家庭網絡中的ＢＡＮ和遠程健康監(jiān)護

摘要：通過遠程醫(yī)療監(jiān)護系統提供及時現場護理(POC)服務是提升健康護理手段的有效途徑。體域網(BAN)是由依附于身體的各種傳感器構成的網絡。在遠程健康監(jiān)護中，將BAN作為信息采集和及時現場護理(POC)的網絡環(huán)境，可以取得良好的效果，賦予家庭網絡以新的內涵。借助BAN，家庭網絡可以為遠程醫(yī)療監(jiān)護系統及時有效地采集監(jiān)護信息；可以對醫(yī)療監(jiān)護信息預讀，發(fā)現問題，直接通知家庭其他成員，達到及時救護的目的。

關鍵詞：體域網；遠程健康監(jiān)護；及時現場護理；家庭網絡

Abstract: The Point-of-care (POC) service provided by remote medical monitoring system is an effective approach to upgrade healthcare. A Body Area Network(BAN) consists of various sensors attached to the human body. The BAN enables good remote health monitoring when it is used for information collection and POC. It accordingly adds new values to the home network. With the aid of the BAN， a home network can effectively collect monitoring information in time for the remote medical monitoring system. Moreover， it can further detect symptoms of a person by pre-reading collected information， and directly notify his family of the symptoms for prompt treatment.

Key words: body area network; remote health monitoring; point of care; home network

相對于工作場所，居家環(huán)境更主要地體現在休息和娛樂。為此，通過家庭網絡構建的家庭娛樂、智能居家、家庭安防和綜合信息通信服務，正在努力為家庭居室建立一個舒適、安全、愉悅的生活環(huán)境。

然而，除了生活的安全與舒適之外，人體健康護理也是居家生活必須考慮的問題。這是因為，居家的特殊生活方式與狀態(tài)常常導致了我們生活的這個時間段處在健康監(jiān)護的盲區(qū)。很多突發(fā)性的疾病，由于沒有及時發(fā)現而錯過搶救的時間，另外，很多慢性病患者到醫(yī)院進行經常性的日常檢查，也造成醫(yī)院擁擠，甚至造成對病人新的傷害。居家環(huán)境中的醫(yī)療遠程監(jiān)護就是要提供全程(24 h/d)的健康監(jiān)護，提供完整的病情報告，對疾病進行預警和及時現場救護。這就是遠程醫(yī)療監(jiān)護延伸到家庭中的主要原因。

1 醫(yī)療監(jiān)護體域網

1.1 遠程醫(yī)療監(jiān)護

遠程醫(yī)療監(jiān)護(Telecare)是遠程醫(yī)學的一個部分，因它所提供的及時現場護理(POC)服務，正在日益凸顯它的重要。它使人們可以及時發(fā)現某些突發(fā)疾病，如冠心病、腦溢血的發(fā)病征兆，給予預警，在發(fā)病的期間給予及時的醫(yī)療救護。而一般的慢性病，如糖尿病、睡眠障礙等也能通過監(jiān)護，發(fā)現病因，觀察醫(yī)療進展，進而指導醫(yī)療。

遠程監(jiān)護經歷的發(fā)展過程大致有以下幾個階段：

(1)非實時監(jiān)護。如采用24 h心電監(jiān)護儀，患者將其背負在身上，記錄下較長一個時間段上的心率變化。但它沒有通信部件，事后要拿到醫(yī)院解讀，或者由一個家用發(fā)送裝置完成信息的發(fā)送。對于患者病情急性發(fā)作，它是無能為力的。

(2)實時監(jiān)護。通過有線連接監(jiān)護傳感器，并建立公共交換電話網(PSTN)的實時傳輸鏈路，實時地將數據傳送到醫(yī)院臨床診斷救護中心，如同病房搬到了家里。缺點是妨礙被監(jiān)護者正常的活動，另外，它的發(fā)送裝置也僅為單個傳感器服務。

(3)無線體域網(BAN)。在人體上設置多個健康監(jiān)護傳感器，共用一個無線發(fā)送器，構成一個網絡，即健康監(jiān)護BAN。

(4)家庭網絡環(huán)境下的多無線BAN，借助家庭網絡的網關設備，使多位家庭成員共享醫(yī)療監(jiān)護信道。另外，網關對監(jiān)護信息實現預讀，在轉發(fā)信息的同時，向患者的家庭成員發(fā)出告警。

