精選資料可修改編輯家庭網絡中的BAN和遠程健康監護BANandRemoteHealthMonitoringinHomeNetworks2006-07-25

作者:孟旭東,王建安,陸凱摘要:通過遠程醫療監護系統提供及時現場護理(POC)服務是提升健康護理手段的有效途徑。體域網(BAN)是由依附于身體的各種傳感器構成的網絡。在遠程健康監護中，將BAN作為信息采集和及時現場護理(POC)的網絡環境，可以取得良好的效果，賦予家庭網絡以新的內涵。借助BAN，家庭網絡可以為遠程醫療監護系統及時有效地采集監護信息；可以對醫療監護信息預讀，發現問題，直接通知家庭其他成員，達到及時救護的目的。

關鍵字:體域網；遠程健康監護；及時現場護理；家庭網絡英文摘要:ThePoint-of-care(POC)serviceprovidedbyremotemedicalmonitoringsystemisaneffectiveapproachtoupgradehealthcare.ABodyAreaNetwork(BAN)consistsofvarioussensorsattachedtothehumanbody.TheBANenablesgoodremotehealthmonitoringwhenitisusedforinformationcollectionandPOC.Itaccordinglyaddsnewvaluestothehomenetwork.WiththeaidoftheBAN,ahomenetworkcaneffectivelycollectmonitoringinformationintimefortheremotemedicalmonitoringsystem.Moreover,itcanfurtherdetectsymptomsofapersonbypre-readingcollectedinformation,anddirectlynotifyhisfamilyofthesymptomsforprompttreatment.

英文關鍵字:bodyareanetwork;remotehealthmonitoring;pointofcare;homenetwork

相對于工作場所，居家環境更主要地體現在休息和娛樂。為此，通過家庭網絡構建的家庭娛樂、智能居家、家庭安防和綜合信息通信服務，正在努力為家庭居室建立一個舒適、安全、愉悅的生活環境。

然而，除了生活的安全與舒適之外，人體健康護理也是居家生活必須考慮的問題。這是因為，居家的特殊生活方式與狀態常常導致了我們生活的這個時間段處在健康監護的盲區。很多突發性的疾病，由于沒有及時發現而錯過搶救的時間，另外，很多慢性病患者到醫院進行經常性的日常檢查，也造成醫院擁擠，甚至造成對病人新的傷害。居家環境中的醫療遠程監護就是要提供全程(24h/d)的健康監護，提供完整的病情報告，對疾病進行預警和及時現場救護。這就是遠程醫療監護延伸到家庭中的主要原因。1醫療監護體域網1.1遠程醫療監護

遠程醫療監護(Telecare)是遠程醫學的一個部分，因它所提供的及時現場護理(POC)服務，正在日益凸顯它的重要。它使人們可以及時發現某些突發疾病，如冠心病、腦溢血的發病征兆，給予預警，在發病的期間給予及時的醫療救護。而一般的慢性病，如糖尿病、睡眠障礙等也能通過監護，發現病因，觀察醫療進展，進而指導醫療。

遠程監護經歷的發展過程大致有以下幾個階段：

(1)非實時監護。如采用24h心電監護儀，患者將其背負在身上，記錄下較長一個時間段上的心率變化。但它沒有通信部件，事后要拿到醫院解讀，或者由一個家用發送裝置完成信息的發送。對于患者病情急性發作，它是無能為力的。

(2)實時監護。通過有線連接監護傳感器，并建立公共交換電話網(PSTN)的實時傳輸鏈路，實時地將數據傳送到醫院臨床診斷救護中心，如同病房搬到了家里。缺點是妨礙被監護者正常的活動，另外，它的發送裝置也僅為單個傳感器服務。

(3)無線體域網(BAN)。在人體上設置多個健康監護傳感器，共用一個無線發送器，構成一個網絡，即健康監護BAN。

(4)家庭網絡環境下的多無線BAN，借助家庭網絡的網關設備，使多位家庭成員共享醫療監護信道。另外，網關對監護信息實現預讀，在轉發信息的同時，向患者的家庭成員發出告警。1.2BAN網絡模型

BAN[1]是由附著在人體上的各種計算部件組成的網絡。它和可穿戴計算機密切相關，這些計算部件分布在人身體的各個部位。

BAN的原型系統是由T.G.Zimmerman在1996年開發的[2]，它提出了以人體皮膚為信息通道的數據傳送方法(最大速率400kb/s)，將身體上部署的各種設備連接起來。除了通過有線、皮膚進行通信外，用短程無線射頻(RF)通信技術進行BAN的信息交互日趨成為研究的重點。

