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生命体征监测系统数据传输技术研究现状

2023-09-10 来源:易榕旅网
综 述I General Review ・87・ 生命体征监测系统数据传输技术研究现状 徐执印 ,刘晓荣 ,陈国良 ,董巧儿 (1.第二军医大学卫生勤务学系,上海200433;2.第二军医大学校务部卫生处,上海200433) 【摘要】在介绍生命体征监测技术的运用现状和主要生命体征监测数据传输技术的基础上,对国内外相关项目生命体 征监测数据传输技术的运用进行了回顾和总结.并以海上单兵生命体征监测为例,对不同通信节段的数据传输技术的 选择进行了相关讨论,分析了未来生命体征监测数据传输技术运用的趋势,指出了在不同的环境下,将不同的数据通 信技术“因地制宜”地运用在合适的通信节段能使采集的数据更好更快地传输与反馈。为伤员或者病员的救治提供重 要依据。 【关键词】生命体征;数据监测;传输技术 【中国图书资料分类号】R318;TP311.13【文献标志码]A[文章编号】1003-8868(2013)11-0087-04 DOl:10.7687/J.ISSN1003—8868.2013.1 1.087 Review on Data Transmission Technology for Vital Signs Monitoring System XU Zhi—yin ,LIU Xiao-rong ,CHEN Guo-liang ,DONG Qiao-er2 (1.Department of Health Services,the Second Military Medical University,Shanghai 200433,China; 2.Health Department,the Second Military Medical University,Shanghai 200433,China) Abstract The status of vital signs monitoring technologies and related data transmission technologies are introduced,along with their involvement in the projects in foreign countries and China.Individual vital signs monitoring at sea is taken as the example to discuss the selection of data transmission technologies for difierent communication periods.The trends of data transmission technologies are analyzed,and it S suggested that data transmission technologies be determined based on the communication periods.[Chinese Medical Equipment Journal,2013,34(1 1):87—90】 Key words vital signs;data monitoring;transmission technology 0 引言 随着生命体征监测技术的不断发展,人们对于其数据通 随着社会的发展,人们对于健康的需求日益增加,而生命 信技术的关注度也日益提高.并不断探索新的通信技术以适 体征监测作为一个能对人们的健康进行监护的技术,逐渐受到 应不断发展的生命体征监测技术对于不同条件下数据传输的 人们的青睐和重视【】1。近年来。人们对于生命体征监测技术的研 要求。主要生命体征监测数据传输技术见表1。 究经历了从最开始的摸索到如今逐渐深入的过程,如旨在提高 表1 主要生命体征监测数据传输技术 空巢老人健康水平的“空巢老人基本生命体征监测系统”,能够 技术名称 传输速度 f通用频对空巢老人的体温、脉搏、呼吸等生理参数进行实时监控 ;针  ̄/GH安全_陛 国际标准 功耗/mA z对血压、血糖、血氧等的无创性连续性监测技术,能够对病患的 重要生理参数在不影响其健康的前提下进行连续性监测 等; 在单兵生命体征监测方面.