基于WSN穿戴式系統的研究現狀與展望

王子洪

第三軍醫大學西南醫院 設備器材科，重慶 400038

基于WSN穿戴式系統的研究現狀與展望

王子洪

第三軍醫大學西南醫院 設備器材科，重慶 400038

穿戴式系統是具有無創連續檢測人體生理信息、數據無線發送和實時處理功能的集成系統，能滿足低生理、心理負荷條件下的生理狀態監測。本文從無線傳感器網絡技術角度分析穿戴式系統的構成、探討穿戴式系統在發展中面臨的幾個技術難題，并展望穿戴式系統將成為人體健康監測、疾病預防中的重要助手。

穿戴式系統；無線傳感器網絡；生理信息檢測技術

近年來，伴隨社會人口老齡化的加劇、醫療模式向家庭和社區的轉變、病人需受實時監護和軍事、潛水等危險作業的需求，科研人員一直著力于穿戴式人體生理信息檢測系統的研究。同時，微電子技術、通信技術等相關行業的快速發展推動了生理信號無創檢測、數據無線傳輸、快速數據處理等技術的進步。通過技術融合，穿戴式系統能長期連續監測受試者生理信息，并將生理信號發送到醫院專家系統實時顯示、分析，方便醫生及時掌握受試者的生理狀況。在受試者出現疾病或意外跌倒時，醫院專家系統發出報警，提醒其家人或醫護人員及時救助受試者[1]。具有無線數據傳輸功能的穿戴式系統能將對受試者日?；顒拥挠绊懡档阶畹停云趯崿F低生理、心理負荷下的實時監護。本文將對穿戴式系統的構成、生理信息檢測技術和穿戴式系統發展面臨的技術難題進行探討

1 穿戴式系統研究進展

基于WSN的穿戴式系統，是指基于無線傳感器網絡（Wireless Sensor Nerwork，WSN）構建的，具有無創連續檢測人體生理信息和無線數據傳輸功能的穿戴式多參數生理信息檢測系統[2]。該系統利用正在發展中的各項生理信息檢測方法，以無線傳感器網絡技術實現組網和傳輸數據：傳感器子節點負責采集監測對象的心電圖、血壓、呼吸、血氧飽和度、人體姿態等生理信息，并將采集到的數據經過放大、濾波、壓縮等處理，以統一無線傳輸協議將這些數據傳輸到主節點；主節點負責協調各子節點的同步工作，同時將數據傳輸到PC機上進行處理、顯示，或者將數據通過GPRS、CDMA等無線網絡傳輸到專家系統實現遠程醫療會診[3]，穿戴式系統工作示意圖，見圖1。

圖1 穿戴式系統工作示意圖

1.1 穿戴式系統的總體結構

以無線傳感器網絡技術構建的穿戴式系統的總體結構可歸納為以下3個部分：

1.1.1 傳感器子節點

執行多參數檢測任務的各傳感器模塊，主要有心電、呼吸、人體姿態、血壓和血氧模塊等。傳感器子節點是在主節點的控制下采集人體生理信號，完成信號濾波放大等處理，并以無線傳輸方式將數據發送給主節點[4]。

1.1.2 主節點

也叫匯聚節點（sink node）或者網關節點，是一個具有無線收發功能的基站，可以是PC、PDA、手機或其他與高數據率設備通信的網關。主節點可以向區域內的傳感器子節點發送數據采集命令，并負責接收和處理各傳感器節點傳送來的數據[5]，同時，主節點還能與Internet連接，實現遠程醫療診斷；或者與GPRS、CDMA等無線網絡連接，實現遠程數據傳輸。

1.1.3 專家系統

專家系統可以是PC或者遠程監護中心。專家系統的功能是接收主節點發送的反映監護對象生理狀態的數據，并且實時顯示、處理、保存這些數據。然后專家根據掌握的信息做出會診并給出處理意見，如預警、救援等。

1.2 穿戴式生理信息檢測技術

穿戴式技術的產生源于航空、軍事、醫療、危險作業等領域的需求，利用穿戴式系統實時掌握監護對象的生理狀態，對保障監護對象的生命安全具有積極作用。常見的穿戴式系統檢測的生理參數包括心電圖、呼吸、人體姿態、血壓、血氧飽和度等。