1.2 BAN網絡模型

BAN^[1]是由附著在人體上的各種計算部件組成的網絡。它和可穿戴計算機密切相關，這些計算部件分布在人身體的各個部位。

BAN的原型系統是由T. G. Zimmerman在1996年開發(fā)的^[2]，它提出了以人體皮膚為信息通道的數據傳送方法(最大速率400 kb/s)，將身體上部署的各種設備連接起來。除了通過有線、皮膚進行通信外，用短程無線射頻(RF)通信技術進行BAN的信息交互日趨成為研究的重點。

BAN因部署的傳感器的類型不同，而使其作用不同。不過，這些不同類型的BAN通信模型基本是相同的，一般分為BAN內部通信和BAN與外部通信兩部分，如圖1所示。內部BAN通信將各傳感器、促動器的信息與移動基本單元(MBU)進行信息交互，完成BAN內部的通信；MBU再將數據傳送到外網，外網可以是如GSM、PSTN網絡，也可以是距BAN較近的個域網(PAN)網絡，構成BAN的外部通信。

在醫(yī)療監(jiān)護方面，近年來，隨著微電子技術的發(fā)展，出現了可穿戴、可植入、可侵入的服務于人的健康監(jiān)護設備：如穿戴于指尖(夾子)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(穿戴于胸前)、戒指型血氧量等生理現象的測量傳感器、低侵入性的影像信息傳送組件囊膠、可植入型身份識別組件。

除了以上各類人體生理信息傳感器以外，微電子技術還催生了各類促動器，如用于激化麻痹肌肉的植入型芯片(美國南加州大學的BION計劃)、自動給藥器(美國加州大學爾灣分校馬克·瑪竇研究)。

如果沒有BAN，這些傳感器和促動器都是獨立工作的，要自帶各自的通信部件，因此通信資源不能有效利用，信息傳送的安全性和有效性得不到保障。

從經濟、微型化考慮，自然提出了讓這些傳感器構成一個網絡的設想，將各種傳感器的信息先會聚到一個身體上的通信單元上(如MBU，類似Ad Hoc網絡中的簇頭)，由它進行BAN的內部通信，同樣，也由它和別的通信網絡進行BAN外部通信。除了在通信方面的獲益之外，BAN網絡還可以加入環(huán)境感知功能，自主地決定網元的動作(如對促動器發(fā)出命令)。圖2所示是一個健康監(jiān)護BAN的示意圖。最終，BAN的信息將匯總到護理中心，由這里的設備進行分析、整理，對病情狀況做出報告。可由此發(fā)出急救命令，也可發(fā)出普通的護理信息，如傳給BAN的促動器命令，完成自動給藥、輸液等工作。

BAN構成了服務于人的最小的網絡。從信息技術的發(fā)展來看，移動的、貼身的服務無疑是最能體現普適計算理念的服務。

BAN的作用范圍是1～2 m的距離。現在提出的BAN的基本要求是：能夠進行異種設備互連，即插即用；可能力重配置；可業(yè)務整合；能夠與BAN外網連接。

1.3 MobiHealth研究計劃

2002年5月1日歐盟啟動了移動的健康監(jiān)護(MobiHealth)研究計劃^[3](編號：IST-2001-36006)，計劃于2004年2月結束，耗資819萬歐元，其中歐盟投入495萬歐元。參與者包括電信運營商、健康呼叫中心、醫(yī)院、保險公司、傳感器和促動器制造商、電信設備制造商、大學、研究所等，涉及5個國家(英國、德國、瑞典、荷蘭、西班牙)的14個研究單位。

該項目是一個預研性的合作支撐評估項目，是為開展健康領域的增值服務而引入，用以檢驗基于2.5G和3G的無線通信技術用于遠程醫(yī)療服務的可行性。該項目提出了將傳感器和促動器整合成一個無線體域網的概念，一個完整的健康護理網絡如圖3所示。

在這個項目具體實現中，各種傳感器到MBU之前，先通過有線連到一個前端設備上。共開發(fā)了4通道和9通道兩種前端設備，可連接光電血氧計、心電圖儀等各類傳感器，由它用藍牙技術發(fā)射到MBU，構成內部BAN通信，然后MBU進行BAN外部通信，采用通用分組無線業(yè)務(GPRS)或通用移動通信系統(UMTS)將信息發(fā)送到遠端醫(yī)療服務系統中。服務系統可以同時對近10萬個BAN進行監(jiān)護和信息管理。

