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可 穿 戴 式 无 线 健 康 监 护 系 统
可穿戴式的无线健康监护系统正在变得非常流行，尤其是因为它能无创地诊断人体的重要功能，除了已经在市场上销售的典型的单一心跳或汗液传感器以外，部署一系列的穿戴式传感器也可以实现一个有效的健康监测机制。从这样一个系统中获取的综合信息可以直接传递给处理紧急情况的健康监测人员或是作为预防性健康措施的一部分进行记录和分析。然而，必须要谨慎对待人体上节点的部署，因为它们可能会干扰患者的正常运动。而这一点也是特别具有挑战性的，因为电磁波之间的通信受到患者移动，距离最近的基站的距离，操作环境等的影响。同时节点需要额外的体内空间，需要施加额外的重量或者是不适应病人身体形状这些情形也是部署这一机制的额外挑战。在硬件设计的方面，电子节点上的感知和通信功能都采用了特殊材料设计来避免可靠性出现问题或是因为反复或激烈的运动而出现的损害。最后也是最重要的一点，这样一个系统中需要解决的问题是其电磁安全等级，它是由它们的比吸收率（SARs）定义的。本文旨在回顾穿戴式无线健康监护系统的最新发展及其当前面临的挑战和局限性，并讨论应用这些穿戴式设备的未来趋势。
介绍
近年来，大多数工业化国家在提供长期医疗保健和福利服务方面在成本上面临困难。这主要是由于老年人口的增加而导致的，2013年全球老年人口数量为8.41亿，这一数字预计到2050年将超过20亿[1]。虽然这个数字代表了社会经济和医学的进步，但它也对全球卫生保健系统构成严重挑战。和年龄相关的慢性疾病如充血性心力衰竭，慢性阻塞性肺病，关节炎，骨质疏松症和痴呆的增加也会对各种保健服务造成巨大压力。例如，英国近29％的人口现生活于长期的医疗条件下，而高达80％的医疗保健预算用做慢性病的管控。相比之下，全世界仅有20万家拥有1800万张病床的医院[2]。 因此，需要确定新的战略和政策计划，以便随着医疗保健需求的不断增加而有效利用资源。
对可持续卫生保健系统的这种需求对科学提出了挑战，并将通过利用信息和通信技术得到最有效的解决。通过传感器网络的最新进展，可以实现自主的，主动的和预测性的医疗保健服务，并且，它们被证明是非常有益的。近年来，基于Web的平台和健康记录的引入使得医疗保健解决方案得到显着改善。通过许多可用于生理状态监测的智能手机应用程序，自我监测和诊断也是可以实现的[3]。尽管这是促进个性化医疗保健迈出的关键一步，但这些解决方案往往受到可扩展性，安全性和隐私问题的困扰。此外，这些解决方案只能够在短期的生理条件下工作，而不能在数月或数年的过程中持续进行健康监测。
出于长时间呆在家中的老人对隐私的需求，家庭环境中的可穿戴式无线健康监测系统（WWHMS）是最实际的解决方案之一。这样一个系统可以持续跟踪个人的活动，将相关信息反馈给专业的医疗人员，并在发生紧急情况时自动向医护人员发出警报。它可以防止在发生事故时延误紧急医疗服务，这往往会导致严重的身体和心理后果，永久性残疾甚至死亡[4]，[5]。在紧急情况下，如果个人已经意识不清，所佩戴的常规紧急按钮将变得毫无用处。最近的原型和商业产品旨在提供关于自身健康状况的实时反馈信息，无论是提供给用户自己还是直接提供给医疗中心或医生。此外，它们还可以在可能出现健康威胁的情况下提醒个人。此外，WWHMS以透明和不显眼的方式为解决慢性病，老年人，康复过程以及行动能力有限的患者或精神障碍患者的管理和监测问题提供了新的手段。最终，它还可以支持卫生保健人员通过这些创新的通信和监测工具提供援助和医疗建议。
用于健康监测的可佩带系统可以包括各种微型传感器和可佩带甚至可植入的装置。这些生物传感器测量重要的生理参数，如呼吸率，心率和身体/皮肤温度。然后将获得的测量值通过无线或有线链路传送到中央节点，并可以将测量值显示在用户界面上或传送到医疗中心（见图1）。这仅是对典型WWHMS的简单说明，可能会扩展到包括各种其他组件，包括传感器，可穿戴材料，智能纺织品，执行器，电源，无线通信模块和链路，控制和处理单元，为用户界面，软件和先进的数据提取算法和决策。这样的系统也可以集成到不同的环境和设备中[6]。本文试图提供WWHMS及其体系结构，机制和功能的概述。
无线健康监护：范例和基础设施
虽然无线技术和电子医疗保健技术处于不断的发展中，但要架构适用于多种应用场景的理想WWHMS变得越来越困难。尽管如此，典型的WWHMS体系结构如图1所示，由于采用了新的功能，无线接入方法和电子元件，可以进一步改