1.2.1 無線心電檢測技術

在穿戴式醫療儀器的發展中，心電監護儀是發展最早應用最廣的設備?，F在臨床上應用的心電監護設備都是有線連接，對患者和醫護人員來說都不方便。隨著研究的深入，用織物電極取代傳統的Ag-AgCl電極，用無線技術取代導線進行數據傳輸，再結合高集成度和低功耗的傳感器設計，能夠實現心電的無創連續監測和信號的無線傳輸。

圖3中分別展示了Ag-AgCl電極和織物電極。Ag-AgCl電極是心電監護儀采集人體心電信號使用最普遍的電極，技術成熟，可靠性較高。但是Ag-AgCl電極對人體皮膚有刺激作用，長時間粘貼，可能使局部皮膚產生過敏癥狀，而且這類電極必須貼身使用，妨礙監測對象的正常活動。目前在研究中的織物電極（textile electrode）是粘貼式電極的良好代替品[6]。織物電極的本質是一塊導電紡織面料，其制作方式主要有3種：第一種是將具有傳導性的金屬纖維和棉紗線交織組成；第二種是在普通紡織面料上用貴金屬溶液（如銀、銅等）浸鍍固化形成一層導電層[7]；第三種是基于具有電傳導特性的有機材料開發，如電活性聚合物（electroactive polymer，EAP）?？椢镫姌O可以自然縫合在衣服上，對監測對象不會造成行動上的不便和心理上的負擔。

圖3 Ag-AgCl電極和織物電極

Bluetooth/Zigbee是常見的用于心電數據傳輸的無線技術，它們都是屬于IEEE 802.15家族，工作于ISM頻段。論文將在后面的無線網絡技術部分詳細比較這兩種無線協議的技術指標差異。

1.2.2 呼吸檢測技術

在眾多呼吸檢測技術中，考慮到穿戴式系統的低功耗及長期監測的需求，電阻抗法和感應體積描記法是較優的選擇。

圖2 穿戴式系統總體結構

電阻抗法的檢測原理源自Nyboer提出的阻抗容積理論：電阻抗的變化與容積的變化成正比。利用這一理論，現在利用電阻抗法測呼吸頻率已經應用相當廣泛。阻抗法檢測呼吸信號雖然具有無創、簡單、廉價等優點，但卻容易受到人體心電和肌電等運動信號的干擾，從而使檢測的準確性受到影響[8]。比起電阻抗法，呼吸感應體積描記技術能夠準確地描記胸、腹呼吸運動，測得吸/呼比時間參數、潮氣量、胸腹呼吸貢獻比等容積參數，并且其信號的抗運動干擾能力強、使用方便、無需粘貼電極，只是需要增加更多的電路元件[9]。張政波等應用感應體積描記法設計出的呼吸測量系統就是一個典型的設計，見圖4。

圖4 嵌入傳感線圈的胸、腹帶設計模型

1.2.3 人體姿態檢測

目前，一個完整的人體姿態檢測模塊通常由以下3個重要的芯片集成一些必要的外圍電路組成：三維加速度計、A/D轉換單片機和無線收發芯片。三維加速度計，如飛思卡爾公司的MMA7260QT，能準確測量人體x、y、z三維度的移動、傾斜[10]；圖5為加速度傳感器檢測運動信號的物理模型。當前開發出來的加速度傳感器芯片和模數轉換單片機能滿足穿戴式系統低功耗、高靈敏度、小體積等要求，為人體姿態研究提供良好的硬件基礎[11]。因此，將人體姿態檢測列入到穿戴式系統中，及時掌握監護對象是否出現意外或者疾病引起的跌倒，在對老年人、不能自理的病人等的及時救助中具有積極作用。

圖5 加速度傳感器物理模型

1.2.4 血壓檢測

光電容積描記法和振動法是穿戴式系統檢測血壓的常見技術。光電容積描記法是用波長660nm或940nm的光源照射指端/橈動脈，并將光敏元件接收到的被血流吸收后的光信號轉化為電信號，通過一系列公式計算可以間接得到血壓值[12]。示波法中收縮壓和舒張壓的判別是基于統計學規律制定的，雖然具有干擾小、重復性好等優點，但是從穿戴式的角度來看，難以實現連續監測。