各种样式的装备在近年来的研制也 有了一定的发展,如美国佐治亚理工学院的智慧衫项目[41、美国 斯坦福大学和美国宇航局共同参与的生命卫士项目[51以及法国 的F’6lin未来战士项目 等都对单兵生命体征监测装备进行了 相关研究。可见,不管在民用还是军用方面,生命体征监测设备 1.1 蓝牙技术 都有着重要的地位以及较好的发展前景。 韩志海等人在《海上单兵生命状态监测系统研制的思考》 在一个完整的生命体征监测过程中,从生命体征信号的 一文中提到,可以采用蓝牙技术组建连接各生理参数传感器 采集开始,相关数据要完成“人体一中转站(服务器)一接收终 的无线人体局域网,实现对士兵生命体征参数的监测口。2012 端”的传输,数据传输技术在整个生命体征监测的过程中就担 年.美国南加利福尼亚大学的Emken等人在“KNOWME”项 任着重要的“桥梁”作用。 目中对肥胖儿童患者的体力活动情况进行监测,运用蓝牙技 1 生命体征监测数据传输技术 术进行传感器组网,对其心电图指标、血氧饱和度、活动以及 基金项目:军队“十二五”专项课题(2011YY027) 加速度情况进行监测以及数据传输 。 作者简介:徐执印(1990一),男,硕士研究生,主要从事海上卫勤信息化研 1.2 Wi-Fi技术 究,E-mail:xzy1990327@126.com。 通讯作者:刘晓荣,E-mail:lxrsmmu@gmail.corn;陈国良,E-mail:cg1307 2006年,Weber J L等人在“MyHeart”项目中采用Wi—Fi收 @126.tom 发器将通过安装在患者服装上的传感器测得的呼吸、体温以及 ・医疗卫生装备・2013年11月第34卷第11期Chinese Medical Equipment Journal・Vo1.34・No.11・November・2013 ・88・ General Review l综 述 心电图指标进行收集.然后通过Wi—Fi传输到远程PDA的PC 终端,实现对患者的监测和实时反馈 :另外,美国海军WVS系 2生命体征监测通信架构 如图1所示,要完成一次完整的生命体征监测过程,就数 据传输而言,首先要从体域网(body area network,BAN)通过 传感器采集数据,然后传送到个人区域网(pemonal area net— work,PAN)或局域网络(area network,AN),最后通过广域网 (wide area network,WAN)发送到信息接收终端。数据传输完 统也采用Wi—Fi技术实现单兵装备设备间的数据传输㈣。 1.3 ZigBee技术 李鑫等人在《基于ZigBee的生命体征监测系统》一文中 提出,可通过ZigBee芯片技术传输测得的生命体征数据,改 变了传统模式效率低、移动性差的情况f11 :O Donovan等人于 2009年在一项对老年人的跌倒情况进行评估的项目中.运用 成这3个通信节段通信的过程闭,即称为一次完整的生命体 征监测技术三级数据传送链。 ZigBee技术组网对血氧饱和度、血压值、心电图指标、心 率以及移动和加速度指标进行了监测以及数据传输㈣。 1.4 RFID技术 体域网 由于传输速度慢、传输距离短等缺点,RFID技术现 已被其他技术取代。 1.5 UWB技术 个人区域网 秘 务器,信息接收终端 UWB技术称之为超宽带技术,是一种新兴的数据传 输技术,是一种不用载波,而采用时间间隔极短的脉冲… 智能手机/PDA 进行通信的方式。这种通信方式占用带宽非常宽,且由 于频谱的功率密度极小,具有通常扩频通信的特点,且 具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能少、发送 功率小等诸多优势『]31。 早在1965年,美国就确定了UWB技术的基础,并且美 国桑迪亚哥国家实验室还将超宽带(UWB)无线信号与高级 图1 生命体征监测过程数据传输一般架构 但是由于监测条件或者环境的不同,也会存在特殊的生 命体征监测过程。如个人可自行观测其生命体征的健康状况, 并通过便携式移动装置等将个人数据直接发送到接收终端. 即仅仅需要体域网和广域网2个节段[261,本文仅对如图1所 示的一般情形的各个节段的通信技术进行考虑和阐述。 2.1 国内概况 加密技术相结合,开发出了一种美国军用安全传感器通信网 络,来帮助政府和保护战场上的军队㈣。在我国,UWB技术已 在室内通信、无线定位、安全检测、体感控制、雷达[15-1 等领域 进行了运用。