基于体感网的健康监测系统研究

张博文，金新政

（华中科技大学健康信息资源研究中心，湖北 武汉 430030）

基于体感网的健康监测系统研究

张博文，金新政*

（华中科技大学健康信息资源研究中心，湖北 武汉 430030）

近年来体感网的出现与运用为打破传统健康监测模式提供了契机，为了对该领域进行探究，本文首先解读了体感网的概念与内涵，构建了体感网系统三层架构模型，在此基础上阐明了系统内层级间的作用与关系，指出实现该领域真正嵌入当下医疗服务模式所面临的挑战。

体感网；健康监测；系统架构

0 前言

根据中华人民共和国民政部的统计显示，截止至2015年底我国60周岁及以上人口22200万人，占总人口的16.1%，预计到2020年我国老年人口将达到2.48亿，老龄化水平将达到17%［1］。与此同时，伴随着老龄化进程的加快，我国慢性病发病人数快速上升，现有确诊患者2.6亿人，导致的死亡已经占到我国总死亡的85%，导致的疾病负担已占总疾病负担的70%［2］。由于老年人群和慢病自身的特殊性，其管理的重点应放在长期的健康监测和及时的健康指导与反馈。然而我国健康监测医疗资源主要集中在院内，设备操作复杂，价格昂贵，传统的监测服务模式无法满足大量的老年和慢病人群的健康需求，人们迫切需要一种创新的，低成本的，高效的方法来打破传统的健康监测模式。

与此同时，随着生理传感器、低功耗集成电路与无线传输技术的出现与成熟，医疗服务政策的推动以及大众健康观念的转变，一批以体感网为基础的健康监测系统开始进入人们的视线，应用在各式各样的健康应用上，辅佐保健治疗，使得健康监测服务得以从院内走向户外与用户家中。基于体感网的监测服务模式展现了巨大的市场潜力和发展趋势，对大众自我健康管理的实现有着重大意义。

1 概念与内涵

体感网（body area network或BAN）又称无线体域网或身体传感网络，是基于可穿戴监测设备与生理传感器的无线网络，用于实时持续监测生命体征，从而达到有效的病前预防和病后康复的目的［3］。体域网不仅能感知外部环境和内部状态的变化，而且通过反馈机制，能实时地对这种变化做出反应。感知、反馈和响应是体域网的三大要素，体感网技术需要结合电子信息技术、传感器技术、纺织科学及材料科学等相关领域的前沿技术［4］。

图1 体感网监测系统架构

近年来，随着微电子技术的发展，体感网设备已可以内嵌或植入人体体内，附着于身体表面或利用可穿戴技术随身携带于手腕，胸前甚至安装在口袋、鞋子上，例如穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠品质测量器、睡眠生理检查器、可植入型身份识别组件等［5］。假如没有体感网，这些传感器和促动器则都只能独立工作，要自带各自的通信部件， 影响用户体验和管理效能的同时也造成了极大的资源浪费与数据混乱。

2 系统架构

时至今日，已有多种基于体感网的监测系统和原型被开发用于病人在院内、家中、户外以及灾难情况下的健康监测。但不管系统多么复杂，传感、通信与信息处理始终是一个完整的健康监测系统的核心。由于体感网仍属于网络范畴，其架构仍然遵循传统网络的分层结构，为了阐明监测系统的设计原理和服务模式，本文以经典的体感网三层结构为基础，构筑了体感网监测系统架构，如图1所示。模型共分为三层，分别由信息感知层、信息处理层、信息响应层表示，三个层级的系统运行原件可以表示为传感节点，基站与远程中央服务器，层级之间进行数据处理与通信交换，从而达到辅佐健康管理的目的，值得一提的是架构并非是静态模型，可以根据需求、适用环境与群体的不同进行改变。

2.1 信息感知层

信息感知层是整个系统架构的基础，负责人体生理数据和环境数据的采集、处理、传输和设备控制功能，传感器、促动器、移动基站（智能手机、PDA、笔记本电脑及PC等）等硬件设施共同组成了无线传感器网络。传感器和促动器通过802.15协议将监测数据直接或由后端传感器汇聚封装之后间接传递给移动基站单元，基站对接收到的生物信号进行过滤、存储、整合、封装后发送至信息处理层，另外，基站提供异构网络融合与协同技术，实现层级间，基站与传感器间无缝对接。

无线传感器间和传感器与基站间的通信使用的是802.15标准，最常用的是802.15.1（低耗蓝牙，BLE）和802.15.4（紫蜂协议，Zigbee），除此之外，其他使用技术也包括了基于802.15.3的无载波通信技术（UWB）；ANT无线个人局域网通讯技术；红外线数据技术（IrDA）；治疗植入通信服务（MICS）以及其他无线通信技术也有部分正在使用［6］。值得一提的是，2012年诞生的802.15.6标准作为第一个国际无线体域网标准，最高传输速率可达10Mbps，最长距离可达3公尺，预期可广泛应用在人体穿戴式传感器、植入装置中， 取代目前包括低耗蓝牙或紫蜂协议在内的种类繁多的专用无线电技术。