BAN因部署的傳感器的類型不同，而使其作用不同。不過，這些不同類型的BAN通信模型基本是相同的，一般分為BAN內部通信和BAN與外部通信兩部分，如圖1所示。內部BAN通信將各傳感器、促動器的信息與移動基本單元(MBU)進行信息交互，完成BAN內部的通信；MBU再將數據傳送到外網，外網可以是如GSM、PSTN網絡，也可以是距BAN較近的個域網(PAN)網絡，構成BAN的外部通信。

在醫療監護方面，近年來，隨著微電子技術的發展，出現了可穿戴、可植入、可侵入的服務于人的健康監護設備：如穿戴于指尖(夾子)的血氧傳感器、腕表型血糖傳感器、腕表型睡眠品質測量器、睡眠生理檢查器(穿戴于胸前)、戒指型血氧量等生理現象的測量傳感器、低侵入性的影像信息傳送組件囊膠、可植入型身份識別組件。

除了以上各類人體生理信息傳感器以外，微電子技術還催生了各類促動器，如用于激化麻痹肌肉的植入型芯片(美國南加州大學的BION計劃)、自動給藥器(美國加州大學爾灣分校馬克·瑪竇研究)。

如果沒有BAN，這些傳感器和促動器都是獨立工作的，要自帶各自的通信部件，因此通信資源不能有效利用，信息傳送的安全性和有效性得不到保障。

從經濟、微型化考慮，自然提出了讓這些傳感器構成一個網絡的設想，將各種傳感器的信息先會聚到一個身體上的通信單元上(如MBU，類似AdHoc網絡中的簇頭)，由它進行BAN的內部通信，同樣，也由它和別的通信網絡進行BAN外部通信。除了在通信方面的獲益之外，BAN網絡還可以加入環境感知功能，自主地決定網元的動作(如對促動器發出命令)。圖2所示是一個健康監護BAN的示意圖。最終，BAN的信息將匯總到護理中心，由這里的設備進行分析、整理，對病情狀況做出報告?？捎纱税l出急救命令，也可發出普通的護理信息，如傳給BAN的促動器命令，完成自動給藥、輸液等工作。

BAN構成了服務于人的最小的網絡。從信息技術的發展來看，移動的、貼身的服務無疑是最能體現普適計算理念的服務。

BAN的作用范圍是1～2m的距離?，F在提出的BAN的基本要求是：能夠進行異種設備互連，即插即用；可能力重配置；可業務整合；能夠與BAN外網連接。1.3MobiHealth研究計劃

2002年5月1日歐盟啟動了移動的健康監護(MobiHealth)研究計劃[3](編號：IST-2001-36006)，計劃于2004年2月結束，耗資819萬歐元，其中歐盟投入495萬歐元。參與者包括電信運營商、健康呼叫中心、醫院、保險公司、傳感器和促動器制造商、電信設備制造商、大學、研究所等，涉及5個國家(英國、德國、瑞典、荷蘭、西班牙)的14個研究單位。

該項目是一個預研性的合作支撐評估項目，是為開展健康領域的增值服務而引入，用以檢驗基于2.5G和3G的無線通信技術用于遠程醫療服務的可行性。該項目提出了將傳感器和促動器整合成一個無線體域網的概念，一個完整的健康護理網絡如圖3所示。

在這個項目具體實現中，各種傳感器到MBU之前，先通過有線連到一個前端設備上。共開發了4通道和9通道兩種前端設備，可連接光電血氧計、心電圖儀等各類傳感器，由它用藍牙技術發射到MBU，構成內部BAN通信，然后MBU進行BAN外部通信，采用通用分組無線業務(GPRS)或通用移動通信系統(UMTS)將信息發送到遠端醫療服務系統中。服務系統可以同時對近10萬個BAN進行監護和信息管理。

該項目研究的結論是：使用2.5與3G基礎設施，在遠程醫療方面存在優勢；通過這個方法提供給病人完全個性化的、居家的健康監護，可降低在醫院和健康護理的費用；通過一個基礎性開發平臺能幫助中小型企業(SME)開發基于2.5與3G的移動的健康和生命持續監護的增值業務，包括疾病診斷、疾病預防、遠程援助、身體狀況檢查。

