基于WSN穿戴式系统的研究现状与展望

王子洪

第三军医大学西南医院 设备器材科，重庆 400038

基于WSN穿戴式系统的研究现状与展望

王子洪

第三军医大学西南医院 设备器材科，重庆 400038

穿戴式系统是具有无创连续检测人体生理信息、数据无线发送和实时处理功能的集成系统，能满足低生理、心理负荷条件下的生理状态监测。本文从无线传感器网络技术角度分析穿戴式系统的构成、探讨穿戴式系统在发展中面临的几个技术难题，并展望穿戴式系统将成为人体健康监测、疾病预防中的重要助手。

穿戴式系统；无线传感器网络；生理信息检测技术

近年来，伴随社会人口老龄化的加剧、医疗模式向家庭和社区的转变、病人需受实时监护和军事、潜水等危险作业的需求，科研人员一直着力于穿戴式人体生理信息检测系统的研究。同时，微电子技术、通信技术等相关行业的快速发展推动了生理信号无创检测、数据无线传输、快速数据处理等技术的进步。通过技术融合，穿戴式系统能长期连续监测受试者生理信息，并将生理信号发送到医院专家系统实时显示、分析，方便医生及时掌握受试者的生理状况。在受试者出现疾病或意外跌倒时，医院专家系统发出报警，提醒其家人或医护人员及时救助受试者[1]。具有无线数据传输功能的穿戴式系统能将对受试者日常活动的影响降到最低，以期实现低生理、心理负荷下的实时监护。本文将对穿戴式系统的构成、生理信息检测技术和穿戴式系统发展面临的技术难题进行探讨

1 穿戴式系统研究进展

基于WSN的穿戴式系统，是指基于无线传感器网络（Wireless Sensor Nerwork，WSN）构建的，具有无创连续检测人体生理信息和无线数据传输功能的穿戴式多参数生理信息检测系统[2]。该系统利用正在发展中的各项生理信息检测方法，以无线传感器网络技术实现组网和传输数据：传感器子节点负责采集监测对象的心电图、血压、呼吸、血氧饱和度、人体姿态等生理信息，并将采集到的数据经过放大、滤波、压缩等处理，以统一无线传输协议将这些数据传输到主节点；主节点负责协调各子节点的同步工作，同时将数据传输到PC机上进行处理、显示，或者将数据通过GPRS、CDMA等无线网络传输到专家系统实现远程医疗会诊[3]，穿戴式系统工作示意图，见图1。

图1 穿戴式系统工作示意图

1.1 穿戴式系统的总体结构

以无线传感器网络技术构建的穿戴式系统的总体结构可归纳为以下3个部分：

1.1.1 传感器子节点

执行多参数检测任务的各传感器模块，主要有心电、呼吸、人体姿态、血压和血氧模块等。传感器子节点是在主节点的控制下采集人体生理信号，完成信号滤波放大等处理，并以无线传输方式将数据发送给主节点[4]。

1.1.2 主节点

也叫汇聚节点（sink node）或者网关节点，是一个具有无线收发功能的基站，可以是PC、PDA、手机或其他与高数据率设备通信的网关。主节点可以向区域内的传感器子节点发送数据采集命令，并负责接收和处理各传感器节点传送来的数据[5]，同时，主节点还能与Internet连接，实现远程医疗诊断；或者与GPRS、CDMA等无线网络连接，实现远程数据传输。

1.1.3 专家系统

专家系统可以是PC或者远程监护中心。专家系统的功能是接收主节点发送的反映监护对象生理状态的数据，并且实时显示、处理、保存这些数据。然后专家根据掌握的信息做出会诊并给出处理意见，如预警、救援等。

1.2 穿戴式生理信息检测技术

穿戴式技术的产生源于航空、军事、医疗、危险作业等领域的需求，利用穿戴式系统实时掌握监护对象的生理状态，对保障监护对象的生命安全具有积极作用。常见的穿戴式系统检测的生理参数包括心电图、呼吸、人体姿态、血压、血氧饱和度等。

1.2.1 无线心电检测技术

在穿戴式医疗仪器的发展中，心电监护仪是发展最早应用最广的设备。现在临床上应用的心电监护设备都是有线连接，对患者和医护人员来说都不方便。随着研究的深入，用织物电极取代传统的Ag-AgCl电极，用无线技术取代导线进行数据传输，再结合高集成度和低功耗的传感器设计，能够实现心电的无创连续监测和信号的无线传输。

