原创 无线人体局域网：工程师需知

作者：Iboun Taimiya Sylla

 

无线人体局域网通常被看做是应对医疗保健费用急剧增加和医疗服务提供商贫乏的一种解决方案，无线标准组织和IEEE 都正在研发无线人体局域网 (BAN) 技术。近几年，无线人体局域网技术的出现解决了偏远地区患者的监护问题。降低医疗成本的需求以及人们对疾病预防和早期疾病检测关注度的提高，都是BAN 
不断发展的推动力。

 

一些市场研究报告预计，由于用于患者监护和消费类医疗保健的穿戴式及植入型医用设备的发展，2011 年以前对BAN 器件的需求将会达到每年1 亿颗。

 

由于许多地区都存在人口老龄化问题，医疗监护将扮演重要的角色，特别是在那些临床医生紧缺的国家。这种系统可对老年患者身体状况实施持续监测，将信息与远处的医疗服务提供商共享，可以更好地满足医疗保健需求。利用这种系统，医疗及老年人监护服务提供商可以为那些患有慢性疾病的老年人提供服务，让他们可以活得更长寿。

 

BAN 是一些极为小型的无线局域网络，可支持大量的医疗应用，从各种生命体征的追踪到对移植设备工作情况的监控，以及完成高水准的内窥镜检查。

 

传统的患者监护由许多生理传感器组成。这些传感器连接患者身体和一个安装在附近的专用信号处理单元，周围有许多笨拙不便的连接线。这些连接线限制了患者的活动范围，也影响了患者的舒适性。一些研究报告表明，这些连接线正是医院疾病传染的来源。另外，这些连线的晃动还会对检测结果产生不利影响。

 

随着低功耗、低成本无线连接技术的出现，现在可以实施和部署BAN，成为上述传统技术的一种补充。图1 显示了一种典型的无线BAN。

 

图 1 典型的人体局域网

无线人体局域网

呼吸

人体活动

ECG

心跳

胰岛素泵

血液pH

葡萄糖

溶解氧

二氧化碳

温度

 

我们可以将传感器网络安装到患者身体表面或者周围，也可以静态地植入到人体组织中，从而实现特定生理数据的收集。这样，不管患者身在何处，我们都可以持续地监控患者的健康状况。这些收集来的信号可用于脑电图 (EEG)、心电图(EKG)、肌电图 (EMG)、表皮温度、皮肤电传导和眼动电图 (EOG)。

 

所有传感器将采集到的信息通过无线方式发送给位于患者身上或者床边的一个外部处理器。之后，处理器通过传统数据网络（例如：以太网、Wi-Fi 或者GSM），将所有信息实时地发送给医生使用的设备或者某台指定的服务器。BAN 使用的传感器一般会要求指定其重要生理参数的精度，低功耗信号处理的水平，并要求具备无线连接功能。

 

某些情况下，传感器会成为收发器或者接收器，具体取决于所采集数据的带宽—例如，温度或者心率数据与模拟EKG 波形的对比。

 

BAN 中使用的传感器主要有两大类，使用哪一类具体取决于其工作模式。

 

穿戴式BAN 所使用的传感器，一般贴在人体表面，或者植入人体浅层，用于短期监测（14 天以内）。这些传感器一般都非常昂贵，重量较轻，体积很小，可以实现自由移动式健康监测。医疗提供商利用这些传感器，几乎可以实时地了解患者的健康状况。

 

植入式BAN 使用的传感器安装在人体较深区域，例如：心脏、大脑和脊髓等。植入式BAN 同时拥有主动刺激和生理监测功能，是一些慢性疾病监测的理想选择。到目前为止，这些慢性疾病只能使用药物治疗。植入式BAN 治疗的例子包括帕金森病的深度脑刺激、慢性疼痛脊髓刺激，以及尿失禁膀胱刺激等。

 

理解BAN 要求是在该领域进行可靠产品设计的关键。BAN 的特点是易配置、低成本、超低功耗和高可靠的传感器系统。它的包装和工作运行必须是无菌的，以用于人体周围或者内部。另外，无线通信必须足够健壮，以经受各种环境的RF 干扰，例如：Wi-Fi 网络、微波炉和无绳电话等。

 

BAN 节点和标准

 BAN 设计的挑战包括：

外形尺寸。体积和重量对BAN 传感器尤为重要，因为它们直接影响患者的舒适性。节点面积和重量越小，它对患者活动的限制就越小。但是，它必须同其他要求一起进行权衡，例如：传感器信噪比、抗噪性能和无线通信链接天线的效率等。由于各大公司都在根据客户的应用进行BAN 设计，因此用户友好和可靠性便成为增加用户接受度的重要因素。

