基于體域網(wǎng)的急救智能可穿戴系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與進展

韓 偉，王駿超，周 洋，姜瑩瑩

1 體域網(wǎng)急救智能可穿戴系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 背景 醫(yī)療健康服務的多樣化與便利化越來越依賴于信息技術(shù)的支撐[1]。醫(yī)療領(lǐng)域是惠及面最廣、信息技術(shù)支撐力度最大、產(chǎn)業(yè)帶動面最廣、服務示范性效應最明顯的應用領(lǐng)域之一[2-3]。隨著電子醫(yī)務的興起，身體局域網(wǎng)（Wireless Body Area Network，WBAN；中文簡稱：體域網(wǎng)）技術(shù)引起了國際上的極大關(guān)注。由于作為生物技術(shù)、傳感網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)融合的體制及應用將主導信息科技與其它新技術(shù)的相互滲透和協(xié)調(diào)發(fā)展，體域網(wǎng)從誕生起就引起了全世界學術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的強烈興趣[4]。如圖1所示，體域網(wǎng)可實現(xiàn)自然狀態(tài)下獲取人體生命體征參數(shù)，并支持臨床診療、急救救援救治、健康信息服務等應用[5]，屬于生物醫(yī)學與信息科學的交叉領(lǐng)域，它是通過多個可穿戴式傳感器節(jié)點形成通信距離不超過3 m的局域網(wǎng)絡(luò)[6-7]。

圖1 身體局域網(wǎng)

1.2 體域網(wǎng)的電子醫(yī)療架構(gòu) 傳感器節(jié)點采集生命體征參數(shù)如血壓、心率、體溫、呼吸、血氧飽和度、心電等，協(xié)調(diào)器將來自傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)和交換中心發(fā)送至醫(yī)院[8-9]，如圖2所示，描述了基于體域網(wǎng)的電子醫(yī)療架構(gòu)圖。經(jīng)處理后再轉(zhuǎn)發(fā)至個人、社區(qū)與家庭，能提供移動臨床、遠程診斷、健康教育、健康咨詢與評估等多種服務，極為有效的緩解目前醫(yī)療短板、利用率低的突出矛盾[10]，合理配置醫(yī)療資源、明顯提高人民醫(yī)療健康服務及急救救治水平[11]。

圖2 基于體域網(wǎng)的電子醫(yī)務構(gòu)架圖

1.3 體域網(wǎng)的應用范圍及特點 體域網(wǎng)技術(shù)能夠幫助實現(xiàn)對人的智能化醫(yī)療工作，實現(xiàn)醫(yī)療信息數(shù)字化、診療過程實時化、醫(yī)療流程科學化、服務溝通人性化[12-13]，能夠滿足醫(yī)療健康及急救救援信息、公共衛(wèi)生安全的智能化管理與監(jiān)控等方面的需求，同時實現(xiàn)個體與醫(yī)務人員、醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備間的互動，實現(xiàn)個人健康的管理，即疾病的及早治療和急救救援信息維護，促進醫(yī)療領(lǐng)域管理信息化與智能化[14-15]。體域網(wǎng)還可廣泛應用于娛樂、運動、環(huán)境智能、軍事和公共安全等方面[16]，是關(guān)系到國計重大民生、市場需求極為旺盛的重點發(fā)展領(lǐng)域，其具有的社會效益與經(jīng)濟效益不可估量[17]。

