基于体域网的急救智能可穿戴系统的研究现状与进展

韩 伟，王骏超，周 洋，姜莹莹

1 体域网急救智能可穿戴系统的研究现状

1.1 背景 医疗健康服务的多样化与便利化越来越依赖于信息技术的支撑[1]。医疗领域是惠及面最广、信息技术支撑力度最大、产业带动面最广、服务示范性效应最明显的应用领域之一[2-3]。随着电子医务的兴起，身体局域网（Wireless Body Area Network，WBAN；中文简称：体域网）技术引起了国际上的极大关注。由于作为生物技术、传感网、互联网融合的体制及应用将主导信息科技与其它新技术的相互渗透和协调发展，体域网从诞生起就引起了全世界学术界与产业界的强烈兴趣[4]。如图1所示，体域网可实现自然状态下获取人体生命体征参数，并支持临床诊疗、急救救援救治、健康信息服务等应用[5]，属于生物医学与信息科学的交叉领域，它是通过多个可穿戴式传感器节点形成通信距离不超过3 m的局域网络[6-7]。

图1 身体局域网

1.2 体域网的电子医疗架构 传感器节点采集生命体征参数如血压、心率、体温、呼吸、血氧饱和度、心电等，协调器将来自传感器节点的数据经通信网络和交换中心发送至医院[8-9]，如图2所示，描述了基于体域网的电子医疗架构图。经处理后再转发至个人、社区与家庭，能提供移动临床、远程诊断、健康教育、健康咨询与评估等多种服务，极为有效的缓解目前医疗短板、利用率低的突出矛盾[10]，合理配置医疗资源、明显提高人民医疗健康服务及急救救治水平[11]。

图2 基于体域网的电子医务构架图

1.3 体域网的应用范围及特点 体域网技术能够帮助实现对人的智能化医疗工作，实现医疗信息数字化、诊疗过程实时化、医疗流程科学化、服务沟通人性化[12-13]，能够满足医疗健康及急救救援信息、公共卫生安全的智能化管理与监控等方面的需求，同时实现个体与医务人员、医疗机构、医疗设备间的互动，实现个人健康的管理，即疾病的及早治疗和急救救援信息维护，促进医疗领域管理信息化与智能化[14-15]。体域网还可广泛应用于娱乐、运动、环境智能、军事和公共安全等方面[16]，是关系到国计重大民生、市场需求极为旺盛的重点发展领域，其具有的社会效益与经济效益不可估量[17]。

1.4 体域网的优点 如图3所示，相比于其他无线通信标准，体域网的优点主要体现在以下三个方面。（1）在低数据速率的场景下，体域网的系统功耗远低于其他无线通信标准，电池使用寿命也远高于其他无线通信标准。（2）WiFi、蓝牙、Zigbee的信息传输都集中在2.4 GHz频段，容易互相干扰，带来额外的功耗开销[18-19]。而体域网提供了更多医疗设备专用频段（500 MHz至5 GHZ）的选择[20]，从而降低不同通信之间的干扰问题。同时，体域网系统可以根据不同的应用场景需求，在窄带信道（Narrowband Channel）、超宽信道（Ultra-wideband Channel）与人体信道（Human Body Communication Channel）之间选择最佳信道进行通信[21]。（3）由于体域网是针对医用场景下的人体体征信息的传输，所以其信息敏感度与私密性较高。不当的信息泄露会导致较为严重的安全问题，甚至直接关系到使用者的生命安全。因此，体域网的安全保护措施相比较于其它无线通信标准也更高、更具有独特性。

