导入人体区域网路技能，医疗体系实现长途智能监控

跟着全世界人口老化及慢性病患人口增长，远端居家照护成为进步前辈国度医疗成长的主要议题。现阶段，心理参数目测技能已经呈现庞大前进，透过联合可携式传感装配与人体区域网路

作者： 年夜康健派编纂来历： 中国IDC圈2016-07-19 13:52:34

智能医疗监控体系呈现庞大设计冲破。跟着人体区域网路技能规范IEEE 802.15.6底定，新一代医疗照护体系将可以无线体式格局，将人体各部位穿着式传感器所丈量到的心理旌旗灯号，传送至病院伺服器并贮存，从而提供即时远端监控与病患心理状况阐发等智能功效。

跟着全世界人口老化及慢性病患人口增长，远端居家照护成为进步前辈国度医疗成长的主要议题。现阶段，心理参数目测技能已经呈现庞大前进，透过联合可携式传感装配与人体区域网路（Body Area Network， BAN），医疗职员将可连续性监控与阐发病患心理旌旗灯号，赐与病患准确康健引导、谘询与追踪；同时有用降低医疗资源华侈，并改良医疗质量。

人体区域网路技能助力 现代医疗体系功效进级

传统医疗照护需要医护职员不按时监察病患传感器的心理旌旗灯号，使患上照顾护士职员疲在奔命。现代医疗照护体系透过人体区域网路技能，能让照顾护士职员即时远端监控与阐发病患的心理旌旗灯号，倘使病患呈现病危状态，医护职员也可即时得悉并做出求助紧急处置惩罚。

人体区域网路由多个传感器（EEG、ECG等）构成，漫衍于病患身体上网络以及传送心理旌旗灯号（图1）。所有传感器的心理旌旗灯号由保持传感器（手錶或者其他携带式装配）搜集，并透过外部无线网路（WLAN、WWAN）将病患的心理旌旗灯号传送至病院伺服器并贮存。让医护职员能即时监控与阐发病患的心理旌旗灯号，到达降低医疗资源使用的目的。

图1 人体医疗监控网路示用意

人体区域网路可运用在人体心理旌旗灯号监测或者多媒体文娱等近身无线传感技能，今朝IEEE 802.15.6 Task Group已经着手制订人体区域网路规范，并界说叁种实体层体式格局，包孕窄频（Narrow Band）、超宽频（Ultra Wideband， UWB）及人体通信（HBC）。

此中，人体通信使用人体通道传输做为实体层前言，可降低传输功耗，于是其能源效率较窄频及超宽频更具上风。为增长可携带性以及节约电源替代成本，必需使用轻薄短小的薄膜电池，或者哄骗能源网络再生（Energy Harvesting）体式格局提供电力，以至以收受接管吸收无线旌旗灯号的能量进一步供应电力。是以，超低能源耗损是无耳目体通信体系设计上的要害重点，以延伸电池生命周期。

然而，人体通信的通道相应具电容特征，会跟着穿着者的春秋、身高体重、姿式、电极几何设计有所差异，及人体方圆情况而影响通道变迁。

因为人体通信係以人体为通信前言，藉由静电耦合（Electrostatic Coupling）的体式格局传输，是以，其体系仅需繁杂度低的数字电路与电极片（代替天线）来实现。此中，传送端以数字电压旌旗灯号输入至电极片，于体表上转化为电场传导；当吸收端电极片感到到电场，就能转化为电压旌旗灯号举行吸收，要留意的是，人体与传感器皆须接地才气孕育发生回路。

数字电路制造人体通信体系

人体通信机制运作流程中，起首係以IEEE 802.15.6规范，界说人体通信实体层和谈数据单位（Physical-layer Protocol Data Unit， PPDU）的帧布局，由前导序列（Preamble）、帧肇始符号（Start Frame Delimiter， SFD）/速度指标（Rate Indicator， RI）、实体层标头（PHY Header），和实体层资料负载（PHY Payload）所构成。实体层资料负载则是由媒体存取节制标头（MAC Header）、媒体存取节制资料负载（MAC Payload）以及帧查抄挨次（Frame Check Sequence， FCS）所构成（图2）。

图2 人体通信帧布局图

人体通信体系以数字电路实现，实体层和谈数据皆是Gold序列编码孕育发生。再颠末频次位移码（Frequency Shift Code， FSC）升频后，输入至电极片传送；而频次位移码使用反复［0 1］编码，此中展频因子（Spreading Factor， SF）决议反复的次数。假定频次位移码使用［0 1］，则SF为2；依此类推，频次位移码使用［0 1 0 1］，SF即为4。

如图3所示，人体通信传送端由传送端暂存器、前导序列孕育发生器、帧肇始符号孕育发生器、标头孕育发生器、搞乱器（Scrambler）、串行转并行（Serial-to-Parallel， S2P）、频次选择性展频器（Frequency-selective Spreader）、领航孕育发生器及多工器所构成。所有孕育发生的传送旌旗灯号依序经由多工器切换输入至电极。

图3 人体通信传送端架构图

前导序列做为吸收端同步使用，每个前导序列由四个64位元Gold序列，颠末频次位移码展频为四个长度512位元的序列（图4）；此中SFD/RI与PHY Header也须藉由频次位移码举行调变。当吸收封包时，吸收端靠着前导序列侦测封包，再哄骗帧肇始符号侦测帧肇始点。

图4 前导序列孕育发生器运作示用意

如表1所示，透过差别时序位移显示传送封包资料速度，吸收端不须参考实体层标头，即得悉封包资料速度，帧肇始符号与速度指标架构则按照资料封包速度决议帧肇始符号的时序位移，将24位元填满时序位移。

