基于體感網的健康監測系統研究

張博文，金新政

（華中科技大學健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

基于體感網的健康監測系統研究

張博文，金新政*

（華中科技大學健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

近年來體感網的出現與運用為打破傳統健康監測模式提供了契機，為了對該領域進行探究，本文首先解讀了體感網的概念與內涵，構建了體感網系統三層架構模型，在此基礎上闡明了系統內層級間的作用與關系，指出實現該領域真正嵌入當下醫療服務模式所面臨的挑戰。

體感網；健康監測；系統架構

0 前言

根據中華人民共和國民政部的統計顯示，截止至2015年底我國60周歲及以上人口22200萬人，占總人口的16.1%，預計到2020年我國老年人口將達到2.48億，老齡化水平將達到17%［1］。與此同時，伴隨著老齡化進程的加快，我國慢性病發病人數快速上升，現有確診患者2.6億人，導致的死亡已經占到我國總死亡的85%，導致的疾病負擔已占總疾病負擔的70%［2］。由于老年人群和慢病自身的特殊性，其管理的重點應放在長期的健康監測和及時的健康指導與反饋。然而我國健康監測醫療資源主要集中在院內，設備操作復雜，價格昂貴，傳統的監測服務模式無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新的，低成本的，高效的方法來打破傳統的健康監測模式。

與此同時，隨著生理傳感器、低功耗集成電路與無線傳輸技術的出現與成熟，醫療服務政策的推動以及大眾健康觀念的轉變，一批以體感網為基礎的健康監測系統開始進入人們的視線，應用在各式各樣的健康應用上，輔佐保健治療，使得健康監測服務得以從院內走向戶外與用戶家中。基于體感網的監測服務模式展現了巨大的市場潛力和發展趨勢，對大眾自我健康管理的實現有著重大意義。

1 概念與內涵

體感網（body area network或BAN）又稱無線體域網或身體傳感網絡，是基于可穿戴監測設備與生理傳感器的無線網絡，用于實時持續監測生命體征，從而達到有效的病前預防和病后康復的目的［3］。體域網不僅能感知外部環境和內部狀態的變化，而且通過反饋機制，能實時地對這種變化做出反應。感知、反饋和響應是體域網的三大要素，體感網技術需要結合電子信息技術、傳感器技術、紡織科學及材料科學等相關領域的前沿技術［4］。

圖1 體感網監測系統架構

近年來，隨著微電子技術的發展，體感網設備已可以內嵌或植入人體體內，附著于身體表面或利用可穿戴技術隨身攜帶于手腕，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、腕表型睡眠品質測量器、睡眠生理檢查器、可植入型身份識別組件等［5］。假如沒有體感網，這些傳感器和促動器則都只能獨立工作，要自帶各自的通信部件， 影響用戶體驗和管理效能的同時也造成了極大的資源浪費與數據混亂。

2 系統架構

時至今日，已有多種基于體感網的監測系統和原型被開發用于病人在院內、家中、戶外以及災難情況下的健康監測。但不管系統多么復雜，傳感、通信與信息處理始終是一個完整的健康監測系統的核心。由于體感網仍屬于網絡范疇，其架構仍然遵循傳統網絡的分層結構，為了闡明監測系統的設計原理和服務模式，本文以經典的體感網三層結構為基礎，構筑了體感網監測系統架構，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、信息響應層表示，三個層級的系統運行原件可以表示為傳感節點，基站與遠程中央服務器，層級之間進行數據處理與通信交換，從而達到輔佐健康管理的目的，值得一提的是架構并非是靜態模型，可以根據需求、適用環境與群體的不同進行改變。

2.1 信息感知層

信息感知層是整個系統架構的基礎，負責人體生理數據和環境數據的采集、處理、傳輸和設備控制功能，傳感器、促動器、移動基站（智能手機、PDA、筆記本電腦及PC等）等硬件設施共同組成了無線傳感器網絡。傳感器和促動器通過802.15協議將監測數據直接或由后端傳感器匯聚封裝之后間接傳遞給移動基站單元，基站對接收到的生物信號進行過濾、存儲、整合、封裝后發送至信息處理層，另外，基站提供異構網絡融合與協同技術，實現層級間，基站與傳感器間無縫對接。