該項目研究的結論是：使用2.5與3G基礎設施，在遠程醫(yī)療方面存在優(yōu)勢；通過這個方法提供給病人完全個性化的、居家的健康監(jiān)護，可降低在醫(yī)院和健康護理的費用；通過一個基礎性開發(fā)平臺能幫助中小型企業(yè)(SME)開發(fā)基于2.5與3G的移動的健康和生命持續(xù)監(jiān)護的增值業(yè)務，包括疾病診斷、疾病預防、遠程援助、身體狀況檢查。

研究推出了一種新的服務模式：移動個體的遠程醫(yī)療服務＝體域網(BAN)＋無線通信＋患者監(jiān)護應用。

2 健康監(jiān)護BAN通信標準

2.1 BAN通信技術

正是MobiHealth項目的研究引入了健康監(jiān)護的BAN，其通信技術也被細分為：BAN內部通信技術、BAN與外部通信技術和服務網絡通信技術。

有關BAN內部的通信協議和建模方式，有兩種技術標準可以采納，即傳感器工業(yè)的智能傳感器互連與互操作標準(IEEE 1451)，以及醫(yī)學臨床界使用的醫(yī)療設備互連與互操作標準(IEEE 1073)。也就是說健康監(jiān)護BAN中的傳感器，可以視為普通的傳感器，接口遵從IEEE 1451規(guī)范，進行信息交互，即插即用；也可以將其視為專用的醫(yī)療監(jiān)護設備，接口遵從IEEE 1073規(guī)范，即插即用。它們的主要差別在語義描述和操作模式層面上，各有優(yōu)勢。

目前是IEEE 1451產品為主。兩類產品共存，混合使用是較長時間段的現實狀況。IEEE 1073的高層協議起的作用今后會大于IEEE 1451協議。在物理層上可采用有線、無線RF、紅外等多種方案。普通傳感器到前端設備的信息傳送不屬于BAN通信的內容，可視為將普通傳感器變?yōu)橹悄軅鞲衅鞯木唧w實現。

在BAN與外部通信技術中，已經有直接與基礎網絡通信的方案，如MobiHealth項目采用2.5G與3G解決方案。也可采用ZigBee、藍牙、無線局域網和超寬帶(UWB)等其他短距無線傳輸技術構建BAN與PAN的通信解決方案，方案適用于家庭網絡、救護車等其他PAN中進行信息交互。在通信的高層協議中，IEEE 1073發(fā)揮著較大的作用。

在服務網絡上，可以參考的標準是IEEE 1157(即健康數據交換標準)。通過IEEE 1157，可以建立基于內容的路由服務，構架內容分發(fā)網絡(CDN)。在美國，紐約州的IDEATEL計劃進行了4年有關借助Web的遠程醫(yī)療監(jiān)護試驗，對1 500名糖尿病患者進行了遠程醫(yī)療監(jiān)護，效果尚在評估中。另外，美國的MediCompass項目與Yahoo合作開發(fā)了基于Web的增值服務網站。

2.2 傳感器互操作標準IEEE 1451

IEEE 1451是智能傳感器互連互操作協議^[4]，是BAN內部信息通信方案之一。這里“智能”是指傳感器的自我描述、自我識別的能力，使之互連互操作。早在1993年，為了解決傳感器與各種網絡相連的問題，Kang Lee等人就開始構造一種通用智能化傳感器的接口標準。1993年9月，IEEE傳感器測量和儀器儀表技術協會決定制訂這樣的協議，到1995年4月，成立了兩個專門的技術委員會：P1451.1工作組和P1451.2工作組。前者負責對智能變送器的公共目標模型進行定義和對相應模型的接口進行定義；后者負責定義變送器電子數據定義(TEDS)和數字接口標準，包括智能TIM(STIM)和網絡能力應用處理器(NACP)之間的通信接口協議和管腳定義分配。其中，變送器電子數據定義(TEDS)是一種元語言描述框架。在STIM和NCAP的標準接口上，提供了一個傳感器數據的統一的描述方法和封裝形式。使網絡能夠自動地識別和處理這類智能傳感器的信息。制造商可以把一個傳感器應用到多種網絡中，使傳感器具有“即插即用”能力。經過幾年的努力，IEEE 1451工作組已經通過了7個系列的傳感器互連互操作的標準，分別適用于不同的網絡環(huán)境。