另外一方面，实体层标头资料以32位元暗示资料传输率、领航配置资讯、同步情势、资料负载长度，及CRC8等封包相干资讯。为避免因时鐘偏移（Clock Drift）影响同步，领航序列插入�����APP在实体层资料负载布局，而领航序列周期会以3位显示于实体层标头的领航资讯中（表2）。

实体层资料负载须颠末传输资料串行转并行与频次选择性展频器处置惩罚孕育发生，且频次选择性展频器处置惩罚由正交码与频次位移码构成，如图5所示。此中S2P方块因此4位元为一个符元转换成并行资料。

图5 实体层资料负载处置惩罚流程图

成立人体通信通道模子 把握频次相应与信噪比

于人体通信体系中，资料透过电极以电压旌旗灯号感到人体体式格局传送，于是孕育发生频次相应与乐音。尤为人体为非导体，电压旌旗灯号振幅将依此衰减，且电压旌旗灯号还会因人体具备电容特征而孕育发生相位差，以是每一位使用者身高体重有所差异，就拥有各自差别的频次相应。

很多电器装配孕育发生的电磁波辐射滋扰人体通信，亦将在人体中孕育发生噪声，统计特征成高斯漫衍。也是以，成立人体通信通道模子，从而把握资讯传导特征，对于人体通信体系而言相称主要。人体通信使用近场耦合，两耦合前言介在传送端与吸收端之间（空气与身体），两个前言间隔界说暗示如图1所示；人体通道相应方程式（1）、（2）、（3）别离暗示为：

。。。。。。。。（1）

此中，hR（t）暗示为参考通道脉冲相应，Ch暗示为系数，相干在接地平面巨细与传送端以及吸收端之间间隔。

。。。。。。。。（2）

Av暗示为旌旗灯号丧失颠簸系数，成高斯漫衍暗示为Av N（1， 0.162）。A、tr、t0、xc为常数（表3），Ch如方程式（3）所示：

。。。。。。。。（3）

此中，GT以及GR别离暗示为传送端与吸收端之接地平面巨细，dair以及dbody别离暗示为空气前言与身体前言中传送端至吸收端之最短间隔，单元皆为平方公分（cm2）。参数在此通道模子限定如方程式（4）：

。。。。。。。。（4）

现实人体通道量测架构如图1所示，传吸收电极各放在摆布手掌，并发送脉冲讯号，颠末人体传导后吸收。图6为量测成果，显示人体通道脉冲相应因人体为非导体特征形成旌旗灯号振幅衰减。而通道传输延迟极小，是以多重路径流传效应之滋扰也险些可以纰漏。

图6 人体现实量测通道脉衝相应阐发

哄骗进步前辈演算法 优化人体通信吸收机设计

因为人体通信资料传输体系採用非同调编码技能（Non-coherent Modulation），再加之操作频段极低，是以吸收端不须举行频次同步。人体通信资料传输基本上为封包传输，怎样有用哄骗前导序列举行时间同步，将是设计要害。

封包侦测演算法基在封包传输架构，因为吸收端不知道什么时候会收到封包，是以举行初始化同步的步伐前，须进步前辈行封包侦测，进而将人体通信体系的讯号封包分辩出来。

封包侦测演算法重要哄骗第一个前导序列举行，为让吸收端藉由量测吸收旌旗灯号的能量，以判定是否有收到资料封包，起首须计较吸收旌旗灯号能量，如方程式（5）所示：

。。。。。。。。（5）

此中r代表吸收旌旗灯号、k为累加器指标、K则为不雅察区间。当C年夜在一个事先设定的门坎值T，则暗示此不雅察区间内的旌旗灯号功率满意人体通信体系的封包功率特征，是以判定为一小我私家体通信体系的封包。

符元时序同步则是当吸收端判定为收到一个资料封包后，进一步哄骗残剩的前导序列举行符元时序估测。此时，吸收端将吸收旌旗灯号与已经知的前导序列Gold码做互相干运算，最年夜值的偏移量即为符元时序的估测点，如方程式（6）所示：

。。。。。。。。（6）

此中为符元时序估测，c为前导序列Gold码，n为征采的指标，m是累加器的指标。

接着，哄骗如下体系参数举行人体通信体系效能模仿；包孕人体通信体系设计中央频次为32MHz、时脉频次为64MHz、频宽为8MHz、资料传输率为2Mbit/s、实体层资料负载为128Byte、FSC以及Wash码调变、SNR从-6d至-1dB。通道模子透过方程式（1）孕育发生振幅与相位变迁。

图7为人体通信体系模仿的典范，暗示举行符元时序同步时反相干运算的输出值，如方程式（7）所示，而使患上P（n）有最年夜值的n即为符元时序的同步点。

图7 符元时序同步模仿阐发

。。。。。。。。（7）

按照IEEE 802.15.6规范的吸收方针，在传输负载为128Byte环境下，封包过错率（Packet Error Rate， PER）须小在1%。于思量封包侦测与符元时序同步后，当SNR年夜在-2.6dB就能切合预想到达过错率小在1%的方针，如图8的体系封包过错率模仿成果。

图8 封包过错率模仿阐发

IEEE 802.15.6开路 人体区域网路成长更完整

IEEE 802.15.6已经申明人体通信讯框布局、传送端架构与通道模子，并据此开发出吸收机演算法，有用举行封包侦测与符元时序估测。从模仿成果中，发明人体通信体系于低SNR的前提下举行资料传输，仍可实现低过错率的效能，到达低功率、高资料传输率的人体通信网路。

现阶段，人体区域网路已经可即时且正确提供多种病患的生医传感器旌旗灯号予医疗职员，从而到达准确的康健引导、征询与追踪，年夜幅晋升医疗照护质量，并降低医疗资源的使用

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