图3中分别展示了Ag-AgCl电极和织物电极。Ag-AgCl电极是心电监护仪采集人体心电信号使用最普遍的电极，技术成熟，可靠性较高。但是Ag-AgCl电极对人体皮肤有刺激作用，长时间粘贴，可能使局部皮肤产生过敏症状，而且这类电极必须贴身使用，妨碍监测对象的正常活动。目前在研究中的织物电极（textile electrode）是粘贴式电极的良好代替品[6]。织物电极的本质是一块导电纺织面料，其制作方式主要有3种：第一种是将具有传导性的金属纤维和棉纱线交织组成；第二种是在普通纺织面料上用贵金属溶液（如银、铜等）浸镀固化形成一层导电层[7]；第三种是基于具有电传导特性的有机材料开发，如电活性聚合物（electroactive polymer，EAP）。织物电极可以自然缝合在衣服上，对监测对象不会造成行动上的不便和心理上的负担。

图3 Ag-AgCl电极和织物电极

Bluetooth/Zigbee是常见的用于心电数据传输的无线技术，它们都是属于IEEE 802.15家族，工作于ISM频段。论文将在后面的无线网络技术部分详细比较这两种无线协议的技术指标差异。

1.2.2 呼吸检测技术

在众多呼吸检测技术中，考虑到穿戴式系统的低功耗及长期监测的需求，电阻抗法和感应体积描记法是较优的选择。

图2 穿戴式系统总体结构

电阻抗法的检测原理源自Nyboer提出的阻抗容积理论：电阻抗的变化与容积的变化成正比。利用这一理论，现在利用电阻抗法测呼吸频率已经应用相当广泛。阻抗法检测呼吸信号虽然具有无创、简单、廉价等优点，但却容易受到人体心电和肌电等运动信号的干扰，从而使检测的准确性受到影响[8]。比起电阻抗法，呼吸感应体积描记技术能够准确地描记胸、腹呼吸运动，测得吸/呼比时间参数、潮气量、胸腹呼吸贡献比等容积参数，并且其信号的抗运动干扰能力强、使用方便、无需粘贴电极，只是需要增加更多的电路元件[9]。张政波等应用感应体积描记法设计出的呼吸测量系统就是一个典型的设计，见图4。

图4 嵌入传感线圈的胸、腹带设计模型

1.2.3 人体姿态检测

目前，一个完整的人体姿态检测模块通常由以下3个重要的芯片集成一些必要的外围电路组成：三维加速度计、A/D转换单片机和无线收发芯片。三维加速度计，如飞思卡尔公司的MMA7260QT，能准确测量人体x、y、z三维度的移动、倾斜[10]；图5为加速度传感器检测运动信号的物理模型。当前开发出来的加速度传感器芯片和模数转换单片机能满足穿戴式系统低功耗、高灵敏度、小体积等要求，为人体姿态研究提供良好的硬件基础[11]。因此，将人体姿态检测列入到穿戴式系统中，及时掌握监护对象是否出现意外或者疾病引起的跌倒，在对老年人、不能自理的病人等的及时救助中具有积极作用。

图5 加速度传感器物理模型

1.2.4 血压检测

光电容积描记法和振动法是穿戴式系统检测血压的常见技术。光电容积描记法是用波长660nm或940nm的光源照射指端/桡动脉，并将光敏元件接收到的被血流吸收后的光信号转化为电信号，通过一系列公式计算可以间接得到血压值[12]。示波法中收缩压和舒张压的判别是基于统计学规律制定的，虽然具有干扰小、重复性好等优点，但是从穿戴式的角度来看，难以实现连续监测。

截止目前开发出来的穿戴式系统中，除了香港中文大学的“保健衫”（Health Shirt，h-shirt）外，暂未见报道能实现血压连续检测的。“保健衫”使用的方法是连续测量手指PPG（Photo Plethysmo Graphy，PPG）信号和ECG信号，由PPG信号得到PTT（Pulse Transit Time，PPT）值，然后结合每个心动周期特征点之间的关系来估算血压[6]。

