內(nèi)涵

體感網(wǎng)（body area network或BAN）又稱無(wú)線體域網(wǎng)或身體傳感網(wǎng)絡(luò)，是基于可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備與生理傳感器的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)持續(xù)監(jiān)測(cè)生命體征，從而達(dá)到有效的病前預(yù)防和病后康復(fù)的目的［3］。體域網(wǎng)不僅能感知外部環(huán)境和內(nèi)部狀態(tài)的變化，而且通過(guò)反饋機(jī)制，能實(shí)時(shí)地對(duì)這種變化做出反應(yīng)。感知、反饋和響應(yīng)是體域網(wǎng)的三大要素，體感網(wǎng)技術(shù)需要結(jié)合電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、紡織科學(xué)及材料科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的前沿技術(shù)［4］。

圖1 體感網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，體感網(wǎng)設(shè)備已可以內(nèi)嵌或植入人體體內(nèi)，附著于身體表面或利用可穿戴技術(shù)隨身攜帶于手腕，胸前甚至安裝在口袋、鞋子上，例如穿戴于指尖的血氧傳感器、腕表型血糖傳感器、腕表型睡眠品質(zhì)測(cè)量器、睡眠生理檢查器、可植入型身份識(shí)別組件等［5］。假如沒(méi)有體感網(wǎng)，這些傳感器和促動(dòng)器則都只能獨(dú)立工作，要自帶各自的通信部件， 影響用戶體驗(yàn)和管理效能的同時(shí)也造成了極大的資源浪費(fèi)與數(shù)據(jù)混亂。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

時(shí)至今日，已有多種基于體感網(wǎng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和原型被開(kāi)發(fā)用于病人在院內(nèi)、家中、戶外以及災(zāi)難情況下的健康監(jiān)測(cè)。但不管系統(tǒng)多么復(fù)雜，傳感、通信與信息處理始終是一個(gè)完整的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。由于體感網(wǎng)仍屬于網(wǎng)絡(luò)范疇，其架構(gòu)仍然遵循傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)，為了闡明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和服務(wù)模式，本文以經(jīng)典的體感網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)筑了體感網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。模型共分為三層，分別由信息感知層、信息處理層、信息響應(yīng)層表示，三個(gè)層級(jí)的系統(tǒng)運(yùn)行原件可以表示為傳感節(jié)點(diǎn)，基站與遠(yuǎn)程中央服務(wù)器，層級(jí)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與通信交換，從而達(dá)到輔佐健康管理的目的，值得一提的是架構(gòu)并非是靜態(tài)模型，可以根據(jù)需求、適用環(huán)境與群體的不同進(jìn)行改變。

2.1 信息感知層

信息感知層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)人體生理數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和設(shè)備控制功能，傳感器、促動(dòng)器、移動(dòng)基站（智能手機(jī)、PDA、筆記本電腦及PC等）等硬件設(shè)施共同組成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器和促動(dòng)器通過(guò)802.15協(xié)議將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)直接或由后端傳感器匯聚封裝之后間接傳遞給移動(dòng)基站單元，基站對(duì)接收到的生物信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾、存儲(chǔ)、整合、封裝后發(fā)送至信息處理層，另外，基站提供異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合與協(xié)同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)層級(jí)間，基站與傳感器間無(wú)縫對(duì)接。

無(wú)線傳感器間和傳感器與基站間的通信使用的是802.15標(biāo)準(zhǔn)，最常用的是802.15.1（低耗藍(lán)牙，BLE）和802.15.4（紫蜂協(xié)議，Zigbee），除此之外，其他使用技術(shù)也包括了基于802.15.3的無(wú)載波通信技術(shù)（UWB）；ANT無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)通訊技術(shù)；紅外線數(shù)據(jù)技術(shù)（IrDA）；治療植入通信服務(wù)（MICS）以及其他無(wú)線通信技術(shù)也有部分正在使用［6］。值得一提的是，2012年誕生的802.15.6標(biāo)準(zhǔn)作為第一個(gè)國(guó)際無(wú)線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，最高傳輸速率可達(dá)10Mbps，最長(zhǎng)距離可達(dá)3公尺，預(yù)期可廣泛應(yīng)用在人體穿戴式傳感器、植入裝置中， 取代目前包括低耗藍(lán)牙或紫蜂協(xié)議在內(nèi)的種類繁多的專用無(wú)線電技術(shù)。

