可穿戴健康監(jiān)測產(chǎn)品及其傳感器（二）

?/00 前言/

上一期介紹了可穿戴傳感器件及其工作原理，這一期講講系統(tǒng)和通信層面的東西，這一塊小編也是剛開始學(xué)習(xí)，所以與其說是一篇講解不如說這是一篇筆記，有理解錯誤的地方還請多多指正。

上期回顧：可穿戴健康監(jiān)測產(chǎn)品及其傳感器（一）

可穿戴技術(shù)是可以穿戴在身體上或植入皮膚下的智能電子設(shè)備或配件。隨著科技的飛速發(fā)展，可穿戴設(shè)備已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?。它們的設(shè)計通常結(jié)合了實用的功能和特性。可穿戴設(shè)備作為一個整體解決方案，涉及到的技術(shù)較多，可穿戴式的健康監(jiān)測涉及到的核心理念和技術(shù)包括：

將人體作為儀器，構(gòu)建以人為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSNs）--無線體傳感器網(wǎng)絡(luò)（WBSNs）

通過非侵入性生物醫(yī)學(xué)、生化和物理（PHY）測量實現(xiàn)持續(xù)健康監(jiān)測的解決方案--可穿戴技術(shù)&傳感器技術(shù)

用于可穿戴的低功耗、小功率、乃至自供電設(shè)計

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從應(yīng)用的身體部位分類，可穿戴產(chǎn)品可以分為腦活動監(jiān)測、智能眼神接觸用于測量血糖、心臟生命體征監(jiān)測、血糖監(jiān)測貼片、孕期監(jiān)測、人工腎臟、足部傳感器、腦活動監(jiān)測器、健康貼片、腕部健康監(jiān)測、醫(yī)療保健夾克、步行輔助和步態(tài)分析等。

從通信角度上說，通常，身體上的部件與外部計算機(jī)或個人數(shù)字助理（PDA）之間的通信是通過無線鏈路進(jìn)行的，但可穿戴部分的節(jié)點之間的通信可能以不同的方式建立。系統(tǒng)的可穿戴部分根據(jù)通信媒介進(jìn)行分類可以分為：有線、無線和人體通信（HBC）。

1 可穿戴通信架構(gòu)/

可穿戴系統(tǒng)和BAN（體域網(wǎng)）應(yīng)用的通信架構(gòu)可以分為三個主要類別：BAN內(nèi)部、BAN之間和BAN之外。

BAN內(nèi)部包括體內(nèi)的或體表的傳感器節(jié)點，以及它們之間的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)可以是有線的、無線的（覆蓋范圍小于2米）或人體通信（HBC）。

BAN之間指的是通過一個鏈路（通常是無線接口）與計算機(jī)、PDA或接入點（AP）之間的BAN內(nèi)部通信。BAN之間的通信旨在將BANs與各種網(wǎng)絡(luò)互連，如包括蜂窩網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)。

BAN之外的通信用于城市區(qū)域。需要一個網(wǎng)關(guān)，如PDA，來橋接BAN之間和這個網(wǎng)絡(luò)之間的連接。BAN之外的通信允許訪問患者的所有必要信息以幫助診斷，或者在緊急情況下發(fā)出通知。

WBANs是一種短距離無線通信技術(shù)，它允許在人體周圍或身體內(nèi)部的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。WBAN是無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Personal Area Network，WPAN）的一種特殊形式，專為醫(yī)療、健康監(jiān)測、運(yùn)動跟蹤和其他個人用途設(shè)計。

WBANs的醫(yī)療應(yīng)用可以進(jìn)一步細(xì)分為：(i) 可穿戴WBAN（無論是用于輔助殘疾人還是管理人體性能），(ii) 植入式WBAN，以及 (iii) 醫(yī)療設(shè)備的遠(yuǎn)程控制子類別。WBANs的非醫(yī)療應(yīng)用包括：(i) 實時流媒體，(ii) 娛樂應(yīng)用，(iii) 緊急情況（非醫(yī)療），(iv) 情緒檢測，以及 (v) 安全認(rèn)證子類別。

物理層由通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)硬件和傳輸技術(shù)組成。這一層為傳輸介質(zhì)提供電氣、機(jī)械和程序接口。物理層的選擇取決于應(yīng)用。IEEE
802.15.6規(guī)定了三種不同的物理層：人體通信（HBC）、窄帶（NB）和超寬帶（UWB）。窄帶物理層（PHY）負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸/接收、無線電收發(fā)器的激活或停用以及當(dāng)前信道的空閑信道評估（CCA）。

