《可穿戴计算：基于人体传感器网络的可穿戴系统建模与实现》 —1.2　背景

1.2　背景

过去几年间，移动应用在病人监护领域得到广泛应用，从根本上改变了医疗保健的方式。在当今社会，移动应用在预防疾病方面正在发挥越来越重要的作用，尤其在诸如医疗保健成本方面的便利性是非常显著的。BSN技术充分利用移动应用的优势，让生命体征和身体活动（动作和手势）等信息能够传输到诸如智能手机或平板电脑这样的协调器节点［1，2］。小型化和生产成本的降低正在产生具备高处理能力的极小尺寸的传感器和计算设备，从而对无线传感器网络的发展起了很大的推动作用，并对人体传感器网络产生了直接的积极影响。各种不同类型的信息和多样化的生物信号可以经过传感器融合技术［3］处理之后，由传感器节点传输到协调器设备。

下页的图1.1显示一些可穿戴传感设备及其在身体上的典型位置。

1）心电图（ECG）：ECG用放置在皮肤上的电极来记录一段时间内心脏的活动（包括心率）。

2）血压计：又称脉搏计，是一种用于测量血压（一般包括舒张压和收缩压）的装置。

图1.1　一些常见的可穿戴传感器及其在人体上的位置分布

3）脉搏血氧仪：血氧仪是一种能够对血液中的血红蛋白量进行无创测量的医疗设备。血红蛋白会与氧结合，因此可以获得血液中含氧量的估计值。

4）肌电图（EMG）：EMG传感器用于监测肌肉活动，它利用插入肌肉的针电极来获得较高的精度，或者用简单的皮肤电极来获得更佳的实用性和无创性。它记录肌肉纤维在不同条件下的活动：在放松状态下，在自发性收缩达到最大程度时，以及在保持平均收缩状态期间。

5）脑电图（EEG）：EEG传感器使用放置在头皮上的电极来监测大脑活动，捕捉不同类型的脑电波。

6）运动惯性传感器（例如，加速度计和陀螺仪）监视人体动作，甚至姿势。

BSN系统通常具有多项硬件和软件方面的特征：

1）互操作性：必须确保能够通过不同的标准（例如，蓝牙和ZigBee）进行数据的连续传输，以促进信息的交换，并确保设备之间的交互。此外，它还应该提供与传感器节点数量和BSN工作负荷相关的足够的可伸缩性。

2）系统设备：传感器必须具有较低的复杂度、体积小、重量轻、节能、易于使用且可重新配置的特性。另外，病人生物信号的存储、检索、可视化和分析必须便利。

3）设备和系统级别的安全性：必须特别关注对这些敏感数据的安全传输和授权访问。

4）隐私：如果应用的目的“超出”了医疗目的，BSN可被视为对个人自由的“威胁”。社会对这些系统的接受程度是其更广泛传播的关键。

5）可靠性：整个系统在硬件、网络和软件方面必须可靠。可靠性直接影响监控质量，因为（在最坏的情况下）未能观察并且/或者未能成功通知“关键风险事件“对患者来说可能是致命的。由于对通信、功耗的限制和要求，传统网络领域中使用的可靠性技术不再简单地适用于BSN领域，在设计和实施阶段，都必须认真考虑这一点。

6）传感器数据的验证和准确性：硬件约束可能影响所采集的数据的质量，而这会制约传感器设备；有线和无线连接并不总是可靠的；环境干扰和供电的有限性也会影响这个方面。这些因素会导致传输数据的不一致，甚至可能在数据的解释过程中导致严重问题。所有从传感器节点传输到协调器的数据都要在硬件或软件中经过充分“验证”，并尝试找出系统的“关键点”，这一点非常重要。

7）数据一致性：对于具有数量众多且不同类型传感器的大规模BSN，单个生物物理现象可能显得有些“支离破碎”，并且在单个信号中，只有一部分可能被检测到。这会导致信息的一致性问题，必须通过适当的同步策略、数据融合技术［3］以及/或者数据访问中的互斥等方式来解决。

8）干扰：BSN中使用的无线链路应该尽量减少干扰问题，并且使传感器节点能够与无线电频率范围内可用的其他网络设备共存，而不会相互干扰。

9）生物相容性：可穿戴传感器和皮肤电极必须具备生物相容性和稳定性，因为它们可能会在使用者身上不中断地连续工作很长一段时间。

除了硬件和软件方面的特征之外，我们还将重点介绍其他一些方面，它们可能会促进BSN系统的广泛传播及其开发活动：

1）成本：用户期望所用设备能够具备较高的性能，同时具有较低的健康监测成本。

2）不同级别的监测：用户可能需要不同级别的监测，例如，控制缺血性心脏病或在行动过程中跌倒的风险。根据不同的工作模式，设备供电的水平也会随之变化。

3）无创且易用的设备：设备必须是可穿戴、轻便和无创伤的。它们不应该妨碍用户的日常活动；其操作对于用户来讲应该是“透明的”，用户应该不需要知道监控任务的细节。

4）性能的持续性：传感器必须经过校准，而且即便BSN停止工作并且多次重启，它们也应该提供持续的测量。无线链路应尽可能健壮，并能够在不同（嘈杂）的工作环境中正确运行。