虽然我国还没有将该技术在单兵生命体征监测 项目上进行运用,但其特性已经显示出运用于单兵生命体征 监测数据通信上的良好前景,如张博于2012年就UWB技术 在我国,目前并没有文章系统地研究3个通信节段的数 据传输技术,仅较为简洁地对数据传输技术进行阐述.国内相 关研究情况见表2。 表2国内生命体征监测项目数据传输技术运用 在无线医疗监护体系中的应用前景进行了研究,认为其具有 传输速率高、良好的共存能力、系统结构简单以及抗多径衰落 能力强、功率低等优点,但还是存在安全性欠缺等问题,需要 进行进一步的研究l驯。 1.6 ANT技术 芬兰坦佩雷理工大学的Soini等人在2008年的“Hip— guard”项目中运用了ANT技术对传感器进行组网.对患者的 髋关节康复的姿势以及腿部和髋关节的环转运动等数据进行 传输,达到了很好的效果l211。 表1列举的主要为短距离数据通信技术,在长距离数据通 信技术方面,主要技术为蜂窝网络技术,它具有足够的灵活性 以及较好的使用特性和功能.能够提供更大的覆盖区域.并且 抗干扰能力较好圈。它分为全球移动通信系统技术(global system of mobile communication.GSM)、通用分组无线服务技术 (general packet radio service,GPRS)以及通用移动通信系统技 术(universal mobile telecommunications system.UMTS)3种 麻省理工学院的Anliker等在研究中曾采用GSM技术实 现数据与在线医疗实时监控系统的传输田】:Rune Fensli等在 “MEDKAP项目”中以GPRS技术作为中转技术。将生命体征 监测数据传输到互联网I241:而南加利福尼亚大学的Urbashi Mitra等曾在“KNOWME”项目中运用UM 11S技术和GPRS技 仅连平在数据传输方面提到了二级传输的概念圈,第一 级传输是在人体范围内进行传输,即图1中的体域网通信节 段;第二级传输是军事通信所说的“最后1 km”的通信问题, 即图1中的广域网节段。 2.2国外概况 术进行心电图信号以及血氧饱和度数据的传输与反馈闭。 在国外的生命体征监测项目中,一般较为明确地将3个 ・医疗卫生装备・2013年11月第34卷第11期Chinese Medical Equipment Journal・Vo1.34・No.11・November・2013 综 述l General Review 5 6 7 8 9 O 1 2 3 4 5 ・89・ 通信节段的技术进行了阐述,有关项目所运用的通信技术情 况见表3。 Wi~n技术共被16个项目使用,占到了总数的59.3%。 在广域网节段,由于进行的是远距离将数据传输到信息 接收终端的工作。因此常选用的是 表3 国外生命体征监测项目数据传输技术运用闭 编号 项目名称或者负责人,资金支持 体域网 MIThril Livenet/MIT(麻省理工学院) AMON/欧盟ISTFP5项目 有线技术 有线技术 蜂窝网络技术,此类技术一般具有 广域网 GSM 通信技术 个人网/局域网 Wi—Fi 广覆盖、价格适宜以及能够较好保 持数据的完整性等优点 。在图2 所示的33个项目中。有20个项目 GPRS Fensil等/挪威研究委员会MEDKAP项目 无线发射机技术 RECAD/法国布莱斯帕斯卡大学 无线技术 Wi— 、蓝牙技术、数有线网络介质技术 字无线电技术 (如ADSL、ISDN)和 无线宽带技术(蜂 窝网络技术) 蓝牙技术 IEEE 802.15 4 使用了广域网节段进行传输,蜂窝 网络技术被其中的13个项目所使 用,占到了总数的65%。 MagiC/米兰大学生物医学心脏康复中心 生命卫士/斯坦福大学&NASA CodeBlue/哈佛大学 WEAIJTHY,欧盟IST FP5项目 HealthGear/微软公司 Jovanov等/阿拉巴马大学 蓝牙技术 3对于生命体征监测系统 数据通信技术选择的思考 GPRS USB、Wi—Fi、蓝牙技术GPRS 串行电缆技术 IEEE 802.15.4 电子织物 蓝牙技术 ZigBee 1MbDs专有无线电USB、以太网、Wi—Fi 技术 有线技术 蓝牙技术、Wi—Fi 有线技术 电子织物 ISM频段的 本文对国内外各生命体征监 测数据的通信技术的运用进行了 回顾和总结.