無線傳感器間和傳感器與基站間的通信使用的是802.15標準，最常用的是802.15.1（低耗藍牙，BLE）和802.15.4（紫蜂協議，Zigbee），除此之外，其他使用技術也包括了基于802.15.3的無載波通信技術（UWB）；ANT無線個人局域網通訊技術；紅外線數據技術（IrDA）；治療植入通信服務（MICS）以及其他無線通信技術也有部分正在使用［6］。值得一提的是，2012年誕生的802.15.6標準作為第一個國際無線體域網標準，最高傳輸速率可達10Mbps，最長距離可達3公尺，預期可廣泛應用在人體穿戴式傳感器、植入裝置中， 取代目前包括低耗藍牙或紫蜂協議在內的種類繁多的專用無線電技術。

信息感知層中的傳感器主要用來檢測和傳輸用戶生理體征和環境數據，按照數據不同可分為三類［7］：①生理傳感器，測量人體重要內部和外部參數（體溫、血壓、ECG等）；②生物動感傳感器，檢測用戶身體運動數據（加速度、轉動角速度等）；③環境傳感器，負責收集用戶外部環境數據（環境溫度、氣壓、光線、濕度等）。傳感器并非單獨運作，相反，不同傳感器間的協同運作，可提供用于醫療診斷和治療的額外重要信息。目前，無線醫療設備廠商正在積極整合不同生物傳感器，用以監測多種生物信號，基于“FIT”系統的職能手環包含了3D加速計，溫度傳感器，汗液傳感器，熱輻射傳感器等在內的多個前段傳感設備，各監測指標統一傳遞給后端傳感器匯聚節點，進行封裝，發送給后臺服務器，服務器按照數據關聯程度和已有模塊與算法推斷出用戶健康狀況，進行反饋指導。此外，技術創新和方法改良使得傳感器更加沒有傷害性，數據來源更加豐富。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備，數據來源方面，聲音行為偵測和自動診斷語音識別系統可以收集相關數據并診斷如咳嗽，頭疼，胃疼，胸痛等癥狀，大大提高系統的診斷能力。

2.2 信息處理層

信息處理層是整個系統架構的橋梁，基站將原始或低級的傳感信息進行進一步處理后傳遞給體感網后端服務器，后端服務器對數據執行更高級處理與分析，如特征抽取對比，找到異常狀態病人，隨后將高級數據通過網關傳遞給臨床后臺服務器，由專業醫務人員進行數據解讀分析和反饋。此外，信息處理層的信息流是雙向傳遞，可以將相關信息實時的傳遞給用戶，存在健康隱患時給用戶和后臺醫務人員發出警報。事實上，不同平臺均可當基站來使用，一些公司和科研院所更傾向研發他們自己的設備，然而隨著以智能手機為主的移動設備越發成熟，其強大的處理功能和存儲容量滿足了基站與體感網后臺服務器合并的需要，而兼容開放的系統也為簡化系統部署，減少通信成本提供了幫助。正因此，基站起著越來越重要的作用，除了整合傳感數據外，同樣負責同步通信，檢查傳感器狀態的同時使用控制信號設置例如采樣率等參數，此外，基站可以根據可用網絡、成本等參數在不同模式之間轉換，例如，根據用戶在室內或者室外的情況，在定期傳輸常規數據和緊急實時數據間跳轉。隨著應用發展，體感網后臺服務器功能也愈發豐富，入口多以APP的形式安裝在用戶智能移動端（基站），用戶可以在后臺服務器查閱自己健康數據，與醫護人員進行溝通交流，瀏覽健康指導，進行自我健康管理。

2.3 信息響應層

信息響應層是整個系統架構的核心，由臨床后臺服務器、應用服務器和控制設備組成，收集的數據將自動集成，用于醫學診斷和更復雜的算法處理，被授權的專業醫務人員通過蜂窩網絡或者因特網遠程獲得用戶健康數據，多個用戶（多個BAN）可以共用一個后臺系統，不同元件之間的通信也被叫做后端通信。此外，該層級還負責健康應用服務的觸發與傳遞，實現對部分終端設備控制的功能。

綜合來看，信息響應層的設計是特定應用且適用于不同用戶的需求，為了響應用戶需求，其儲存和處理單元包含了多種元素，例如：

·后臺服務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警報，通過短信或郵件通知家人及醫務人員來進行干預。