截止目前開發出來的穿戴式系統中，除了香港中文大學的“保健衫”（Health Shirt，h-shirt）外，暫未見報道能實現血壓連續檢測的?！氨＝∩馈笔褂玫姆椒ㄊ沁B續測量手指PPG（Photo Plethysmo Graphy，PPG）信號和ECG信號，由PPG信號得到PTT（Pulse Transit Time，PPT）值，然后結合每個心動周期特征點之間的關系來估算血壓[6]。

1.2.5 血氧飽和度檢測

采用朗伯-比爾定律和光散射理論為基礎的脈搏血氧飽和度檢測技術已經不再是難題，脈搏血氧計正處于普及應用階段。

2 穿戴式系統面臨的技術難題

2.1 傳感器技術

雖然穿戴式系統研究已經有較長時間，各生理參數檢測都有了相應的技術支持，但是目前的研究成果距離期望值還有一定差距，各項檢測技術都還有繼續發展的空間。其中，傳感器技術在穿戴式系統中占有舉足輕重的地位[13]。除了本身結構設計的進步，傳感器模塊的功耗低、體積小、質量輕等問題依然需要相關行業的發展來解決，如微電子技術、材料科學等。

2.2 無線網絡技術

使用穿戴式系統實現監護對象的遠程醫療或者移動監護，無線網絡技術是必然的選擇。通過有線連接方式傳輸穿戴式系統檢測到的生理信號，不但限制了監護對象的活動，而且使穿戴式系統便攜性、低功耗、低負荷的特點變得毫無意義。在特定環境下，如航天、醫療、救援、科考等，無線網絡技術能將穿戴式系統的功能最大化。當前，已經有多個研究機構和醫療器械公司將藍牙或者紫蜂技術應用到心電圖、呼吸、脈搏波等生理參數的測量儀器中[14]。表1列出了幾種主要無線傳輸技術的技術參數比較，從表中我們可以看出藍牙和紫蜂技術在穿戴式系統中應用的技術優勢：低功耗、低成本、理想的傳輸距離等。

表1 近距離各種主要無線傳輸技術的比較

2.3 電子織物載體

當前，各研究機構或組織所開發出的穿戴式系統原型大抵是T恤、背心、胸帶、腕表、戒指等，如香港中文大學的基于電子織物的“保健衫”，美國佐治亞理工學院的智慧衫（Smart Shirt），美國VivoMetrics公司開發的生命衫（Life Shirt），美國Medwave公司開發的Vasotrac的腕表式血壓測量儀，以及現在市場上出現的手表式血氧計等等。利用現代紡織技術來實現穿戴式系統的結構設計主要包括以下3個方面。第一，將傳感器母板和導電線縫合到織物上，要求母板具有體積小、質量輕等特點，這是穿戴式產品最初的設計模式。第二，將具有電傳導性的金屬纖維和棉紗線交織組合，使織物本身因含有金屬纖維而具有導電性。采用這種方式得到的材料可用于制作信號采集的電極、信號傳輸的導線等[6]。第三是利用有機材料開發傳感器、電極和導線等組件，這是制作理想穿戴式系統的最佳選擇，相關研究已在國內外進行中。

2.4 低負荷移動監護

實現低負荷移動監護是穿戴式系統的重要目標。當前應用中的穿戴式系統還主要局限于小范圍的移動監測，對病人的活動有很大影響。這主要有2個方面的原因，其一是生理信號檢測技術不成熟。人體生理信號屬于微弱信號，檢測中來自于人體其他器官的干擾很大，特別是在移動條件下，干擾信號往往比目標信號更明顯。因此，信號檢測和處理技術還有待繼續發展[15]。其二是傳感器和無線網絡技術的低功耗問題。要實現病人長時間的家庭監護或移動監護，使用無線網絡進行數據傳輸是必然的選擇。但是當前傳感器和無線網絡技術的低功耗還沒有達到理想狀態，除了開發出具有小體積、高能量的電池外，需要繼續推進傳感器技術的進步和無線網絡技術的發展。

3 小結

各種便攜式監測儀器的相繼面世，說明穿戴式系統的研究已經有了相當成果，但是總體上還沒有實現長期連續監護的目標，也還沒有實現傳感器模塊的微型化、智能化的要求。要實現穿戴式系統成為人體健康監護、疾病預防的重要助手，有待科研人員對穿戴式系統進行深入探索[16]，使系統達到以下要求：