1.2.5 血氧饱和度检测

采用朗伯-比尔定律和光散射理论为基础的脉搏血氧饱和度检测技术已经不再是难题，脉搏血氧计正处于普及应用阶段。

2 穿戴式系统面临的技术难题

2.1 传感器技术

虽然穿戴式系统研究已经有较长时间，各生理参数检测都有了相应的技术支持，但是目前的研究成果距离期望值还有一定差距，各项检测技术都还有继续发展的空间。其中，传感器技术在穿戴式系统中占有举足轻重的地位[13]。除了本身结构设计的进步，传感器模块的功耗低、体积小、质量轻等问题依然需要相关行业的发展来解决，如微电子技术、材料科学等。

2.2 无线网络技术

使用穿戴式系统实现监护对象的远程医疗或者移动监护，无线网络技术是必然的选择。通过有线连接方式传输穿戴式系统检测到的生理信号，不但限制了监护对象的活动，而且使穿戴式系统便携性、低功耗、低负荷的特点变得毫无意义。在特定环境下，如航天、医疗、救援、科考等，无线网络技术能将穿戴式系统的功能最大化。当前，已经有多个研究机构和医疗器械公司将蓝牙或者紫蜂技术应用到心电图、呼吸、脉搏波等生理参数的测量仪器中[14]。表1列出了几种主要无线传输技术的技术参数比较，从表中我们可以看出蓝牙和紫蜂技术在穿戴式系统中应用的技术优势：低功耗、低成本、理想的传输距离等。

表1 近距离各种主要无线传输技术的比较

2.3 电子织物载体

当前，各研究机构或组织所开发出的穿戴式系统原型大抵是T恤、背心、胸带、腕表、戒指等，如香港中文大学的基于电子织物的“保健衫”，美国佐治亚理工学院的智慧衫（Smart Shirt），美国VivoMetrics公司开发的生命衫（Life Shirt），美国Medwave公司开发的Vasotrac的腕表式血压测量仪，以及现在市场上出现的手表式血氧计等等。利用现代纺织技术来实现穿戴式系统的结构设计主要包括以下3个方面。第一，将传感器母板和导电线缝合到织物上，要求母板具有体积小、质量轻等特点，这是穿戴式产品最初的设计模式。第二，将具有电传导性的金属纤维和棉纱线交织组合，使织物本身因含有金属纤维而具有导电性。采用这种方式得到的材料可用于制作信号采集的电极、信号传输的导线等[6]。第三是利用有机材料开发传感器、电极和导线等组件，这是制作理想穿戴式系统的最佳选择，相关研究已在国内外进行中。

2.4 低负荷移动监护

实现低负荷移动监护是穿戴式系统的重要目标。当前应用中的穿戴式系统还主要局限于小范围的移动监测，对病人的活动有很大影响。这主要有2个方面的原因，其一是生理信号检测技术不成熟。人体生理信号属于微弱信号，检测中来自于人体其他器官的干扰很大，特别是在移动条件下，干扰信号往往比目标信号更明显。因此，信号检测和处理技术还有待继续发展[15]。其二是传感器和无线网络技术的低功耗问题。要实现病人长时间的家庭监护或移动监护，使用无线网络进行数据传输是必然的选择。但是当前传感器和无线网络技术的低功耗还没有达到理想状态，除了开发出具有小体积、高能量的电池外，需要继续推进传感器技术的进步和无线网络技术的发展。

3 小结

各种便携式监测仪器的相继面世，说明穿戴式系统的研究已经有了相当成果，但是总体上还没有实现长期连续监护的目标，也还没有实现传感器模块的微型化、智能化的要求。要实现穿戴式系统成为人体健康监护、疾病预防的重要助手，有待科研人员对穿戴式系统进行深入探索[16]，使系统达到以下要求：

（1）微型化的多参数系统：穿戴式系统需要满足的基本要求就是长期穿戴的舒适性和多生理参数检测的有效性。

（2）统一的技术标准：统一的技术标准是不同公司的穿戴式产品和医院专家系统及时通信及无障碍数据发送接收的保证。

（3）个性化和网络化：具有个体差异的个人是穿戴式系统的广泛普及对象，未来的穿戴式系统要能达到远离医院的个人能及时获得建议、技术支持或救护的需求。

（4）面向社区、家庭：以社区和家庭为中心是医疗模式转变的方向，穿戴式系统要立足于这个趋势，满足社区医疗的需求。

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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

作者邮箱：king7798@126.com