HBC物理層定義了靜電場通信要求，涵蓋調(diào)制、前導(dǎo)/開始幀定界符和數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。

超寬帶物理層用于體表設(shè)備之間的通信以及體表和體外設(shè)備之間的通信。超寬帶物理層中的收發(fā)器產(chǎn)生與醫(yī)療植入通信服務(wù)（MICS）頻段中使用的信號功率水平相似的信號，并且還允許實現(xiàn)復(fù)雜度低。根據(jù)超寬帶物理層的規(guī)范，物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）位被轉(zhuǎn)換為無線傳輸的射頻信號。

用于醫(yī)療無線設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化無線電頻段

上圖展示了用于醫(yī)療無線設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和非標(biāo)準(zhǔn)化無線電頻段。醫(yī)療設(shè)備無線電通信服務(wù)（MedRadio）是由聯(lián)邦通信委員會（FCC）為醫(yī)療植入物和體戴式醫(yī)療設(shè)備的診斷和治療目的的通信頻譜需求引入的一個規(guī)范。FCC的一個早期規(guī)范，稱為MICS，于1999年建立，MedRadio位于401-406、413-419、426-432、438-444和451-457 MHz的無線電頻譜范圍內(nèi)。2012年，2360-2400 MHz的頻段也被分配給醫(yī)療體域網(wǎng)（MBAN）。由于不在ISM頻帶內(nèi)，干擾可以顯著減少。在歐洲，ETSI將401-402和405-406 MHz的頻段視為一個稱為MEDS（醫(yī)療數(shù)據(jù)服務(wù)設(shè)備）的標(biāo)準(zhǔn)。這組頻率也在世界其他地區(qū)被考慮使用。

無線醫(yī)療遙測服務(wù)（WMTS）是美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）為無線醫(yī)療應(yīng)用制定的另一項標(biāo)準(zhǔn)。WMTS創(chuàng)建于2000年，目的是避免因數(shù)字電視的建立而產(chǎn)生的無線電干擾。WMTS定義了三個無線電頻段：608-614 MHz（UHF電視頻道37）、1395-1400 MHz和1427-1432 MHz（所有這些頻段都由聯(lián)邦政府使用）。由于這些頻段缺乏國際協(xié)議，使用WMTS頻段的設(shè)備不能在除美國以外的其他國家銷售或使用。

與傳感和處理模塊相比，無線收發(fā)器消耗的能量要高得多。因此，為長時間運(yùn)行在小電池上的可穿戴系統(tǒng)選擇合適的通信設(shè)備和協(xié)議非常重要，下圖顯示了適用于可穿戴系統(tǒng)的可用低功耗無線技術(shù)列表。

以HAR為例，一個WSBN（無線網(wǎng)狀體傳感器網(wǎng)絡(luò)）環(huán)境的三層架構(gòu)如下圖所示。它將網(wǎng)絡(luò)分為三個邏輯層次，以支持復(fù)雜的通信和數(shù)據(jù)處理需求。以下是這三層的一般描述：

第一層：Intra-WBSN通信（內(nèi)部WBSN通信）

這一層涉及到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的傳感器節(jié)點之間的通信。在MBAN（醫(yī)療體域網(wǎng)）的背景下，這些傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)收集個體的生命體征數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸到身體網(wǎng)絡(luò)控制器或協(xié)調(diào)節(jié)點。這些節(jié)點通常位于或靠近人體，并且使用低功耗的通信技術(shù)，如藍(lán)牙、ANT或IEEE
802.15.6標(biāo)準(zhǔn)。

第二層：Inter-WBSN通信（WBSN間通信）

第二層負(fù)責(zé)連接不同的WBSN，可能包括來自不同個體的多個MBAN。這一層處理來自第一層的數(shù)據(jù)，并可能將其轉(zhuǎn)發(fā)到更廣泛的網(wǎng)絡(luò)，如醫(yī)療設(shè)施的局域網(wǎng)（LAN）或云服務(wù)器。這一層可能包括網(wǎng)關(guān)或中介節(jié)點，它們作為不同WBSN之間的橋梁，提供數(shù)據(jù)聚合、初步分析和路由功能。

第三層：Beyond-WBSN通信（WBSN之外的通信）

最后一層擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，可能包括與城市范圍的網(wǎng)絡(luò)（如Wi-Fi或蜂窩網(wǎng)絡(luò)）的連接。這一層使得醫(yī)療數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)礁h(yuǎn)的服務(wù)器或醫(yī)療專業(yè)人員，允許遠(yuǎn)程監(jiān)控和分析。這一層還可能涉及數(shù)據(jù)的安全存儲、長期分析和與電子健康記錄（EHR）系統(tǒng)的集成。

