無線人體局域網技術淺析

人體局域網通常被看作是應對醫療保健費用劇增以及醫療服務提供商匱乏的一種解決方案，無線標準組織和IEEE都在研發BAN技術。近幾年，無線人體局域網技術的出現解決了偏遠地區患者的監護問題。降低醫療成本的需求以及人們對疾病預防和早期疾病檢測關注度的提高，都是BAN不斷發展的推動力。

一些市場研究報告預計，由于用于患者監護和消費類醫療保健的穿戴式及植入型醫用設備的發展，2011年以前對BAN器件的需求將會達到每年1億顆。

由于許多地區都存在人口老齡化問題，醫療監護將扮演重要的角色，特別是在那些臨床醫生緊缺的國家。這種系統可對老年患者身體狀況實施持續監測，將信息與遠處的醫療服務提供商共享，可以更好地滿足醫療保健需求。利用這種系統，醫療及老年人監護服務提供商可以為那些患有慢性疾病的老年人提供服務，讓他們可以活得更長壽。

BAN是一些極為小型的無線局域網絡，可支持大量的醫療應用，從各種生命體征的追蹤到對移植設備工作情況的監控，以及完成高水準的內窺鏡檢查。

傳統的患者監護由許多生理傳感器組成。這些傳感器連接患者身體和一個安裝在附近的專用信號處理單元，周圍有許多笨拙不便的連接線。這些連接線限制了患者的活動范圍，也影響了患者的舒適性。一些研究報告表明，這些連接線正是醫院疾病傳染的來源。另外，這些連線的晃動還會對檢測結果產生不利影響。

隨著低功耗、低成本無線連接技術的出現，現在可以實施和部署BAN，成為上述傳統技術的一種補充。圖1顯示了一種典型的無線BAN。

圖1: 一種典型的人體局域網

我們可以將傳感器網絡安裝到患者身體表面或者周圍，也可以靜態地植入到人體組織中，從而實現特定生理數據的收集。這樣，不管患者身在何處，我們都可以持續地監控患者的健康狀況。這些收集來的信號可用于腦電圖(EEG)、心電圖(EKG)、肌電圖(EMG)、表皮溫度、皮膚電傳導和眼動電圖(EOG)。

所有傳感器將采集到的信息通過無線方式發送給位于患者身上或者床邊的一個外部處理器。之后，處理器通過傳統數據網絡(例如：以太網、Wi-Fi或者GSM)，將所有信息實時地發送給醫生使用的設備或者某臺指定的服務器。BAN使用的傳感器一般會要求指定其重要生理參數的精度，低功耗信號處理的水平，并要求具備無線連接功能。

某些情況下，傳感器會成為收發器或者接收器，具體取決于所采集數據的帶寬—例如，溫度或者心率數據與模擬EKG波形的對比。

BAN中使用的傳感器主要有兩大類，具體使用哪一類取決于其工作模式。

穿戴式BAN所使用的傳感器，一般貼在人體表面，或者植入人體淺層，用于短期監測(14天以內)。這些傳感器一般都非常昂貴，重量較輕，體積很小，可以實現自由移動式健康監測。醫療提供商利用這些傳感器，幾乎可以實時地了解患者的健康狀況。

植入式BAN使用的傳感器安裝在人體較深區域，例如：心臟、大腦和脊髓等。植入式BAN同時擁有主動刺激和生理監測功能，是一些慢性疾病監測的理想選擇。到目前為止，這些慢性疾病只能使用藥物治療。植入式BAN治療的例子包括帕金森病的深度腦刺激、慢性疼痛脊髓刺激，以及尿失禁膀胱刺激等。

理解BAN要求是在該領域進行可靠產品設計的關鍵。BAN的特點是易配置、低成本、超低功耗和高可靠的傳感器系統。它的包裝和工作運行必須是無菌的，以用于人體周圍或者內部。另外，無線通信必須足夠健壯，以經受各種環境的RF干擾，例如：Wi-Fi網絡、微波爐和無繩電話等。

BAN節點設計的挑戰包括：

外形尺寸 體積和重量對BAN傳感器尤為重要，因為它們直接影響患者的舒適性。節點面積和重量越小，它對患者活動的限制就越小。但是，它必須同其他要求一起進行權衡，例如：傳感器信噪比、抗噪性能和無線通信鏈接天線的效率等。由于各大公司都在根據客戶的應用進行BAN設計，因此用戶友好和可靠性便成為增加用戶接受度的重要因素。

功耗與流耗 電池使用時間是BAN節點設計面臨的一個巨大挑戰。頻繁更換電池或者充電，對穿戴式節點來說并不理想，對許多植入式節點而言更是不可接受的。傳感器與通信忙閑度以及超級再生無線電接收器的使用，帶來更長的工作時間，并實現了電池自主性。一些設計師正關注能源采集技術領域取得的許多新進展，想要通過這些技術延長其BAN產品的工作壽命。

可靠性 在進行醫療器件和應用設計時，系統必須要能夠提供足夠高的數據準確性和可靠性。患者的安全程度取決于傳感和無線傳輸層BAN系統的可重復性、準確性和可靠性。

安全性 BAN節點必須有足夠的安全措施，以保護患者個人隱私和防止黑客入侵。

智能 本地信號處理能力的大小，決定了智能程度的高低;所需信號處理算法的靈活程度，決定了網絡節點的多少，以及采集信號的帶寬。由于嵌入式微處理器的功耗不斷降低，節點正變得越來越智能。

今天，我們可以使用多種無線連接標準來實施BAN技術，例如：藍牙、ZigBee、Wi-Fi、ANT或者低功耗藍牙等。然而，這些無線連接標準制定之初并非為BAN技術應用而開發。

表1列出了一些標準的初始目標應用。有些標準的功耗過高，不能滿足穿戴式BAN器件小于3mA的峰值功耗(耗電量)要求。但是，標準制定機構和行業組織已經實施了醫療專用計劃，旨在滿足這些BAN要求。

我們還可以使用各廠商提供的專有解決方案來實施BAN系統。這類系統通常都使用不同的工作頻率(取決于各個國家)，且不可通用。另一方面，相比公共無線標準，專有解決方案允許BAN專為滿足一些特定需求而定制，因而擁有更好的特性，例如低功耗等。

為了開發出一種適合BAN應用的低功耗器件優化型通信標準，IEEE于2007年成立了IEEE802.15工作組6(BAN)，目的是開發IEEE802.15.6標準。相比現有標準，IEEE802.15.6擁有許多優勢：它側重于短距離、低成本、低功耗和低實施復雜度。IEEE802.15.6標準對物理(PHY)層、媒體訪問控制(MAC)協議和安全層進行了定義。

IEEE802.15.6架構