信息感知層中的傳感器主要用來(lái)檢測(cè)和傳輸用戶生理體征和環(huán)境數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)不同可分為三類［7］：①生理傳感器，測(cè)量人體重要內(nèi)部和外部參數(shù)（體溫、血壓、ECG等）；②生物動(dòng)感傳感器，檢測(cè)用戶身體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)（加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度等）；③環(huán)境傳感器，負(fù)責(zé)收集用戶外部環(huán)境數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度、氣壓、光線、濕度等）。傳感器并非單獨(dú)運(yùn)作，相反，不同傳感器間的協(xié)同運(yùn)作，可提供用于醫(yī)療診斷和治療的額外重要信息。目前，無(wú)線醫(yī)療設(shè)備廠商正在積極整合不同生物傳感器，用以監(jiān)測(cè)多種生物信號(hào)，基于“FIT”系統(tǒng)的職能手環(huán)包含了3D加速計(jì)，溫度傳感器，汗液傳感器，熱輻射傳感器等在內(nèi)的多個(gè)前段傳感設(shè)備，各監(jiān)測(cè)指標(biāo)統(tǒng)一傳遞給后端傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行封裝，發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器按照數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)程度和已有模塊與算法推斷出用戶健康狀況，進(jìn)行反饋指導(dǎo)。此外，技術(shù)創(chuàng)新和方法改良使得傳感器更加沒(méi)有傷害性，數(shù)據(jù)來(lái)源更加豐富。以葡萄糖表為例，其基于電流獲取葡萄糖分子的反向例子電滲療法已取代了針頭設(shè)備，數(shù)據(jù)來(lái)源方面，聲音行為偵測(cè)和自動(dòng)診斷語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)可以收集相關(guān)數(shù)據(jù)并診斷如咳嗽，頭疼，胃疼，胸痛等癥狀，大大提高系統(tǒng)的診斷能力。

2.2 信息處理層

信息處理層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的橋梁，基站將原始或低級(jí)的傳感信息進(jìn)行進(jìn)一步處理后傳遞給體感網(wǎng)后端服務(wù)器，后端服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)執(zhí)行更高級(jí)處理與分析，如特征抽取對(duì)比，找到異常狀態(tài)病人，隨后將高級(jí)數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳遞給臨床后臺(tái)服務(wù)器，由專業(yè)醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)解讀分析和反饋。此外，信息處理層的信息流是雙向傳遞，可以將相關(guān)信息實(shí)時(shí)的傳遞給用戶，存在健康隱患時(shí)給用戶和后臺(tái)醫(yī)務(wù)人員發(fā)出警報(bào)。事實(shí)上，不同平臺(tái)均可當(dāng)基站來(lái)使用，一些公司和科研院所更傾向研發(fā)他們自己的設(shè)備，然而隨著以智能手機(jī)為主的移動(dòng)設(shè)備越發(fā)成熟，其強(qiáng)大的處理功能和存儲(chǔ)容量滿足了基站與體感網(wǎng)后臺(tái)服務(wù)器合并的需要，而兼容開(kāi)放的系統(tǒng)也為簡(jiǎn)化系統(tǒng)部署，減少通信成本提供了幫助。正因此，基站起著越來(lái)越重要的作用，除了整合傳感數(shù)據(jù)外，同樣負(fù)責(zé)同步通信，檢查傳感器狀態(tài)的同時(shí)使用控制信號(hào)設(shè)置例如采樣率等參數(shù)，此外，基站可以根據(jù)可用網(wǎng)絡(luò)、成本等參數(shù)在不同模式之間轉(zhuǎn)換，例如，根據(jù)用戶在室內(nèi)或者室外的情況，在定期傳輸常規(guī)數(shù)據(jù)和緊急實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)間跳轉(zhuǎn)。隨著應(yīng)用發(fā)展，體感網(wǎng)后臺(tái)服務(wù)器功能也愈發(fā)豐富，入口多以APP的形式安裝在用戶智能移動(dòng)端（基站），用戶可以在后臺(tái)服務(wù)器查閱自己健康數(shù)據(jù)，與醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行溝通交流，瀏覽健康指導(dǎo)，進(jìn)行自我健康管理。

