穿戴式生理監測無線傳感網絡研究進展

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)

?

穿戴式生理監測無線傳感網絡研究進展

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)

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

穿戴式監測；遠程監控站；無線傳感器網絡

1 穿戴式生理監測系統組成

穿戴式生理監測系統由集成到穿戴者身體織物的傳感器陣列組成，并將連續采集到的生理數據發送到遠程監控站，通過遠程監控站獲得的相關數據研究穿用者的整體健康狀態。可穿戴式監測系統允許個人遠程監視生命體征并接受反饋，以保持良好的健康狀態。當檢測到異常時系統會提醒醫務人員采取相應的措施。在醫院中使用的常規生理監測系統不能用于穿戴式生理監測的應用，其原因如下[1-2]：

a.系統體積大，不便于佩戴監測；

b.電極使用一段時間后凝膠變干，降低信號質量；

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。

傳統佩戴式從圖1中可看出不便攜，為克服傳統生理監測的上述問題，有必要開發可穿戴監控的傳感器，并整合到穿戴者的面料中，實現生理參數的連續監測。

圖1 傳統佩戴式檢測Fig.1 Traditional wearable monitoring

這種穿戴式生理檢測系統的數據采集、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，且具有較強續航能力的電池電量和遠程監控站。可穿戴式生理監測系統包括三個方面內容，即：傳感器背心、可穿戴式數據采集與處理硬件及遠程監控站。在背心傳感器中采集的各類生理參數被有機結合起來[3-4]。

2 國內外研究現狀

傳統可穿戴生理系統的缺點是：a. 組成穿戴式數據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. 電源來自可穿戴數據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，穿戴式生理監測系統已發展到監視佩戴者個人的健康狀況。可穿戴生理監測系統之所以被稱作“智能背心”，是因為它可以監測心電、PPG、心率、血壓、體溫和GSR等各種生理參數，采集獲取的生理參數根據穿用者的地理位置被發送到無線遠程監測站。針對高風險的心臟或呼吸道患者，已研制出手腕戴式醫療監控和警報系統(AMON)用來監控生理參數，如心電圖、心跳加快、血壓升高、皮膚溫度等。Vivometrics公司已開發出可穿戴式生理監控系統，稱為“生命襯衫”，以監視各種心肺參數。

可穿戴生理監測系統名為“生命衛士”，用來監控太空中宇航員的健康狀態和地面應用開發。隊長袖標Sense Wear(Body Media)公司開發出的穿戴式身體監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測生物電極組成的棉或萊卡襯衫組成。My Heart穿戴式監測系統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的分析計算[5]。

許多穿戴式生理監測系統已投入實際使用，佩戴者在醫院和現實生活中的健康狀況監測已有報道。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，已開發出以無線傳感器網絡體系結構為基礎的可穿戴式生理監測系統，系統各傳感器集成到可容納電子和無線通信系統的集成板上，實現生理數據采集與傳輸。一些微小的無線傳感器被放置在人體上，從而創建一個無線身體區域網絡，監測各種生命體征，提供實時反饋給用戶和醫務人員。無線傳感器網絡(WSN)是由大量節點組成的，體積小，內置計算器、電源、傳感器，可從穿戴者和無線傳輸中獲取生理數據并具有接收能力。

3 結語

可穿戴式生理監測系統屬于智能醫療監護設備，為佩戴者或遠程監控站提供實時反饋。可穿戴式生理監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形成一個傳感器網絡集成。無線傳感器網絡應用于各個領域，如軍事(戰場監視、敵人或友軍的監測與跟蹤、生物與化學攻擊檢測)，環境(森林火災與水災檢測、地震活動、空氣污染、水位監測、人體生理健康的應用監測數據)，家電(入侵檢測、家庭自動化)，商業(庫存控制、材料疲勞、產品質量監控)，大型建筑和環境監測氣候控制等。在無線傳感器網絡中，大量傳感器使用射頻能量不斷與匯聚節點通信，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。

[1] Sung-Nien Y, Jen-Chieh C. A Wireless Physiological Signal Monitoring System with Integrated Bluetooth and WiFi Technologies[C]//Proceedings of the Engineering in Medicine and Biology Society, 2005 IEEE-EMBS 2005 27th Annual International Conference, 2005：2203-2206.

[2] 張政波，俞夢孫，趙顯亮，等.穿戴式、多參數協同監測系統設計[J].航天醫學與醫學工程，2008，21(01)：4.

[3] Jiang S, Care Y, Iyengar S, et al. Care Net: an integrated wireless sensor networking environment for remote healthcare[M]. Proceeding of the ICST 3rd international conference on body area networks. Tempe, Arizona; ICST(Institute for Computer Sciences, Social-Informatics and Telecommunications Engineering)，2008：1-3.

[4] 單志勇.常用生理參數的監測原理[J]. 醫療設備，2006，(04)：7-8.

[5] Curtis D, Shih E, Waterman J, et al. Physiological signal monitoring in the waiting area of an emergency room[M]. Proceeding of the ICST 3rd international conference on body area networks. Tempe, Arizona; ICST(Institute for Computer Sciences, Social-Informatics and Telecommunications Engineering)，2008：1-8.

[6] 馬忠梅，孫娟，李奇. 物聯網工程專業課程體系與實踐探討[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2011，(10)：1-4.

[7] 周惠椒，譚喜堂，朱琴躍，等.ZigBee無線通信技術在電力監控系統中的應用[J]. 低壓電器，2011，(18)：36-41.

[8] 王廷，焦斌亮，紀麗猛. 基于STM32W108的油田無線傳感網絡設計[J]. 計算機安全， 2011，(05)：31-34.

[9] 李麗莉.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡節點的設計[J]. 電子元器件應用，2011，(04)：13-14.

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