图 1：WWHMS的典型结构由三层组成：1）一个或多个传感器生物传感器，用于捕获用户的生理信息; 2）用于本地数据处理和显示的主节点;以及3）用于监测和应急的无线网络 响应。（BAN:身体区域网络; GSM:全球移动通信系统; GPRS:通用分组无线电业务; UMTS:通用移动电信系统; WMTS:无线医疗遥测系统;WLAN:无线局域网; ADC:模数转换器; RFID:射频识别; GPS:全球定位系统。）
变这种架构，并且可以实现通用化。第一层是识别生物信号的一组传感器，用于不同监测目的的身体传感器[例如，脉搏血氧测定仪，心电图（ECG），血压和运动传感器]通常附接或嵌入人体。所获取的数据可以通过无线通信中继到其他节点或下一层的数据中心，以确保患者可以灵活行动，主节点是提供更多计算容量和内存的设备，允许数据在进一步传输到外部网络之前被存储或进一步处理。所收集的信息也可以选择性地引导至用户显示/设备界面以在该层中进行自我诊断。第三层是由医院或远程医疗中心的医疗保健提供者操作的远程医疗网络，监测人员可以通过该网络提醒处理紧急情况或诊断异常[7]。
为了适应不同用例，需要在短距离和长距离无线基础设施之间进行有效切换。例如，在家庭环境中穿戴WWHMS的患者可以在收集信息之前通过近距离无线设备（例如，蓝牙或ZigBee）将收集到的信息经由最近的身体上或身体外节点中继到中央收集数据库的医护人员。这些被穿着的WWHMS也可能与从家庭环境中的环境传感器采集到的信息相结合，以更准确地共同确定人的健康状况。相反，在花园工作或在户外散步的人可以直接利用现有的远距离无线基础设施（例如全球移动通信系统（GSM）或全球微波接入互操作性（WiMAX）无线电）传输收集到的健康状况。因此，因此，对于WWHMS的医疗信息的传输基本上需要执行两个不同的目的：1）用于将从生物传感器收集的生理信号传送到身体上的中心节点，即体内区域网络（intra-BAN ）模式，以及2）用于将聚合测量结果从可穿戴系统发送到远程医疗站，从而以extra-BAN模式进行通信[8]。
我们可以使用有线或多个无线链路处理层1来进行短距离数据传输。然而，在前一种情况下，使用导线会严重阻碍用户的移动性和舒适性，而且，系统故障的风险取决于其距离[9]。对这个问题更有效的解决方法是使用导电纱线传输集成在某种柔性智能纺织品服装上的传感器所采集到的测量数据[10]。或者，在后一种情况下，自主传感器节点可以形成BAN或身体传感器网络（BSN），通常在星形拓扑的基本配置中。数据被传输到BAN中央节点，该节点可以是智能手机或定制设计的基于微控制器的设备。同时，WWHMS与远程站或设备之间的层3中的远程数据传输可以使用各种可用的无线技术来执行。这些技术包括无线局域网（WLAN），GSM，通用分组无线业务（GPRS），通用移动电信系统（UMTS）和WiMAX，可提供无处不在的网络接入和广泛的覆盖范围。未来的移动通信系统也有望实现全球无缝宽带互联网接入，以促进远程可穿戴健康监测系统的实时测量。
表1中列出了WWHMS的几种常用无线通信标准。最近发布的IEEE 802.15.6标准[11]是具有针对低功耗设备进行优化的通信标准，并在人体内，人体表面或人体周围进行操作。开发的标准支持可扩展比特率（从1 kb / s到每秒数百兆比特），短距离协议（2 m到最大5 m），可支持多达100个设备的网络规模，并具有非常低的延迟和超低功耗，例如0.1-1mW。仅在这个标准中，已经定义了三个物理（PHY）层：窄带，超宽带（UWB）和人体信道通信。当需要通用收发器前端将各种无线功能与传感部件组合成磨损小的集成硬件模块时，可以预见到更复杂的硬件。
可以说，引入当前无线BAN标准之前最流行的标准是ZigBee [12]，其特点是
低成本，低数据速率通信，具有长电池寿命（长达数月）和非常低的复杂度。ZigBee在868MHz频段的单个信道上，915MHz频段中的10个信道（40kb / s，二进制相移键控调制）以及2.4-GHz工业，科学和医疗中的16个信道上运行 （ISM）频带（250kb / s，偏移正交相移键控调制）。 它利用载波侦听多址（CSMA） - 碰撞检测（CD）信道接入或基于信标机制和直接序列扩频编码的同步信道接入。 其最大传输距离约为75米，支持的网络架构包括星型，树状群和网状拓扑。