2.3 信息響應(yīng)層

信息響應(yīng)層是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的核心，由臨床后臺(tái)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和控制設(shè)備組成，收集的數(shù)據(jù)將自動(dòng)集成，用于醫(yī)學(xué)診斷和更復(fù)雜的算法處理，被授權(quán)的專業(yè)醫(yī)務(wù)人員通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)或者因特網(wǎng)遠(yuǎn)程獲得用戶健康數(shù)據(jù)，多個(gè)用戶（多個(gè)BAN）可以共用一個(gè)后臺(tái)系統(tǒng)，不同元件之間的通信也被叫做后端通信。此外，該層級(jí)還負(fù)責(zé)健康應(yīng)用服務(wù)的觸發(fā)與傳遞，實(shí)現(xiàn)對(duì)部分終端設(shè)備控制的功能。

綜合來(lái)看，信息響應(yīng)層的設(shè)計(jì)是特定應(yīng)用且適用于不同用戶的需求，為了響應(yīng)用戶需求，其儲(chǔ)存和處理單元包含了多種元素，例如：

·后臺(tái)服務(wù)器將原始信息分析處理后反饋給用戶或者在緊急情況下啟動(dòng)警報(bào)，通過(guò)短信或郵件通知家人及醫(yī)務(wù)人員來(lái)進(jìn)行干預(yù)。

·運(yùn)用視頻會(huì)議系統(tǒng)，醫(yī)生和護(hù)理人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和病人進(jìn)行交流。

·用戶可以通過(guò)相關(guān)應(yīng)用咨詢個(gè)人數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。

·專業(yè)人員使用遠(yuǎn)程控制服務(wù)來(lái)設(shè)置例如生物信號(hào)閾值等參數(shù)。

事實(shí)上，三個(gè)層級(jí)之間的協(xié)同與聯(lián)動(dòng)才是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)有效健康產(chǎn)出的關(guān)鍵，感知層采集數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，全面，處理層對(duì)獲得的生理數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)管理和控制，并為響應(yīng)層的應(yīng)用提供一個(gè)良好的用戶接口，響應(yīng)層通過(guò)統(tǒng)一的服務(wù)平臺(tái)，為不同用戶提供多種應(yīng)用接口，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)，為個(gè)性化醫(yī)療，更好了解病情演變，藥物影響監(jiān)督和慢病管理提供幫助。

3 面臨挑戰(zhàn)

基于體感網(wǎng)的健康監(jiān)測(cè)的服務(wù)理念與運(yùn)行模式將在很大程度上減少醫(yī)療資源浪費(fèi)，為臨床決策，藥物研究，健康管理提供支持，但歸根結(jié)底，體感網(wǎng)監(jiān)測(cè)模式是一個(gè)跨學(xué)科，跨領(lǐng)域復(fù)雜的信息網(wǎng)絡(luò)工程，仍面臨著巨大挑戰(zhàn)。

3.1 安全隱私

醫(yī)療信息安全問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，數(shù)據(jù)的機(jī)密性、可鑒別性、完整性和新鮮度是體感網(wǎng)安全管理需要滿足的四個(gè)方面，然而體感網(wǎng)以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的服務(wù)模式無(wú)形中加大了信息泄露、遠(yuǎn)程控制的風(fēng)險(xiǎn)［8］。其次，由于受到能耗、內(nèi)存、通信速率、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化和計(jì)算能力等因素限制，其他網(wǎng)絡(luò)安全解決方法并不能直接套用于體感網(wǎng)安全管理。此外，相關(guān)政策界定不健全也會(huì)帶來(lái)一系列法律問(wèn)題，例如倫理，健康數(shù)據(jù)所有權(quán)，設(shè)備監(jiān)管分類等問(wèn)題。由此可見(jiàn)體感網(wǎng)安全隱私是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題，但如若缺少了安全保障，體感網(wǎng)的前景也將大打折扣。

3.2 系統(tǒng)設(shè)備

傳感器設(shè)備是獲取體感網(wǎng)監(jiān)測(cè)服務(wù)數(shù)據(jù)的主要來(lái)源，也是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)的關(guān)鍵。然而功能上，國(guó)內(nèi)的相關(guān)應(yīng)用大多并未達(dá)到醫(yī)療級(jí)別，功能單一，同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，各廠商傳感器之間標(biāo)準(zhǔn)不一，協(xié)同困難，數(shù)據(jù)整合存疑。性能上，傳感器設(shè)備要求外形小、重量輕、能耗低、方便使用和易于重構(gòu)的同時(shí)仍要考慮穿戴的舒適性以及系統(tǒng)的容錯(cuò)性和抗毀性。除此之外，部署在人體上傳感器的位置和系統(tǒng)所處的溫濕度及電磁環(huán)境都在時(shí)刻變化之中，影響著傳感器采集信息的準(zhǔn)確性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎酚珊蜔o(wú)線信道的有效傳輸?shù)让媾R不同以往的挑戰(zhàn)。