2.3 醫(yī)療設備互連互操作標準IEEE 1073

IEEE 1073協議是從醫(yī)療救護這個視角描述系統^[5-6]，它屬于POC互通中的一個環(huán)節(jié)中的互連規(guī)范，按照醫(yī)療設備互連行業(yè)協會(CIC)的要求，POC的互連體現在兩個接口上，如圖4所示。設備接口包括兩個部分：設備與接入點(DAP)規(guī)范、設備消息層(DML)規(guī)范。DAP規(guī)范給出了一個低成本、靈活可靠的信息通信方法，DML規(guī)范給出了設備與觀察診斷者之間信息的結構、含意和交互流程。其中IEEE 1073就是DAP的規(guī)范，第7層健康信息交換標準(HL7)是DML規(guī)范。接入點是接收BAN信息并將它傳送到遠端的功能實體；POC數據管理實體轉換HL7理解的內容，用可擴展標記語言(XML)表示。不同的接口規(guī)范由不同的工作組研究，最后由美國臨床實驗室標準化委員會(NCCLS)發(fā)布，該組織2005年更名為臨床實驗室標準化協會(CLSI)。

在BAN中，人們主要關心POC設備的互操作，也就是設備接口DAP的IEEE 1073協議。從實現BAN通信的角度看，它定義的就是一個BAN外部信息交互規(guī)范。規(guī)范定義了一個醫(yī)療信息總線(MIB)，在這MIB中有兩個功能實體床邊通信控制器(BCC)和設備通信控制器(DCC)，IEEE1073規(guī)范了BCC與DCC之間的通信，定義了物理、傳輸層，以及設備發(fā)現、建立連接、傳送、斷開的過程。IEEE 1073由6個子協議組成。

3 家庭網絡環(huán)境中的健康監(jiān)護BAN

可穿戴的、無線移動健康監(jiān)護環(huán)境BAN可極大地改善監(jiān)護對象的生活質量，而將BAN納入家庭網絡之中，則可以進一步提升BAN的服務內容。首先，借助家庭網絡對基礎通信設施的利用，可以建立多路接入手段，保證多條路由的選擇，使監(jiān)護信息及時有效地發(fā)送；其次，家庭網絡的網關可以為多BAN提供通信共享信息傳輸通道，可以降低BAN的服務成本；最后，家庭網絡網關通過對醫(yī)療監(jiān)護信息的預讀，發(fā)現問題，直接通知家庭其他成員，達到及時救護的目的。

家庭網絡中的BAN基本工作流程如圖5所示，多個BAN用短距無線技術與家庭網絡網關通信，后者根據事先建立的應用配置文件選擇其中一條路由，建立通信鏈路，如果失敗，網關則重新選擇一條新的路由，直至成功，同時網關對信息內容進行預讀，當發(fā)現情況緊急時，觸發(fā)告警機制。

為了在家庭網絡中加入健康監(jiān)護BAN，本文認為必須考慮以下幾個問題：

(1)無線頻點的電磁兼容性問題

目前，中國尚未規(guī)定專用的醫(yī)療服務的無線電頻點，很多頻點都與娛樂電子頻點相同，如ZigBee、藍牙、無線局域網和UWB等。國際上有專用的醫(yī)療服務頻點，如：歐盟(ETSI EN301 839)有402～405 MHz；美國無線醫(yī)療服務(WMTS)有3個，608～614 MHz、1385～1390 MHz和1432～1435 MHz。因此中國需要通過研究給出適合中國醫(yī)療要求的無線電頻點。另外，中國也尚未進行醫(yī)療植入物通信服務(MICS)研究，如腸胃炎患者吞下一顆含有無線傳輸系統的微型高解析影像掃描儀，這是體內的傳感器與體外的MBU通信所必須的，也是亟待研究的課題。

(2)互連互操作性標準

中國的遠程醫(yī)療采用何種標準為主目前難以確定。IEEE 1073規(guī)范推廣應用進展遲緩，不過，歐洲的飛利浦與德格爾兩家歷史悠久的醫(yī)療設備廠商已經開始采納IEEE 1073標準，而美國的競爭對手們才剛剛開始注意它。中國的研發(fā)，是先搞IEEE 1451與IEEE 1073網關，還是直接做IEEE 1073傳感器，有待中國醫(yī)療設備制造商探討。