蓝牙[13]是便携式或固定设备之间的短距离，低功耗和低成本的基于射频（RF）的连接标准。它运行在未经许可的2.4GHz频谱上，使用超过79个信道的跳频技术来减轻干扰和衰落，并且可以在增强数据速率模式下支持高达3 Mb / s的速率，最大传输距离可达100 m（但通常为10米）。它可以配置为微微网，一个主站和七个从站的星形拓扑网络。主器件提供同步参考（通用时钟和跳频模式）。同时加密也是可选的[14]，[15]。然而，蓝牙特别兴趣小组增加了两种替代协议栈，例如蓝牙低功耗（BTLE），一种针对电池容量有限的设备的超低功耗技术，以及蓝牙3.0规范，该规范采用Wi-Fi PHY /介质访问控制（MAC）层以获得更高的数据吞吐量。 BTLE技术提供超低功耗空闲模式操作，简单的设备发现，以及具有省电和加密功能的可靠的点对多点数据传输。 BTLE将有两种实施方案，即独立式和双模式。手表和体育传感器等小型设备将基于独立的BTLE实施。双模式实现将使用部分蓝牙经典硬件，共享一个物理无线电和天线。当连接到独立的BTLE设备（不使用传统蓝牙）时，该设备将提供较低的功耗。
短程BAN（第2层）通信的替代技术包括红外数据协会（IrDA）标准，医疗植入通信服务（MICS），UWB以及Sensium和ANT等专有技术。 IrDA是一种低成本的通信协议，用于通过红外线短时间交换数据。尽管其功耗较低而且有着高达16 Mb / s的速度，但其视线通信要求使其对于WWHMS应用程序来说不切实际。 MICS是一种超低功耗，未经许可的移动无线电服务，用于传输低速数据以支持与医疗设备相关的诊断或治疗功能[16]。它使用带有300-kHz通道的402-405-MHz频段。有效的各向同性辐射功率限制在25mu;W，主要针对起搏器和除颤器等设备。尽管MICS具有良好的特性，但由于缺乏商用MICS解决方案，MICS尚未得到广泛的应用。 Zarlink就是这种解决方案的一个例子。其ZL70101是一款用于医疗植入式应用的超低功耗射频收发器。它使用Reed-Solomon编码方案和循环冗余校验错误检测来确保链路可靠性。假设原始无线电信道质量为10-3 BER，则为数据块提供低于1.5＃10-10的最大误码率（BER）。当ZL70101收发器配置为植入式医疗设备（IMD）时，收发器通常工作在非常低的电流状态（睡眠）。该模式可通过特殊编码的2.45-GHz唤醒消息或发送至IMD处理器的紧急消息来终止。卓联ZL70101的主要特点是极低功耗（5 mA，连续发送/接收和1 mA低功耗模式），超低功耗唤醒电路（250 nA）和MedRadio合规性。UWB标准在3.1-10.6 GHz的频率范围内运行，可承载高数据速率传输和10米距离的巨大带宽。但是，它也受到硬件复杂性的限制[17]。
ANT是为通用无线传感器网络（WSN）应用设计的专有技术[18]。它具有简单的设计，低延迟以及数据速率与功耗之间的折衷能力，其典型数据速率为20 kb / s（净速率）和1 Mb / s（无线数据速率）。通过采用类似于时分多址的自适应等时方案来解决2.4-GHz ISM频带中的干扰问题。同时，ANT 是由100多家成员公司组成的开放式联盟，定义健康和健身设备配置文件并管理网络密钥。当前的ANT 设备配置文件包括心率监视器，基于步幅的速度和距离监视器（脚架），自行车速度和节奏以及自行车功率。一些开发中的ANT 设备配置文件是体重秤，音乐播放器控制，多端口速度和距离以及环境传感器。
表1还总结了这些WWHMS主流无线技术的最重要特性。很明显，每个现有的标准都会出现限制，无论是由于干扰问题[19]，安全问题，硬件外形因素还是功耗。
WWHMS：从传感器到天线
无创传感器是监测生理功能，日常活动和个体行为的最有利机制[20]。由于它们可以提供不引人注目的测量，舒适度以及预防感染和污染，我们只对WWHMS进行进一步的讨论，排除了可植入设备。这种可穿戴的非侵入式传感器可以与身体接触或接近身体来测量大量的身体参数，如生命体征和身体运动，以及感知、情感和认知反应，如肌电图(EMG)、姿势、下降检测、运动、速度、加速度和压力[21]。从“无线健康监测:范例和基础设施”一节所描述的可用无线技术中，分析生物信号在选择合适技术方面的需求是很重要的。从表1可以看出，不同的WWHMS应用程序需要不同的感知机制、数据速率、节点数量和电池寿命。这些要求表明，设计这种WWHMS的任务是高度约束的，有时甚至是相互冲突的，需要根据它们的目的进行优化，使其具有吸引力和实用性。表2列出了几个最重要的身体传感器及其功能。
由于身体传感器与BAN之间的直接关系，BAN内部通信的设计至关重要。这意味着无线通信接口对于确保用户的舒适度和消除导线的使用是必要的。其他通信组件，RF组件和天线，可以灵活的确保舒适。平面形式的这些组件的设计通常需要使用电介质（作为衬底）和导电材料（用于电路线或天线辐射器）。为了达到这一目的，提出了一种可穿戴的柔性或刚性平面材料。使用的底物的类型将决定最终设备的灵活性和适合用户使用的适应性。实现其拓扑的技术包括导电喷墨打印/绘画，利用导电链形成一系列的线/网格，涂
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