穿戴式生理監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡研究進展

王美嬌，趙 迎，孫 琪，李美萱

(長春理工大學光電信息學院，長春 130000)

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穿戴式生理監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡研究進展

王美嬌，趙 迎，孫 琪，李美萱

(長春理工大學光電信息學院，長春 130000)

穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)包括一組嵌入到佩戴者織物中可以連續(xù)監(jiān)視生理參數(shù)，并傳送到無線遠程監(jiān)控站傳感器的陣列。本文討論了無線傳感器網(wǎng)絡及其在可穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)中的應用，并對傳統(tǒng)的可穿戴式生理監(jiān)測相關問題進行了討論。

穿戴式監(jiān)測；遠程監(jiān)控站；無線傳感器網(wǎng)絡

1 穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)組成

穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)由集成到穿戴者身體織物的傳感器陣列組成，并將連續(xù)采集到的生理數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)控站，通過遠程監(jiān)控站獲得的相關數(shù)據(jù)研究穿用者的整體健康狀態(tài)?？纱┐魇奖O(jiān)測系統(tǒng)允許個人遠程監(jiān)視生命體征并接受反饋，以保持良好的健康狀態(tài)。當檢測到異常時系統(tǒng)會提醒醫(yī)務人員采取相應的措施。在醫(yī)院中使用的常規(guī)生理監(jiān)測系統(tǒng)不能用于穿戴式生理監(jiān)測的應用，其原因如下[1-2]：

a.系統(tǒng)體積大，不便于佩戴監(jiān)測；

b.電極使用一段時間后凝膠變干，降低信號質(zhì)量；

c.較長時間使用會導致過敏和皮疹；

d.存在大量的妨礙導線；

e.信號受運動偽影影響。

傳統(tǒng)佩戴式從圖1中可看出不便攜，為克服傳統(tǒng)生理監(jiān)測的上述問題，有必要開發(fā)可穿戴監(jiān)控的傳感器，并整合到穿戴者的面料中，實現(xiàn)生理參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測。

圖1 傳統(tǒng)佩戴式檢測Fig.1 Traditional wearable monitoring

這種穿戴式生理檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸硬件已逐漸成為研究熱點，其不僅便攜、穿戴舒適，且具有較強續(xù)航能力的電池電量和遠程監(jiān)控站。可穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)包括三個方面內(nèi)容，即：傳感器背心、可穿戴式數(shù)據(jù)采集與處理硬件及遠程監(jiān)控站。在背心傳感器中采集的各類生理參數(shù)被有機結合起來[3-4]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)可穿戴生理系統(tǒng)的缺點是：a. 組成穿戴式數(shù)據(jù)采集硬件的織物傳感器互連電纜容易引入干擾噪聲；b. 集成到織物上的傳感器位置不能被改變；c. 電源來自可穿戴數(shù)據(jù)采集硬件的通用電池并通過導線編織的織物被路由繪制；d. 在穿著者日常生活中背心互連及傳感器之間的電纜容易損壞。

目前，穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)已發(fā)展到監(jiān)視佩戴者個人的健康狀況?？纱┐魃肀O(jiān)測系統(tǒng)之所以被稱作“智能背心”，是因為它可以監(jiān)測心電、PPG、心率、血壓、體溫和GSR等各種生理參數(shù)，采集獲取的生理參數(shù)根據(jù)穿用者的地理位置被發(fā)送到無線遠程監(jiān)測站。針對高風險的心臟或呼吸道患者，已研制出手腕戴式醫(yī)療監(jiān)控和警報系統(tǒng)(AMON)用來監(jiān)控生理參數(shù)，如心電圖、心跳加快、血壓升高、皮膚溫度等。Vivometrics公司已開發(fā)出可穿戴式生理監(jiān)控系統(tǒng)，稱為“生命襯衫”，以監(jiān)視各種心肺參數(shù)。

可穿戴生理監(jiān)測系統(tǒng)名為“生命衛(wèi)士”，用來監(jiān)控太空中宇航員的健康狀態(tài)和地面應用開發(fā)。隊長袖標Sense Wear(Body Media)公司開發(fā)出的穿戴式身體監(jiān)視器已被用來研究正常人和慢性阻塞性肺疾病(COPD)受試者的身體運動和能量消耗。富人可穿戴紡織接口集成實現(xiàn)電極與壓阻式傳感器的紗線連接，由集成碳加載彈性應變傳感器和用來監(jiān)測生物電極組成的棉或萊卡襯衫組成。My Heart穿戴式監(jiān)測系統(tǒng)的重點是整合不顯眼的傳感器到日常服裝和小型化的車身電子模塊，并用專用軟件完成心電圖預處理和運動偽影檢測，心臟速率和心臟心率變異性參數(shù)的分析計算[5]。

許多穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)已投入實際使用，佩戴者在醫(yī)院和現(xiàn)實生活中的健康狀況監(jiān)測已有報道。但其存在的問題是室外使用的故障百分比較高，為克服此問題，已開發(fā)出以無線傳感器網(wǎng)絡體系結構為基礎的可穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)各傳感器集成到可容納電子和無線通信系統(tǒng)的集成板上，實現(xiàn)生理數(shù)據(jù)采集與傳輸。一些微小的無線傳感器被放置在人體上，從而創(chuàng)建一個無線身體區(qū)域網(wǎng)絡，監(jiān)測各種生命體征，提供實時反饋給用戶和醫(yī)務人員。無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是由大量節(jié)點組成的，體積小，內(nèi)置計算器、電源、傳感器，可從穿戴者和無線傳輸中獲取生理數(shù)據(jù)并具有接收能力。

3 結語

可穿戴式生理監(jiān)測系統(tǒng)屬于智能醫(yī)療監(jiān)護設備，為佩戴者或遠程監(jiān)控站提供實時反饋?？纱┐魇缴肀O(jiān)測將傳感器和導線集成到佩戴者的織物上，但其存在許多缺陷。為克服前面討論過的問題，各生理傳感器及其處理電路和無線收發(fā)形成一個傳感器網(wǎng)絡集成。無線傳感器網(wǎng)絡應用于各個領域，如軍事(戰(zhàn)場監(jiān)視、敵人或友軍的監(jiān)測與跟蹤、生物與化學攻擊檢測)，環(huán)境(森林火災與水災檢測、地震活動、空氣污染、水位監(jiān)測、人體生理健康的應用監(jiān)測數(shù)據(jù))，家電(入侵檢測、家庭自動化)，商業(yè)(庫存控制、材料疲勞、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控)，大型建筑和環(huán)境監(jiān)測氣候控制等。在無線傳感器網(wǎng)絡中，大量傳感器使用射頻能量不斷與匯聚節(jié)點通信，并且由于長期暴露，目前正在研究電磁輻射對各種生物的影響范圍。

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Research progress of wearable physiological monitoring wireless sensor network

WANG Mei-jiao, ZHAO Ying, SUN Qi, LI Mei-xuan

(College of Optoelectronic Information, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000, China)

The wearable physiological monitoring system consists of a set of arrays embedded in the wearer′s fabric that can continuously monitor physiological parameters and transmit them to the array of wireless remote monitoring station sensor. The wireless sensor network and its application in wearable physiological monitoring system were analyzed, and the related issues of traditional wearable physiological monitoring were discussed.

Wearable monitoring; Remote monitoring station; Wireless sensor network

2016-12-16

王美嬌(1983-)，女，碩士。

TN711.5

A

1674-8646(2017)04-0032-02