 

功耗与流耗。电池使用时间是BAN 节点设计面临的一个巨大挑战。频繁更换电池或者充电，对穿戴式节点来说并不理想，对许多植入式节点而言更是不可接受的。传感器与通信忙闲度以及超级再生无线电接收器的使用，带来更长的工作时间，并实现了电池自主性。一些设计师正关注能源采集技术领域取得的许多新进展，想要通过这些技术延长其BAN 产品的工作寿命。

 

可靠性。在进行医疗器件和应用设计时，系统必须要能够提供足够高的数据准确性和可靠性。患者的安全程度取决于传感和无线传输层BAN 系统的可重复性、准确性和可靠性。

 

安全。BAN 节点必须有足够的安全措施，以保护患者个人隐私和防止黑客入侵。

 

智能。本地信号处理能力的大小，决定了智能程度的高低；所需信号处理算法的灵活程度，决定了网络节点的多少，以及采集信号的带宽。由于嵌入式微处理器的功耗不断降低，节点正变得越来越智能。

 

今天，我们可以使用多种无线连接标准来实施BAN，例如：蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、ANT 或者低功耗蓝牙等。然而，这些无线连接标准制定之初并非为BAN 应用而开发。

 

下表列出了一些标准的初始目标应用。有些标准的功耗过高，不能满足穿戴式BAN 器件小于3 mA 的峰值功耗（耗电量）要求。但是，标准制定机构和行业组织已经实施了医疗专用计划，旨在满足这些BAN 要求。

 

标准	原始目标
蓝牙	声音/音频链路
ZigBee	低数据速率工业传感器、智能电网、智能能源
Wi-Fi	高数据速率数据网络
ANT	低功耗数据链路，高峰值电流
低功耗蓝牙	小型、非频发数据包；低流耗，高峰值电流

 

 

 

 

 

 

我们还可以使用各厂商提供的专有解决方案来实施BAN 系统。这类系统通常都使用不同的工作频率（取决于各个国家），且不可通用。另一方面，相比公共无线标准，专有解决方案允许BAN 专为满足一些特定需求而定制，拥有更好的特性—例如：低功耗等。

 

为了开发出一种适合BAN 应用的低功耗器件优化型通信标准，IEEE 于2007年成立了IEEE 802.15 工作组6 (BAN)，目的是开发IEEE 802.15.6 标准。相比现有标准，IEEE 802.15.6 拥有许多优势。它侧重于短距离、低成本、低功耗和低实施复杂度。IEEE 802.15.6 标准对物理 (PHY) 层、媒体访问控制 (MAC)协议和安全层进行了定义。

 

具体架构

 

图2 显示了IEEE 802.15.6 架构。它由一个PHY 层和一个公共MAC 及安全层组成。

 

PHY 层被分为三个频带，目的是满足医疗和消费类应用的不同数据速率要求：窄频带、超宽频带和人体通信频带。它的目标通信距离为3 米，支持100 kbits/s到1 Mbit/s 之间的各种数据速率，最大耗电量为3 mA。MAC 协议控制可访问该信道。

 

标准还定义了三个安全等级：0 级，非安全通信；1级，需身份认证；2级，同时需要身份认证和数据加密。

 

Figure 2. High level overview of the IEEE 802.15.6 architecture.

 

 

推动无线BAN 技术加速发展的因素有很多，其中之一便是IEEE 802.15.6 标准的出现。在低功耗和低成本CMOS 无线电技术不断发展，以及人们要求获得越来越多信息的情况下，BAN 市场预计会急剧增长。

 

患者和普通消费者的健康应用，仍然会是BAN 发展的重要推动因素。但是，随着这种技术的不断发展，会出现其他一些如工业和农业监测等新兴应用。

 

作者简介

 

Iboun Taimiya Sylla现在主要负责德州仪器 (TI) 低功耗 RF 产品美洲地区的业务开发。他毕业于 Ecole Supérieure des Postes et des Télécommunications (Tunis, Tunisia)，获电信工程学士学位，后又毕业于蒙特利尔理工学院 (Ecole Polytechnique de Montréal)，获电子工程硕士和博士学位。此外他还获得了德州大学达拉斯分校 (University of Texas at Dallas) 的MBA，主要方向为公司融资及战略领导。