研究推出了一種新的服務模式：移動個體的遠程醫療服務＝體域網(BAN)＋無線通信＋患者監護應用。2健康監護BAN通信標準2.1BAN通信技術

正是MobiHealth項目的研究引入了健康監護的BAN，其通信技術也被細分為：BAN內部通信技術、BAN與外部通信技術和服務網絡通信技術。

有關BAN內部的通信協議和建模方式，有兩種技術標準可以采納，即傳感器工業的智能傳感器互連與互操作標準(IEEE1451)，以及醫學臨床界使用的醫療設備互連與互操作標準(IEEE1073)。也就是說健康監護BAN中的傳感器，可以視為普通的傳感器，接口遵從IEEE1451規范，進行信息交互，即插即用；也可以將其視為專用的醫療監護設備，接口遵從IEEE1073規范，即插即用。它們的主要差別在語義描述和操作模式層面上，各有優勢。

目前是IEEE1451產品為主。兩類產品共存，混合使用是較長時間段的現實狀況。IEEE1073的高層協議起的作用今后會大于IEEE1451協議。在物理層上可采用有線、無線RF、紅外等多種方案。普通傳感器到前端設備的信息傳送不屬于BAN通信的內容，可視為將普通傳感器變為智能傳感器的具體實現。

在BAN與外部通信技術中，已經有直接與基礎網絡通信的方案，如MobiHealth項目采用2.5G與3G解決方案。也可采用ZigBee、藍牙、無線局域網和超寬帶(UWB)等其他短距無線傳輸技術構建BAN與PAN的通信解決方案，方案適用于家庭網絡、救護車等其他PAN中進行信息交互。在通信的高層協議中，IEEE1073發揮著較大的作用。

在服務網絡上，可以參考的標準是IEEE1157(即健康數據交換標準)。通過IEEE1157，可以建立基于內容的路由服務，構架內容分發網絡(CDN)。在美國，紐約州的IDEATEL計劃進行了4年有關借助Web的遠程醫療監護試驗，對1500名糖尿病患者進行了遠程醫療監護，效果尚在評估中。另外，美國的MediCompass項目與Yahoo合作開發了基于Web的增值服務網站。2.2傳感器互操作標準IEEE1451

IEEE1451是智能傳感器互連互操作協議[4]，是BAN內部信息通信方案之一。這里“智能”是指傳感器的自我描述、自我識別的能力，使之互連互操作。早在1993年，為了解決傳感器與各種網絡相連的問題，KangLee等人就開始構造一種通用智能化傳感器的接口標準。1993年9月，IEEE傳感器測量和儀器儀表技術協會決定制訂這樣的協議，到1995年4月，成立了兩個專門的技術委員會：P1451.1工作組和P1451.2工作組。前者負責對智能變送器的公共目標模型進行定義和對相應模型的接口進行定義；后者負責定義變送器電子數據定義(TEDS)和數字接口標準，包括智能TIM(STIM)和網絡能力應用處理器(NACP)之間的通信接口協議和管腳定義分配。其中，變送器電子數據定義(TEDS)是一種元語言描述框架。在STIM和NCAP的標準接口上，提供了一個傳感器數據的統一的描述方法和封裝形式。使網絡能夠自動地識別和處理這類智能傳感器的信息。制造商可以把一個傳感器應用到多種網絡中，使傳感器具有“即插即用”能力。經過幾年的努力，IEEE1451工作組已經通過了7個系列的傳感器互連互操作的標準，分別適用于不同的網絡環境。2.3醫療設備互連互操作標準IEEE1073

IEEE1073協議是從醫療救護這個視角描述系統[5-6]，它屬于POC互通中的一個環節中的互連規范，按照醫療設備互連行業協會(CIC)的要求，POC的互連體現在兩個接口上，如圖4所示。設備接口包括兩個部分：設備與接入點(DAP)規范、設備消息層(DML)規范。DAP規范給出了一個低成本、靈活可靠的信息通信方法，DML規范給出了設備與觀察診斷者之間信息的結構、含意和交互流程。其中IEEE1073就是DAP的規范，第7層健康信息交換標準(HL7)是DML規范。接入點是接收BAN信息并將它傳送到遠端的功能實體；POC數據管理實體轉換HL7理解的內容，用可擴展標記語言(XML)表示。不同的接口規范由不同的工作組研究，最后由美國臨床實驗室標準化委員會(NCCLS)發布，該組織2005年更名為臨床實驗室標準化協會(CLSI)。

在BAN中，人們主要關心POC設備的互操作，也就是設備接口DAP的IEEE1073協議。從實現BAN通信的角度看，它定義的就是一個BAN外部信息交互規范。規范定義了一個醫療信息總線(MIB)，在這MIB中有兩個功能實體床邊通信控制器(BCC)和設備通信控制器(DCC)，IEEE1073規范了BCC與DCC之間的通信，定義了物理、傳輸層，以及設備發現、建立連接、傳送、斷開的過程。IEEE1073由6個子協議組成。3家庭網絡環境中的健康監護BAN