1.4 體域網(wǎng)的優(yōu)點 如圖3所示，相比于其他無線通信標準，體域網(wǎng)的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下三個方面。（1）在低數(shù)據(jù)速率的場景下，體域網(wǎng)的系統(tǒng)功耗遠低于其他無線通信標準，電池使用壽命也遠高于其他無線通信標準。（2）WiFi、藍牙、Zigbee的信息傳輸都集中在2.4 GHz頻段，容易互相干擾，帶來額外的功耗開銷[18-19]。而體域網(wǎng)提供了更多醫(yī)療設(shè)備專用頻段（500 MHz至5 GHZ）的選擇[20]，從而降低不同通信之間的干擾問題。同時，體域網(wǎng)系統(tǒng)可以根據(jù)不同的應用場景需求，在窄帶信道（Narrowband Channel）、超寬信道（Ultra-wideband Channel）與人體信道（Human Body Communication Channel）之間選擇最佳信道進行通信[21]。（3）由于體域網(wǎng)是針對醫(yī)用場景下的人體體征信息的傳輸，所以其信息敏感度與私密性較高。不當?shù)男畔⑿孤稌е螺^為嚴重的安全問題，甚至直接關(guān)系到使用者的生命安全。因此，體域網(wǎng)的安全保護措施相比較于其它無線通信標準也更高、更具有獨特性。

圖3 體域網(wǎng)與其它無線通信標準在不同數(shù)據(jù)速率下的功耗和電池使用對比

1.5 體域網(wǎng)的瓶頸及熱點 相比于其他無線通信網(wǎng)絡(luò)，阻礙體域網(wǎng)大范圍推廣與落地的主要瓶頸問題集中在以下幾個方面。（1）傳感器節(jié)點的超低功耗要求與有限算力的硬件資源限制問題[22]。作為電子醫(yī)務系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，體域網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點負責隨時隨地對患者的各項身體參數(shù)進行24 h監(jiān)控與跟蹤，長期高效穩(wěn)定的進行生理信息采集與數(shù)據(jù)交互是實現(xiàn)其功能的基本要求[23-24]。然而，由于體域網(wǎng)傳感器節(jié)點的植入式與可穿戴特性，導致了其勢必使用體積受限的有限電源供電與算力較低的低功耗硬件[25]，而每次電源的更換或充電，都會對體征參數(shù)的連續(xù)提取與跟蹤造成較大的影響[26]。特別是對植入式傳感器節(jié)點來說，每次電池的更換都會對使用者造成較大的不便與痛苦。因此，如何在有限的供電與硬件資源條件下長期高效穩(wěn)定的超低功耗體域網(wǎng)傳感器節(jié)點通信設(shè)計方法成為了體域網(wǎng)研究領(lǐng)域的熱點問題[27-28]。（2）體域網(wǎng)傳感器節(jié)點中數(shù)據(jù)安全保護問題。體域網(wǎng)中包含大量例如各項生命體征數(shù)據(jù)、醫(yī)療診斷信息、用戶病歷記錄等極其私密的數(shù)據(jù)信息，非法接入、修改或信息泄露不僅會造成較大的安全風險，甚至會對使用者的生命安全形成威脅，造成無可挽回的社會影響[29-30]，故而體域網(wǎng)的信息安全需求相比較于其它無線通信網(wǎng)絡(luò)更高。（3）體域網(wǎng)傳感器節(jié)點及其有限的供電與硬件資源限制，導致了傳統(tǒng)的高強度數(shù)據(jù)安全方案難以在該場景中對各項數(shù)據(jù)實現(xiàn)應有的保護[31-33]。因此，如何在有限硬件算力、功耗、面積的限制下設(shè)計安全可靠的加密算法，建立體域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽凯h(huán)境，防止針對醫(yī)療數(shù)據(jù)的非法篡改，確保節(jié)點的合法性等針對體域網(wǎng)安全機制的研究成為了體域網(wǎng)領(lǐng)域亟需解決的關(guān)鍵科學問題[34-35]。（4）由于體域網(wǎng)存在的低功耗通信及數(shù)據(jù)安全方面的限制，導致了雖然體域網(wǎng)在醫(yī)學領(lǐng)域具有較好的發(fā)展前景，但是一直以來在目前臨床應用領(lǐng)域存在著較大缺陷[36-37]。