信息感知层中的传感器主要用来检测和传输用户生理体征和环境数据，按照数据不同可分为三类［7］：①生理传感器，测量人体重要内部和外部参数（体温、血压、ECG等）；②生物动感传感器，检测用户身体运动数据（加速度、转动角速度等）；③环境传感器，负责收集用户外部环境数据（环境温度、气压、光线、湿度等）。传感器并非单独运作，相反，不同传感器间的协同运作，可提供用于医疗诊断和治疗的额外重要信息。目前，无线医疗设备厂商正在积极整合不同生物传感器，用以监测多种生物信号，基于“FIT”系统的职能手环包含了3D加速计，温度传感器，汗液传感器，热辐射传感器等在内的多个前段传感设备，各监测指标统一传递给后端传感器汇聚节点，进行封装，发送给后台服务器，服务器按照数据关联程度和已有模块与算法推断出用户健康状况，进行反馈指导。此外，技术创新和方法改良使得传感器更加没有伤害性，数据来源更加丰富。以葡萄糖表为例，其基于电流获取葡萄糖分子的反向例子电渗疗法已取代了针头设备，数据来源方面，声音行为侦测和自动诊断语音识别系统可以收集相关数据并诊断如咳嗽，头疼，胃疼，胸痛等症状，大大提高系统的诊断能力。

2.2 信息处理层

信息处理层是整个系统架构的桥梁，基站将原始或低级的传感信息进行进一步处理后传递给体感网后端服务器，后端服务器对数据执行更高级处理与分析，如特征抽取对比，找到异常状态病人，随后将高级数据通过网关传递给临床后台服务器，由专业医务人员进行数据解读分析和反馈。此外，信息处理层的信息流是双向传递，可以将相关信息实时的传递给用户，存在健康隐患时给用户和后台医务人员发出警报。事实上，不同平台均可当基站来使用，一些公司和科研院所更倾向研发他们自己的设备，然而随着以智能手机为主的移动设备越发成熟，其强大的处理功能和存储容量满足了基站与体感网后台服务器合并的需要，而兼容开放的系统也为简化系统部署，减少通信成本提供了帮助。正因此，基站起着越来越重要的作用，除了整合传感数据外，同样负责同步通信，检查传感器状态的同时使用控制信号设置例如采样率等参数，此外，基站可以根据可用网络、成本等参数在不同模式之间转换，例如，根据用户在室内或者室外的情况，在定期传输常规数据和紧急实时数据间跳转。随着应用发展，体感网后台服务器功能也愈发丰富，入口多以APP的形式安装在用户智能移动端（基站），用户可以在后台服务器查阅自己健康数据，与医护人员进行沟通交流，浏览健康指导，进行自我健康管理。

2.3 信息响应层

信息响应层是整个系统架构的核心，由临床后台服务器、应用服务器和控制设备组成，收集的数据将自动集成，用于医学诊断和更复杂的算法处理，被授权的专业医务人员通过蜂窝网络或者因特网远程获得用户健康数据，多个用户（多个BAN）可以共用一个后台系统，不同元件之间的通信也被叫做后端通信。此外，该层级还负责健康应用服务的触发与传递，实现对部分终端设备控制的功能。

综合来看，信息响应层的设计是特定应用且适用于不同用户的需求，为了响应用户需求，其储存和处理单元包含了多种元素，例如：

·后台服务器将原始信息分析处理后反馈给用户或者在紧急情况下启动警报，通过短信或邮件通知家人及医务人员来进行干预。

·运用视频会议系统，医生和护理人员可以通过网络和病人进行交流。

·用户可以通过相关应用咨询个人数据和分析结果。

·专业人员使用远程控制服务来设置例如生物信号阈值等参数。

事实上，三个层级之间的协同与联动才是整个系统架构实现有效健康产出的关键，感知层采集数据并保证数据的准确，全面，处理层对获得的生理数据和环境数据进行实时管理和控制，并为响应层的应用提供一个良好的用户接口，响应层通过统一的服务平台，为不同用户提供多种应用接口，形成闭环结构，为个性化医疗，更好了解病情演变，药物影响监督和慢病管理提供帮助。

3 面临挑战

基于体感网的健康监测的服务理念与运行模式将在很大程度上减少医疗资源浪费，为临床决策，药物研究，健康管理提供支持，但归根结底，体感网监测模式是一个跨学科，跨领域复杂的信息网络工程，仍面临着巨大挑战。