02 可穿戴系統(tǒng)組成/

整個可穿戴系統(tǒng)通常一個與計算機(jī)通過無線鏈路連接的體上中央處理模塊（CPM）和一個可穿戴的傳感器網(wǎng)絡(luò)。從系統(tǒng)的硬件上說主要包括：SN（傳感器節(jié)點）、BS（基站）、CPM（中央處理模塊）以及通過導(dǎo)電紗線以網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)方式建立的SNs之間的連接組成。

可穿戴系統(tǒng)架構(gòu)

每個部分的功能如下：

可穿戴基礎(chǔ)架構(gòu)：這部分包括一組配備肌電圖（EMG）電極的SNs，用于捕獲皮膚組織的電信號，還有加速度計和陀螺儀用于測量運(yùn)動參數(shù)。為確保高數(shù)據(jù)速率和可靠的通信，選擇了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為此，包含所有必需通信部件的SNs通過導(dǎo)電紗線相互連接。一個BS節(jié)點負(fù)責(zé)收集所有由SNs捕獲的數(shù)據(jù)。實際上，每個SN充當(dāng)路由器設(shè)備，將數(shù)據(jù)包從源SN轉(zhuǎn)發(fā)到BS。SN的路由操作基于SRMCF路由協(xié)議（見3.5節(jié)）。

CPM：這部分是基于低功耗微處理器的系統(tǒng)。CPM作為一個體上設(shè)備，通過與BS模塊的通信鏈路收集來自可穿戴網(wǎng)絡(luò)的信息。CPM使用嵌入技術(shù)織物中的線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，訪問分散在緊身襪中的不同SNs。為了將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)或本地保存，CPM配備了無線藍(lán)牙模塊、USB端口和micro SD卡。

計算機(jī)或PDA：CPM收集的信息需要在計算機(jī)中進(jìn)行后處理、分析和存儲。一個軟件程序可以同時繪制由CPM傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，并顯示節(jié)點狀態(tài)和連接。

各個部件的電路架構(gòu)如下圖所示。

圖片來源：Wearable Technologies and Wireless Body SensorNetworks for Healthcare

03 可穿戴傳感器/

人體活動識別（HAR）系統(tǒng)用于自動識別身體活動，在康復(fù)中心監(jiān)測日常生活活動（ADL）。使用可穿戴的活動識別系統(tǒng)可以實現(xiàn)一種低成本、非侵入式的連續(xù)全天和任何地點的活動監(jiān)測系統(tǒng)。

應(yīng)用需求決定了HAR系統(tǒng)所需的傳感器類型。

慣性傳感器包括三維陀螺儀和三軸加速度計、磁力計、力敏電阻、指南針、應(yīng)變、氣壓傳感器，它們提供了有關(guān)身體運(yùn)動以及劃動次數(shù)（手和腳）的信息。

生物信號傳感器：生物信號傳感器主要包括捕捉皮膚溫度、血壓和心律、呼吸頻率和出汗指數(shù)，以協(xié)助當(dāng)HAR主要用于醫(yī)療保健應(yīng)用時。通過放置在身體上的麥克風(fēng)、攝像頭、接近傳感器、GPS、無線電信號測量，可以記錄更多信息以改進(jìn)識別系統(tǒng)。比如放置在喉嚨上的電容傳感器可以測量圍繞頸部佩戴的電極的距離，以指示不同的活動，即翻滾、咀嚼、說話和唱歌。力傳感器可以放置在緊繃的部位，以顯示肌肉的張力，這表明了行走活動。

下表列出了不同應(yīng)用所使用的不同傳感器組合。

HAR系統(tǒng)中常見的傳感器

04 可穿戴健康感知系統(tǒng)/

可穿戴健康感知系統(tǒng)（Wearable Health Sensing System，WHSS）旨在將各種傳感器集成在一個或者一套可穿戴解決方案上，以便于實時檢測人體生命和健康狀況，同時利用便攜手持終端的數(shù)據(jù)處理能力以及與應(yīng)用程序(APP)的交互功能，實現(xiàn)健康評估、飲食護(hù)理信息推送和緊急醫(yī)療處理。

Jian-jun Yu 和 Xing-bin Chen等人提出一種WHSS的可穿戴項鏈，該項鏈作為一種集成了多種健康傳感器的方案，包括運(yùn)動頻率、心率、汗水、皮膚組織液、心電圖(ECG)、血氧飽和度、皮膚濕度、體脂等，目的是在日常生活和復(fù)雜工作環(huán)境中，通過較低的生理和心理負(fù)荷，建立動態(tài)協(xié)作監(jiān)測生理數(shù)據(jù)。