2 體域網(wǎng)急救智能可穿戴系統(tǒng)的研究進展

在解決體域網(wǎng)低功耗高可靠性通信機制、數(shù)據(jù)安全問題的基礎(chǔ)上，研制針對急救場景的體域網(wǎng)無線體征監(jiān)測系統(tǒng)，如災難、交通事故、公共衛(wèi)生事件、家庭突發(fā)腦血管意外等場景，完成急救患者的多參數(shù)體征數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控和反芻，提升急救效率與接診速度，加快醫(yī)療信息化進程。作為體域網(wǎng)研究領(lǐng)域的瓶頸問題，其核心技術(shù)的突破可有力支撐信息網(wǎng)絡(luò)（服務）、無線通信、半導體等新一代信息技術(shù)戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而帶動基礎(chǔ)元器件、通信終端、系統(tǒng)設(shè)備等制造業(yè)和信息服務產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提升醫(yī)療行業(yè)的信息化水平和健康醫(yī)療服務水平。應用方面：智慧終端檢測分析生理數(shù)據(jù)、傷情評估、完成電子病歷、通過5G傳輸?shù)结t(yī)療云端信息平臺，醫(yī)療云端信息平臺通過5G傳輸醫(yī)院及救護車等驗檢測分析預警生理數(shù)據(jù)、傷情評估、完成電子病歷。有研究報道[38]體域網(wǎng)可穿戴系統(tǒng)的進步，通過監(jiān)測病人在急診分診后等待時的情況來改善當前的急診科就診流程，從而降低不良事件的風險。該研究提出了一個動態(tài)的數(shù)學決策模型，以確定病人的優(yōu)先級，在急診科中形成一個反饋循環(huán)?？纱┐髟O(shè)備（收集數(shù)據(jù)）與決策理論（綜合組織信息）的耦合可以幫助減少急診科分診系統(tǒng)的不確定性。急診可穿戴床邊臨床實驗室檢測系統(tǒng)（Point-of-care testing，POCT）[39]，可以顯著減少實驗室檢測結(jié)果的周轉(zhuǎn)時間。POCT設(shè)備可以直接在患者身上測試樣本，包括膽紅素計、脈搏血氧儀、呼氣測醉儀（用于酒精和大麻素檢測）、經(jīng)皮血氣分析，術(shù)后葡萄糖和腫瘤指標。這些設(shè)備的運用與對重癥醫(yī)學科和急診科非常重要?？纱┐鱌OCT設(shè)備有很大前景，以滿足當前和新興臨床學科的需求。

3 體域網(wǎng)急救智能可穿戴系統(tǒng)的研究熱點及展望

我國在體域網(wǎng)領(lǐng)域的研究才剛起步，與發(fā)達國家相比差距較大。目前查詢未發(fā)現(xiàn)體域網(wǎng)有在急救領(lǐng)域的理論及應用研究，急需開展相關(guān)研究，縮小與國際先進技術(shù)的差距，為體域網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化奠定核心技術(shù)基礎(chǔ)[40-41]。通信與安全技術(shù)是建立體域網(wǎng)理論體系和應用系統(tǒng)必須解決的關(guān)鍵問題[42]。作者擬開展的前沿研究工作，對于體域網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)探索、專用集成電路實現(xiàn)探索等方面具有重要的學術(shù)意義；在降低無線節(jié)點功耗、穩(wěn)定可靠通信等方面具有很高的實際應用價值，其成功實施能推進超低功耗芯片、可穿戴式無線節(jié)點、智能醫(yī)療終端、健康與監(jiān)護儀器等器件與設(shè)備的研制，有助于形成惠民生及急救救援的電子醫(yī)務實施解決方案，對有序推進遠程電子醫(yī)務的部署和應用、提高醫(yī)療行業(yè)的信息化水平和急救救援醫(yī)療服務水平具有直接貢獻。作者是在原團隊工作基礎(chǔ)上的延申和深入，團隊在體域網(wǎng)系統(tǒng)安全解決方案設(shè)計、硬件設(shè)計與急救救援應用驗證方面有較好的研究基礎(chǔ)[43-44]。