3.3 數(shù)據(jù)管理

體感網(wǎng)自身應(yīng)用需要容納大量的傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)感知人體內(nèi)外部信息，海量的感知信號(hào)組成了實(shí)時(shí)的多源的傳感數(shù)據(jù)流。然而我國(guó)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析與提取技術(shù)大多停留在數(shù)據(jù)挖掘的功能邊緣，不具備學(xué)習(xí)，預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)等能力，不能滿足服務(wù)需要。如何有效感知，針對(duì)性和創(chuàng)造性的利用健康數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康管理和臨床實(shí)踐是該領(lǐng)域現(xiàn)階段面臨的另一挑戰(zhàn)。

3.4 觀念接受

盡管大眾網(wǎng)絡(luò)使用率正在穩(wěn)步提高，數(shù)字鴻溝正在逐步消除，但預(yù)防勝于治療，不治已病治未病的觀念仍未成形，其次，作為體感網(wǎng)監(jiān)測(cè)的主要服務(wù)對(duì)象，老年人由于其在身體和認(rèn)知上的缺陷，使其在使用與技術(shù)接受上存在較為突出的問(wèn)題，如何改變大眾觀念，找到一個(gè)用戶易于接受與掌握的服務(wù)路徑是該領(lǐng)域能否嵌入未來(lái)醫(yī)療保健服務(wù)模式的關(guān)鍵之一。

4 結(jié)語(yǔ)

目前基于體感網(wǎng)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究也只是處于試水階段，其真正嵌入醫(yī)療保健路徑還需要時(shí)間。但不可否認(rèn)的是，體征監(jiān)測(cè)服務(wù)與健康數(shù)據(jù)應(yīng)用將越來(lái)越多的出現(xiàn)在未來(lái)人們的生活中，如何保障監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有效安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的互操作和分析，形成基于體感網(wǎng)與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的監(jiān)測(cè)服務(wù)閉環(huán)，為用戶提供個(gè)性化醫(yī)療服務(wù)將是眾多學(xué)者和業(yè)內(nèi)人士下一步需要關(guān)注的問(wèn)題。

［1］ 張博文，金新政.城區(qū)老年人健康保健需求研究［J］.智慧健康，2016（9）:38-42.

［2］ 原衛(wèi)生部，國(guó)家發(fā)展改革委，教育部，等.中國(guó)慢性病防治工作規(guī)劃（2012-2015年）.2012-05-08.

［3］ Chen M， Gonzalez S， Vasilakos A， et al. Body Area Networks: A Survey［J］. Mobile Networks & Applications， 2011， 16（2）:171-193

［4］ 侯偉毅. 面向體域網(wǎng)節(jié)能策略的研究［D］. 東華大學(xué)， 2015.

［5］ 王洋， 王曉蕾， 尹路，等. 人體通信技術(shù)研究［J］. 電信科學(xué)， 2011， 27（4）:83-86.

［6］ Chen C， Knoll A， Wichmann H E， et al. A Review of Three-Layer Wireless Body Sensor Network Systems in Healthcare for Continuous Monitoring［J］. Journal of Modern Internet of Things， 2013， 2（3）:24-34.

［7］ Patel S， Park H， Bonato P， et al. A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation［J］. Journal of Neuroengineering & Rehabilitation， 2012， 9（12）:1-17.

Research of Health Monitoring System Based on the Body Area Network

ZHANG Bo-wen， JIN Xin-zheng*
（Research Centre of Health Information Resource， HUST， Wuhan 430030， Hubei， China）

The emergence and application of body area network provide an opportunity to break the traditional model of health monitoring recent years and in order to explore BAN， this study firstly explained the concept and connotation of BAN and then built three-tiers BAN architecture. On the basis of the architecture， this paper finally illustrated the function and relationship of each tier within the architecture and pointed out its facing challenge.

Body Area Network； Health Monitoring； System Architecture

“國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目”資助（項(xiàng)目編號(hào)：2008BAI52B00）

張博文，男，研究生在讀，衛(wèi)生信息管理專業(yè)；研究方向：衛(wèi)生信息管理。

金新政，男，華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院 管理學(xué)教授，研究生導(dǎo)師，系華中科技大學(xué)健康信息資源研究中心主任。主要研究方向是信息管理、衛(wèi)生事業(yè)管理和軟科學(xué)。