（1）微型化的多參數系統：穿戴式系統需要滿足的基本要求就是長期穿戴的舒適性和多生理參數檢測的有效性。

（2）統一的技術標準：統一的技術標準是不同公司的穿戴式產品和醫院專家系統及時通信及無障礙數據發送接收的保證。

（3）個性化和網絡化：具有個體差異的個人是穿戴式系統的廣泛普及對象，未來的穿戴式系統要能達到遠離醫院的個人能及時獲得建議、技術支持或救護的需求。

（4）面向社區、家庭：以社區和家庭為中心是醫療模式轉變的方向，穿戴式系統要立足于這個趨勢，滿足社區醫療的需求。

[1] 汪朝紅,吳凱,吳效明.穿戴式生理監測技術的研究及應用[J].中國組織工程研究與臨床康復,2007,11(22):4384-4387.

[2] J.Hill,R.Szewczyk,A.Woo,S.Hollar,et al.System architecture directions for networked sensors[J].In Architectural Support for Programming Languages and Operating Systems,2000,35(11):93-104.

[3] Chen Xijun,Max Q.H. Meng,Ren Hongliang.Design of Sensor Node Platform for Wireless Biomedical Sensor Networks[C].Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference,2005:4662-4665.

[4] Hongliang Ren,Max Q.H. Meng,Xijun Chen.Physiological Information Acquisition through Wireless Biomedical Sensor Network[C]. International Conference on Information Acquisition,2005:483-488.

[5] Eric Wade,H.Harry Asada.DC Behavior of Conductive Fabric Networks with Application to Wearable Sensor Nodes[C]. Proceedings of the International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks,2006.

[6] 滕曉菲,張元亭.移動醫療:穿戴式醫療儀器的發展趨勢[J].中國醫療器械雜志,2006,30(5):330-340.

[7] 岳蜀華,王美涵,郭飛,等.可穿戴式無線心電監測儀的研究現狀[J].生物醫學工程與臨床,2006,10(4):262-266。

[8] 郝練旺,宋濤.呼吸信號檢測方法的研究[J].微納電子技術,2007,44(Z1):12-16.

[9] 張政波,俞夢孫,李若新,等.背心式呼吸感應體積描記系統設計[J].航天醫學與醫學工程,2006,19(5):377-381.

[10] 朱弋,王振洲,楊舒波,等.MMA系列加速度傳感器的原理及其應用[J].儀器原理,2008,29(4):97-98.

[11] Y.Hara,M.Yoshida,K.Minato.New Evaluation Method of the Physical Activity by an Acceleration Sensor[J]. Proceedings of the 25th Annual International Conference,2003:1712-1715.

[12] 刁衛鋒,張小棟,姚國興.無創血壓檢測系統研究[J].計算機測量與控制,2004,12(9):819-845.

[13] Paolo Bonato,Danilo De Rossi,Andre Dittmar,et al.IEEE EMBS Technical Committee on Wearable Biomedical Sensors & Systems:Position Paper[R].Cambridge:2Proceedings of the International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks,006.

[14] J.A. Gutierrez,E.H. Callaway,Jr.,R.L. Barret.Low-Rate Wireless personal Area Networks:Enabling Wireless Sensors with IEEE 802.15.4[M]. New York:Standards Information Network IEEE,2003.

[15] Fei Hu,Meng Jiang,Yang Xiao.Low-cost wireless sensor networks for remote cardiac patients monitoring applications[J].Wireless Communications and Mobile Computing,2008,8(4):513-529

[16] Sungmee Park,Sundaresan Jayaraman. Wearable Sensor Systems:Opportunities and Chanllenges[C].Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference,2005: 4153-4155.

Status and Prospects of Wearable System Based on WSN

WANG Zi-hong
Medial Instrument Department, South-West Hospital, Chongqing 400038

The research of wearable system for human physiology information monitoring paid more attention to multi-parameter, non-intrusive continuous monitoring, and wireless data transmission. The paper introduced the overall structure of the wearable health monitoring system based on WSN (wireless sensor network), the main technologies for human physiologic information monitoring, the problems of wearable monitoring system faced with, and the prospects in future.

wearable system; wireless sensor network; technologies of physiologic information monitoring

TP 29-AI

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.02.018

1674-1633(2012)02-0062-04

2011-07-08

作者郵箱：king7798@126.com