(3)語義解析問題

POC、HL7是否適合中國的醫(yī)療服務體系，完全依照此建立遠程監(jiān)護的本體語義，是尚需要研究的問題。

(4)BAN的身份確認問題

當多方BAN接入網關時，如何確認BAN的身份，保障個性化的服務，是尚需要研究的問題。

(5)多BAN間的傳感器信息干擾問題

盡管BAN內部是短距的，但是當多BAN靠近時，區(qū)分各自傳感器的內容，以防誤讀，必須有一套機制加以處理。

(6)網關的設計問題

現有的網關設備不足以支持健康BAN的工作，需要建立相關的規(guī)范，以便第三方開發(fā)。

(7)固定傳感器與BAN間的交互問題

有些傳感器是不必穿戴的，而是在使用時和個人BAN發(fā)生信息交互。如具有內藏有微型傳感器的牙刷，可以自動偵測你的體溫、血糖以及口腔內細菌含量等生理參數，再通過無線傳輸把資料傳給BAN。具有生理化驗功能的坐便器也是這樣。

4 結束語

伴隨著中國進入老年化社會的腳步，建立家庭健康監(jiān)護的呼聲逐步高漲起來。目前，中國在此方面的研究工作還相對滯后，遠程醫(yī)療系統仍局限在遠程醫(yī)療會診和遠程醫(yī)療信息共享兩個方面，缺乏全面的遠程醫(yī)療監(jiān)護內容。有些地方也建了簡單的遠程監(jiān)護，但手段有線的，只是將居家環(huán)境布置成一個病房一樣，受監(jiān)護者不能隨意活動。2005年10月11日中華慈善總會正式啟動和推廣的數字化遠程健康監(jiān)護系統，可以看作是一個進步。它為“空巢”家庭中的老人搭建醫(yī)療監(jiān)護系統，被稱之為“夕陽工程”。據稱，該系統要完全適合現有的養(yǎng)老模式，為養(yǎng)老機構養(yǎng)老以及獨居的老人提供全天候24 h的健康監(jiān)護，目前尚處在資金募集階段，采用技術手段和服務模式尚不明朗^[7]。因此，遠程醫(yī)療監(jiān)護有很多工作需要研究，如果能在家庭網絡中引入適合中國環(huán)境條件的健康監(jiān)護BAN，并投入運營，公眾和服務提供商都會受益匪淺。

5 參考文獻

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[2] ZIMMERMAN T G. Personal area networks near-field intra-body communication[J]. IBM Systems Journal， 1966，35(3/4):609-617.

[3] IST project fact sheet[EB/OL]. [2005-12-10]. http://icadc.cordis.lu/fep-cgi/srchidadb?.

[4] IEEE Std 1451.2—1997 IEEE standard for smart transducer interface for sensors and actuators: Transducer to microprocessor communication protocols and transducer electronic data sheet (TEDS) formats[S]. 1997.

[5] IEEE Std 1073.4.1—2000 IEEE standard for medical device communications: Physical layer interface: Cable connected[S]. 2000.

[6] WSC Workshop. State of the art technology: Protocols， networks and standards for point-of-care device communication[S]. 2004.

[7] 中華慈善總會推廣遠程監(jiān)護系統救助“空巢”老人[EB/OL]. [2005-10-12].

http://news.xinhuanet.com/society/2005-10/12/content_3608759.htm.

收稿日期：2006-05-25

作 者 簡 介

孟旭東，南京大學畢業(yè)，南京郵電大學通信與信息學院網絡與交換技術研究室主任、副研究員，主要研究寬帶IP技術，包括泛在計算、環(huán)境感知、BAN與PAN環(huán)境中的智能信息交互技術。

王建安，南京醫(yī)科大學畢業(yè)。南京老年醫(yī)學研究所心內科主任醫(yī)師、干部病區(qū)主任，中華醫(yī)學會江蘇分會委員兼秘書。長期從事老年疾病的預防與治療。

陸凱，南京郵電大學通信與信息工程學院在讀碩士研究生，主要研究方向為傳感網絡、BAN組網及通信技術。