人体传感网络:body sensor network,简称bsn。bsn以身体为中心,并集成生物传感器、医学电子学、多传感器分析与数据融合、人工智能、普适传感、无线通信和其他创新应用等多学科知识。
bsn充分发挥无线化、网络化、信息化优势,实现健康全过程的跟踪与服务,是低成本健康的发展方向之一。
bsn主要特色是采集与互联互通。
人体传感网络的产生背景
随着“预防为主”的观念深入人心,对健康信息的远程采集和处理是早发现、早诊断和早干预的必备手段;其次,为实现不影响人正常生理活动情况下的连续监测,传统的有线逐步趋向无线化;再者,随着监测设备向微尺度和长时间跨度发展,创新的传感方法与手段必不可少。鉴于此,人体传感网络在物联网背景下应运而生,成为医疗物联网及泛在网(注:广泛存在的网络)的“末梢”,助力解决健康与信息化。
人体传感网络的研究热点
围绕bsn的研究热点,业界开展了相应的科研和产业化工作,总体上来说,体现在以下几个方面:
(1)传感器方面,研发电子织物和非接触电极等新型传感技术;
(2)在能量收获,即利用人体自身的机械运动能或是温度梯度能给bsn节点供能等方面开始了尝试性的工作;
(3)针对bsn语义学模型开展研究,集中在stsom、贝叶斯网络等数学工具的运用上;
(4)采用单晶集成的方式,研制适用于bsn的低频率低噪声低功耗的医学集成电路芯片;
(5)无线通信方面,集中在利用人体通信的传输模式的机理探讨和技术开发;
人体传感网络的模块组成
(1)微型天线、基站板、无线充电等功能模块;
(2)呼吸、心电、血氧、脉率等生理参数测量节点;
(3)集成加速度、角速度、磁力计的九自由度惯性测量节点;
总体而言,硬件系统具有小型化、低功耗、低成本的特点。
人体传感器网络软件开发台(sdk)包括:开发板软件、无线通信协议、基带设计和数据接口定义。主要技术指标:无线传输数据50kbps;数据收发率为10kbps;互联互通协议。bsn通信协议如图所示:
人体传感网络的关键技术分析
bsn涉及到医学集成电路芯片、ip模块和人体通信等关键技术。
医学集成电路芯片和ip模块
集成电路设计具有全集成、低功耗、低成本、高性能、可配置以及微型化医学集成电路芯片等突破性技术优势。
三代人体传感器网络开发平台采用低频率、低噪声、低功耗(“三低”)设计方法,单晶集成多生命体征信号放大、滤波、处理、电源管理功能。三代人体传感器网络开发平台展示如下图所示:
人体通信
传统通信理论将人体作为一个干扰源,在bsn中,为实现低负荷高可靠性的生命信息提取,需要将人体作为一个传输媒介,研究人体通道的信息传输机理;
在“真实浮地”环境下进行了大量在体实验和数值仿真,阐明了载波频率(30mhz)、调制方式和数据率(bpsk、1-10msps)、能耗参数(1nj/bit)、传输距离与安全性(capacitive coupling,1m)、组织与信道关系、运动与信道关系、体征参数与信道的相互作用等因素,为下一代bsn的通信机制研究提供理论基础。
针对心脑血管事件发生发展机理的研究需要影像、生化、基因、生命体征等多模态健康信息,其中生命信息动态检测与心脑血管功能的评估尤为密切,表现在:
(1)血压动态变化是导致易损斑块脱落的重要诱导因子;
(2)st-t段心电图异常是早期冠心病诊断的重要指标;
(3)心率变异性是预测心律失常发生和持续的重要因素;
(4)夜间呼吸率异常是copd等事件的重要风险因子;
(5)日间运动信息是评估中风导致偏瘫预后的重要手段。
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