图3 体域网与其它无线通信标准在不同数据速率下的功耗和电池使用对比

1.5 体域网的瓶颈及热点 相比于其他无线通信网络，阻碍体域网大范围推广与落地的主要瓶颈问题集中在以下几个方面。（1）传感器节点的超低功耗要求与有限算力的硬件资源限制问题[22]。作为电子医务系统的基础组成部分，体域网系统节点负责随时随地对患者的各项身体参数进行24 h监控与跟踪，长期高效稳定的进行生理信息采集与数据交互是实现其功能的基本要求[23-24]。然而，由于体域网传感器节点的植入式与可穿戴特性，导致了其势必使用体积受限的有限电源供电与算力较低的低功耗硬件[25]，而每次电源的更换或充电，都会对体征参数的连续提取与跟踪造成较大的影响[26]。特别是对植入式传感器节点来说，每次电池的更换都会对使用者造成较大的不便与痛苦。因此，如何在有限的供电与硬件资源条件下长期高效稳定的超低功耗体域网传感器节点通信设计方法成为了体域网研究领域的热点问题[27-28]。（2）体域网传感器节点中数据安全保护问题。体域网中包含大量例如各项生命体征数据、医疗诊断信息、用户病历记录等极其私密的数据信息，非法接入、修改或信息泄露不仅会造成较大的安全风险，甚至会对使用者的生命安全形成威胁，造成无可挽回的社会影响[29-30]，故而体域网的信息安全需求相比较于其它无线通信网络更高。（3）体域网传感器节点及其有限的供电与硬件资源限制，导致了传统的高强度数据安全方案难以在该场景中对各项数据实现应有的保护[31-33]。因此，如何在有限硬件算力、功耗、面积的限制下设计安全可靠的加密算法，建立体域网数据传输的可靠环境，防止针对医疗数据的非法篡改，确保节点的合法性等针对体域网安全机制的研究成为了体域网领域亟需解决的关键科学问题[34-35]。（4）由于体域网存在的低功耗通信及数据安全方面的限制，导致了虽然体域网在医学领域具有较好的发展前景，但是一直以来在目前临床应用领域存在着较大缺陷[36-37]。

2 体域网急救智能可穿戴系统的研究进展

在解决体域网低功耗高可靠性通信机制、数据安全问题的基础上，研制针对急救场景的体域网无线体征监测系统，如灾难、交通事故、公共卫生事件、家庭突发脑血管意外等场景，完成急救患者的多参数体征数据采集及监控和反刍，提升急救效率与接诊速度，加快医疗信息化进程。作为体域网研究领域的瓶颈问题，其核心技术的突破可有力支撑信息网络（服务）、无线通信、半导体等新一代信息技术战略型产业的发展，从而带动基础元器件、通信终端、系统设备等制造业和信息服务产业的发展，提升医疗行业的信息化水平和健康医疗服务水平。应用方面：智慧终端检测分析生理数据、伤情评估、完成电子病历、通过5G传输到医疗云端信息平台，医疗云端信息平台通过5G传输医院及救护车等验检测分析预警生理数据、伤情评估、完成电子病历。有研究报道[38]体域网可穿戴系统的进步，通过监测病人在急诊分诊后等待时的情况来改善当前的急诊科就诊流程，从而降低不良事件的风险。该研究提出了一个动态的数学决策模型，以确定病人的优先级，在急诊科中形成一个反馈循环。可穿戴设备（收集数据）与决策理论（综合组织信息）的耦合可以帮助减少急诊科分诊系统的不确定性。急诊可穿戴床边临床实验室检测系统（Point-of-care testing，POCT）[39]，可以显著减少实验室检测结果的周转时间。POCT设备可以直接在患者身上测试样本，包括胆红素计、脉搏血氧仪、呼气测醉仪（用于酒精和大麻素检测）、经皮血气分析，术后葡萄糖和肿瘤指标。这些设备的运用与对重症医学科和急诊科非常重要。可穿戴POCT设备有很大前景，以满足当前和新兴临床学科的需求。

3 体域网急救智能可穿戴系统的研究热点及展望

我国在体域网领域的研究才刚起步，与发达国家相比差距较大。目前查询未发现体域网有在急救领域的理论及应用研究，急需开展相关研究，缩小与国际先进技术的差距，为体域网系统产业化奠定核心技术基础[40-41]。通信与安全技术是建立体域网理论体系和应用系统必须解决的关键问题[42]。作者拟开展的前沿研究工作，对于体域网系统的网络安全技术探索、专用集成电路实现探索等方面具有重要的学术意义；在降低无线节点功耗、稳定可靠通信等方面具有很高的实际应用价值，其成功实施能推进超低功耗芯片、可穿戴式无线节点、智能医疗终端、健康与监护仪器等器件与设备的研制，有助于形成惠民生及急救救援的电子医务实施解决方案，对有序推进远程电子医务的部署和应用、提高医疗行业的信息化水平和急救救援医疗服务水平具有直接贡献。作者是在原团队工作基础上的延申和深入，团队在体域网系统安全解决方案设计、硬件设计与急救救援应用验证方面有较好的研究基础[43-44]。