·運用視頻會議系統，醫生和護理人員可以通過網絡和病人進行交流。

·用戶可以通過相關應用咨詢個人數據和分析結果。

·專業人員使用遠程控制服務來設置例如生物信號閾值等參數。

事實上，三個層級之間的協同與聯動才是整個系統架構實現有效健康產出的關鍵，感知層采集數據并保證數據的準確，全面，處理層對獲得的生理數據和環境數據進行實時管理和控制，并為響應層的應用提供一個良好的用戶接口，響應層通過統一的服務平臺，為不同用戶提供多種應用接口，形成閉環結構，為個性化醫療，更好了解病情演變，藥物影響監督和慢病管理提供幫助。

3 面臨挑戰

基于體感網的健康監測的服務理念與運行模式將在很大程度上減少醫療資源浪費，為臨床決策，藥物研究，健康管理提供支持，但歸根結底，體感網監測模式是一個跨學科，跨領域復雜的信息網絡工程，仍面臨著巨大挑戰。

3.1 安全隱私

醫療信息安全問題一直是國內外相關研究領域關注的焦點，數據的機密性、可鑒別性、完整性和新鮮度是體感網安全管理需要滿足的四個方面，然而體感網以數據為基礎的服務模式無形中加大了信息泄露、遠程控制的風險［8］。其次，由于受到能耗、內存、通信速率、拓撲動態變化和計算能力等因素限制，其他網絡安全解決方法并不能直接套用于體感網安全管理。此外，相關政策界定不健全也會帶來一系列法律問題，例如倫理，健康數據所有權，設備監管分類等問題。由此可見體感網安全隱私是一個復雜的系統性問題，但如若缺少了安全保障，體感網的前景也將大打折扣。

3.2 系統設備

傳感器設備是獲取體感網監測服務數據的主要來源，也是實現個性化醫療服務的關鍵。然而功能上，國內的相關應用大多并未達到醫療級別，功能單一，同質化現象嚴重，各廠商傳感器之間標準不一，協同困難，數據整合存疑。性能上，傳感器設備要求外形小、重量輕、能耗低、方便使用和易于重構的同時仍要考慮穿戴的舒適性以及系統的容錯性和抗毀性。除此之外，部署在人體上傳感器的位置和系統所處的溫濕度及電磁環境都在時刻變化之中，影響著傳感器采集信息的準確性，網絡拓撲路由和無線信道的有效傳輸等面臨不同以往的挑戰。

3.3 數據管理

體感網自身應用需要容納大量的傳感器節點來感知人體內外部信息，海量的感知信號組成了實時的多源的傳感數據流。然而我國現有的數據分析與提取技術大多停留在數據挖掘的功能邊緣，不具備學習，預測，發現等能力，不能滿足服務需要。如何有效感知，針對性和創造性的利用健康數據指導健康管理和臨床實踐是該領域現階段面臨的另一挑戰。

3.4 觀念接受

盡管大眾網絡使用率正在穩步提高，數字鴻溝正在逐步消除，但預防勝于治療，不治已病治未病的觀念仍未成形，其次，作為體感網監測的主要服務對象，老年人由于其在身體和認知上的缺陷，使其在使用與技術接受上存在較為突出的問題，如何改變大眾觀念，找到一個用戶易于接受與掌握的服務路徑是該領域能否嵌入未來醫療保健服務模式的關鍵之一。

4 結語

目前基于體感網的健康監測系統研究也只是處于試水階段，其真正嵌入醫療保健路徑還需要時間。但不可否認的是，體征監測服務與健康數據應用將越來越多的出現在未來人們的生活中，如何保障監測數據有效安全，實現數據間的互操作和分析，形成基于體感網與數據驅動的監測服務閉環，為用戶提供個性化醫療服務將是眾多學者和業內人士下一步需要關注的問題。

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

［2］ 原衛生部，國家發展改革委，教育部，等.中國慢性病防治工作規劃（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. 面向體域網節能策略的研究［D］. 東華大學， 2015.

［5］ 王洋， 王曉蕾， 尹路，等. 人體通信技術研究［J］. 電信科學， 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

“國家科技支撐計劃項目”資助（項目編號：2008BAI52B00）

張博文，男，研究生在讀，衛生信息管理專業；研究方向：衛生信息管理。

金新政，男，華中科技大學同濟醫學院 管理學教授，研究生導師，系華中科技大學健康信息資源研究中心主任。主要研究方向是信息管理、衛生事業管理和軟科學。