3.1 安全隐私

医疗信息安全问题一直是国内外相关研究领域关注的焦点，数据的机密性、可鉴别性、完整性和新鲜度是体感网安全管理需要满足的四个方面，然而体感网以数据为基础的服务模式无形中加大了信息泄露、远程控制的风险［8］。其次，由于受到能耗、内存、通信速率、拓扑动态变化和计算能力等因素限制，其他网络安全解决方法并不能直接套用于体感网安全管理。此外，相关政策界定不健全也会带来一系列法律问题，例如伦理，健康数据所有权，设备监管分类等问题。由此可见体感网安全隐私是一个复杂的系统性问题，但如若缺少了安全保障，体感网的前景也将大打折扣。

3.2 系统设备

传感器设备是获取体感网监测服务数据的主要来源，也是实现个性化医疗服务的关键。然而功能上，国内的相关应用大多并未达到医疗级别，功能单一，同质化现象严重，各厂商传感器之间标准不一，协同困难，数据整合存疑。性能上，传感器设备要求外形小、重量轻、能耗低、方便使用和易于重构的同时仍要考虑穿戴的舒适性以及系统的容错性和抗毁性。除此之外，部署在人体上传感器的位置和系统所处的温湿度及电磁环境都在时刻变化之中，影响着传感器采集信息的准确性，网络拓扑路由和无线信道的有效传输等面临不同以往的挑战。

3.3 数据管理

体感网自身应用需要容纳大量的传感器节点来感知人体内外部信息，海量的感知信号组成了实时的多源的传感数据流。然而我国现有的数据分析与提取技术大多停留在数据挖掘的功能边缘，不具备学习，预测，发现等能力，不能满足服务需要。如何有效感知，针对性和创造性的利用健康数据指导健康管理和临床实践是该领域现阶段面临的另一挑战。

3.4 观念接受

尽管大众网络使用率正在稳步提高，数字鸿沟正在逐步消除，但预防胜于治疗，不治已病治未病的观念仍未成形，其次，作为体感网监测的主要服务对象，老年人由于其在身体和认知上的缺陷，使其在使用与技术接受上存在较为突出的问题，如何改变大众观念，找到一个用户易于接受与掌握的服务路径是该领域能否嵌入未来医疗保健服务模式的关键之一。

4 结语

目前基于体感网的健康监测系统研究也只是处于试水阶段，其真正嵌入医疗保健路径还需要时间。但不可否认的是，体征监测服务与健康数据应用将越来越多的出现在未来人们的生活中，如何保障监测数据有效安全，实现数据间的互操作和分析，形成基于体感网与数据驱动的监测服务闭环，为用户提供个性化医疗服务将是众多学者和业内人士下一步需要关注的问题。

［1］ 张博文，金新政.城区老年人健康保健需求研究［J］.智慧健康，2016（9）:38-42.

［2］ 原卫生部，国家发展改革委，教育部，等.中国慢性病防治工作规划（2012-2015年）.2012-05-08.

［3］ Chen M， Gonzalez S， Vasilakos A， et al. Body Area Networks: A Survey［J］. Mobile Networks & Applications， 2011， 16（2）:171-193

［4］ 侯伟毅. 面向体域网节能策略的研究［D］. 东华大学， 2015.

［5］ 王洋， 王晓蕾， 尹路，等. 人体通信技术研究［J］. 电信科学， 2011， 27（4）:83-86.

［6］ Chen C， Knoll A， Wichmann H E， et al. A Review of Three-Layer Wireless Body Sensor Network Systems in Healthcare for Continuous Monitoring［J］. Journal of Modern Internet of Things， 2013， 2（3）:24-34.

［7］ Patel S， Park H， Bonato P， et al. A review of wearable sensors and systems with application in rehabilitation［J］. Journal of Neuroengineering & Rehabilitation， 2012， 9（12）:1-17.

Research of Health Monitoring System Based on the Body Area Network

ZHANG Bo-wen， JIN Xin-zheng*
（Research Centre of Health Information Resource， HUST， Wuhan 430030， Hubei， China）

The emergence and application of body area network provide an opportunity to break the traditional model of health monitoring recent years and in order to explore BAN， this study firstly explained the concept and connotation of BAN and then built three-tiers BAN architecture. On the basis of the architecture， this paper finally illustrated the function and relationship of each tier within the architecture and pointed out its facing challenge.

Body Area Network； Health Monitoring； System Architecture

“国家科技支撑计划项目”资助（项目编号：2008BAI52B00）

张博文，男，研究生在读，卫生信息管理专业；研究方向：卫生信息管理。

金新政，男，华中科技大学同济医学院 管理学教授，研究生导师，系华中科技大学健康信息资源研究中心主任。主要研究方向是信息管理、卫生事业管理和软科学。