該項鏈包括三個模塊：傳感器集成模塊、電源和電源模塊以及信號集成和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。根據(jù)各種應(yīng)用需求為WHSS項鏈選擇合適的相應(yīng)傳感器。此外該系統(tǒng)還進(jìn)行了抗干擾處理，降低環(huán)境干擾對健康特征點判斷的準(zhǔn)確性和可靠性的影響。其中傳感器集成模塊包括：

1. 運(yùn)動傳感器：例如加速度計、陀螺儀、磁力計、壓力傳感器（通過測量大氣壓計算海拔高度）等。這些傳感器能夠監(jiān)測和記錄身體的運(yùn)動狀態(tài)，包括移動的方向、速度、加速度以及空間方向，還可以通過氣壓變化來估算高度變化，可用于運(yùn)動健康監(jiān)測和活動跟蹤。

2. 生物傳感器：血糖傳感器、血壓傳感器、心電圖(ECG)傳感器、肌電圖(EMG)傳感器、體溫傳感器、腦波傳感器等。借助生物傳感器，醫(yī)生長期跟蹤和監(jiān)測數(shù)千萬用戶的身體狀況，然后分析提取醫(yī)療診斷模型，預(yù)測和塑造用戶的健康發(fā)展趨勢，最終為用戶提供個性化的個人醫(yī)療和健康管理解決方案。

3. 環(huán)境傳感器：溫濕度傳感器、氣體傳感器、pH傳感器、紫外線(UV)傳感器、環(huán)境光傳感器、顆粒物傳感器、氣壓傳感器、麥克風(fēng)和薄膜磁導(dǎo)航傳感器等。人們經(jīng)常身處對健康構(gòu)成威脅的環(huán)境中，例如空氣污染、水污染、噪音/光污染、電磁輻射、極端氣候、復(fù)雜的道路交通系統(tǒng)等。最可怕的是，很多時候我們身處這樣的環(huán)境卻渾然不覺，例如PM2.5污染會導(dǎo)致各種慢性疾病。通過這些環(huán)境傳感器，可以實時監(jiān)測周圍環(huán)境的質(zhì)量，預(yù)警潛在的健康風(fēng)險，幫助人們采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

如圖所示，該項鏈?zhǔn)絎HSS僅集成了多傳感器，包括(1) 電源和電源模塊。(2) 信號集成和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，(3) 環(huán)境光傳感器。(4) 紫外線(UV)傳感器。(5) 溫濕度傳感器。(6)顆粒物傳感器。(7) 氣壓傳感器。(8) pH傳感器。(9) 薄膜磁導(dǎo)航傳感器。(10) 氣體傳感器。(11) 陀螺儀。(12)加速度計。(13) 壓力傳感器。(14) 磁力計。(15) 心電圖(ECG)傳感器。(16) 肌電圖(EMG)傳感器。(17)體溫傳感器。(18) 血壓傳感器。(19) 血糖傳感器。

每個傳感器的布局應(yīng)根據(jù)其功能和類別充分考慮與人體接觸的項鏈位置和檢測目標(biāo)。例如，生物傳感器，如血糖傳感器、血壓傳感器、心電圖(ECG)傳感器、肌電圖(EMG)傳感器、體溫傳感器等，需要靠近人體胸部檢測脈搏和肌電信號，通過接觸汗水檢測血糖信號和體溫。

電源和電源模塊的布局應(yīng)充分考慮微振動發(fā)電機(jī)、機(jī)械手表、懷中熱電電池和無線充電的原理，一方面要充分利用身體運(yùn)動產(chǎn)生的振動，另一方面要充分利用大氣與人體之間的溫差。

信號集成和網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊不僅需要考慮與各種傳感器連接的便利性和布局的小型化，還需要考慮終端信號收發(fā)器的穩(wěn)定性，最重要的是要考慮最小化發(fā)送和接收輻射對人體的影響。

環(huán)境傳感器應(yīng)該直接暴露在與人體和環(huán)境直接接觸的空間中，以檢測自然環(huán)境的各種信號。

在設(shè)計WHSS時，每個傳感器的布局都需要精心考慮，以確保它們能夠有效地執(zhí)行其功能，同時最大限度地減少對佩戴者的干擾和不便。

【未完待續(xù)】

參考資料：

1.?Wearable Technologies and Wireless Body Sensor Networks for Healthcare

2.https://blog.csdn.net/turing321_huaide/article/details/124645964

3.Wearable Sensors and Robots