可穿戴的、無線移動健康監護環境BAN可極大地改善監護對象的生活質量，而將BAN納入家庭網絡之中，則可以進一步提升BAN的服務內容。首先，借助家庭網絡對基礎通信設施的利用，可以建立多路接入手段，保證多條路由的選擇，使監護信息及時有效地發送；其次，家庭網絡的網關可以為多BAN提供通信共享信息傳輸通道，可以降低BAN的服務成本；最后，家庭網絡網關通過對醫療監護信息的預讀，發現問題，直接通知家庭其他成員，達到及時救護的目的。

家庭網絡中的BAN基本工作流程如圖5所示，多個BAN用短距無線技術與家庭網絡網關通信，后者根據事先建立的應用配置文件選擇其中一條路由，建立通信鏈路，如果失敗，網關則重新選擇一條新的路由，直至成功，同時網關對信息內容進行預讀，當發現情況緊急時，觸發告警機制。

為了在家庭網絡中加入健康監護BAN，本文認為必須考慮以下幾個問題：

(1)無線頻點的電磁兼容性問題

目前，中國尚未規定專用的醫療服務的無線電頻點，很多頻點都與娛樂電子頻點相同，如ZigBee、藍牙、無線局域網和UWB等。國際上有專用的醫療服務頻點，如：歐盟(ETSIEN301839)有402～405MHz；美國無線醫療服務(WMTS)有3個，608～614MHz、1385～1390MHz和1432～1435MHz。因此中國需要通過研究給出適合中國醫療要求的無線電頻點。另外，中國也尚未進行醫療植入物通信服務(MICS)研究，如腸胃炎患者吞下一顆含有無線傳輸系統的微型高解析影像掃描儀，這是體內的傳感器與體外的MBU通信所必須的，也是亟待研究的課題。

(2)互連互操作性標準

中國的遠程醫療采用何種標準為主目前難以確定。IEEE1073規范推廣應用進展遲緩，不過，歐洲的飛利浦與德格爾兩家歷史悠久的醫療設備廠商已經開始采納IEEE1073標準，而美國的競爭對手們才剛剛開始注意它。中國的研發，是先搞IEEE1451與IEEE1073網關，還是直接做IEEE1073傳感器，有待中國醫療設備制造商探討。

(3)語義解析問題

POC、HL7是否適合中國的醫療服務體系，完全依照此建立遠程監護的本體語義，是尚需要研究的問題。

(4)BAN的身份確認問題

當多方BAN接入網關時，如何確認BAN的身份，保障個性化的服務，是尚需要研究的問題。

(5)多BAN間的傳感器信息干擾問題

盡管BAN內部是短距的，但是當多BAN靠近時，區分各自傳感器的內容，以防誤讀，必須有一套機制加以處理。

(6)網關的設計問題

現有的網關設備不足以支持健康BAN的工作，需要建立相關的規范，以便第三方開發。

(7)固定傳感器與BAN間的交互問題

有些傳感器是不必穿戴的，而是在使用時和個人BAN發生信息交互。如具有內藏有微型傳感器的牙刷，可以自動偵測你的體溫、血糖以及口腔內細菌含量等生理參數，再通過無線傳輸把資料傳給BAN。具有生理化驗功能的坐便器也是這樣。4結束語

伴隨著中國進入老年化社會的腳步，建立家庭健康監護的呼聲逐步高漲起來。目前，中國在此方面的研究工作還相對滯后，遠程醫療系統仍局限在遠程醫療會診和遠程醫療信息共享兩個方面，缺乏全面的遠程醫療監護內容。有些地方也建了簡單的遠程監護，但手段有線的，只是將居家環境布置成一個病房一樣，受監護者不能隨意活動。2005年10月11日中華慈善總會正式啟動和推廣的數字化遠程健康監護系統，可以看作是一個進步。它為“空巢”家庭中的老人搭建醫療監護系統，被稱之為“夕陽工程”。據稱，該系統要完全適合現有的養老模式，為養老機構養老以及獨居的老人提供全天候24h的健康監護，目前尚處在資金募集階段，采用技術手段和服務模式尚不明朗[7]。因此，遠程醫療監護有很多工作需要研究，如果能在家庭網絡中引入適合中國環境條件的健康監護BAN，并投入運營，公眾和服務提供商都會受益匪淺。5參考文獻

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[3]ISTprojectfactsheet[EB/OL].[2005-12-10].http://icadc.cordis.lu/fep-cgi/SRChidadb?.

[4]IEEEStd1451.2—1997IEEEstandardforsmarttransducerinterfaceforsensorsandactuators:Transducertomicroprocessorcommunicationprotocolsandtransducer