可以看出对于一个完 C.Park等/美国陆、空军自然科学基金 AUBADE/欧盟ISTFP5项目 MyHeartJ欧盟ISTFP6项目 MERM0TH/欧盟I FP6项目 整的生命体征监测过程,应该对3 GSM Intemet连接 蓝牙技术 Wi—Fi USB 个不同的传输节段进行分别考虑, 而国内的相关研究并没有就这3 个节段的通信技术进行详细说明。 智能衫,印度国家智能材料项目 Xstream技术 16 个人生命体征监测器/微软公司 17 Human++/荷兰霍尔斯特中心IMEC项目 蓝牙技术 RF 2.4 GHz ISM USB 蜂窝网络技术 在平时。这对于有效实时监测 人群的健康状况.及时预警疾病的 发生和提高生活质量具有重要意 义:而在战时.对于战术的安排和 18 Chung等/韩国商业部、工业部、能源部和韩IEEE 802.15.4 国工业技术基金会 19 Chung等/韩国小企业管理局财团基金 20 MASN/阿拉巴马大学 21 髋关节守护卫士,芬兰坦佩雷理工大学 IEEE 802.15.4 有线技术 ANT IEEE 802.15.4 蓝牙技术.Wi—Fi GPRS.3G 搜救以及降低士兵伤亡率也有巨 大的作用。 22 Chung等/韩国研究基金会 23 HeartToGo/匹兹堡大学 24 Lee等/韩国Dongseo大学 25 O,Donova.1l'等/欧盟FP7项目 ZigBee 有线技术 电子织物 Zi ee Intemet 蓝牙技术 IEEE 802.15.4 对于生命体征监测系统数据 GSM 通信技术的选择。要根据其运用环 境进行详细考虑。仅以海上单兵生 命体征监测为例.在进行数据传输 时,既要考虑海上舰艇环境的高低 26 LOBIN/西班牙工业、旅游贸易部 27 Yuce等/澳大利亚研究理事会探索项目 电子织物 MICS IEEE 802.15.4 无线医疗监测服务 IEEE 802.15.4 wi—Fi Internet Intemet Intemet GPRS 28 MEDISN/美国自然科学基金&国土安全局IEEE 802.15.4 29 Shengh等/美国密歇根理工大学 蓝牙技术 30 Garverick等/西无线卫生研究所 31 GeM—REM/美国国家自然科学基金 有线技术 蓝牙技术 蓝牙技术 蜂窝网络技术 蜂窝网络技术 云技术 蜂窝网络技术 无线技术(未详说) 温、高湿度、高盐雾等特点,又要考 虑战场环境下数据传输的保密性、 安全性以及受复杂电磁环境的影 32 Rofouei等,力Ⅱ利福尼亚大学洛杉矶分校微有线技术 软研究院 33 KNOwME,南加利福尼亚大学 注:表中项目按时间顺序排列 蓝牙技术 响等情况。对此可提出以下传输技 术方案: 将上表33个项目所用的技术进行汇总整理.在3个不同 在体域网方面,由于传输距离较短,仅在人体进行,故选 用的数据传输技术可为ZigBee或者蓝牙技术;在局域网节 段,即中继传输节段,由于数据传输受复杂舰艇环境影响较 的通信节段通信技术的使用情况如图2所示。 2.3讨论 从上述内容我们可以看出,通信技术的选择和运用是与 每个节段对于通信技术的要求紧密相连的。 在体域网节段,一般采用的是有线技术。但是,具有耐磨 性、舒适性以及非侵袭性的无线通信技术逐渐取代了以往的 有线技术,如ZigBee技术、蓝牙技术、电子织物技术等[201。在 大,可采用的数据通信传输技术应该在具有较好的抗干扰能 力的情况下兼顾高速率传输和低功率耗电等特点.如UWB 技术;在最后的广域网节段(将数据从舰艇传送到岸上基站), 既要保证数据传输的完整性和快捷性.实现数据的长距离传 输,同时也要保证数据传输的安全性和保密性,以防被敌方或 者其他不良机构窃取.另外,还要适应海上的恶劣环境,具备 良好的抗干扰能力,因此选择的通信技术必须要有较为安全 的工作频段以及满足上述要求的其他特性。对于此点,可选择 我国自主研发的北斗卫星自主系统.它具有高强度加密设计、 图2所示的33个项目中,无线通信技术共被16个项目采用. 占到了总数的48.5%。 在个人网和局域网节段,由于传输距离较短,因此,蓝牙技 术、Wi—Fi技术在该节段的运用较广。因为它们不仅能够很好 地聚集从体域网传送来的数据信息,提供较高的带宽用于个人 网内的数据传输,并且耗费的功率也较小阁。在图2所示的33 个项目中,共有27个项目使用了该节段进行传输,蓝牙技术和 覆盖面广、安全可靠、稳定、适合关键部门应用等特点,并可利 用北斗的短报文功能进行数据的传输和挖掘,并及时有效地 传送监测数据。 ・医疗卫生装备・2013年11月第34卷第11期Chinese Medical Equipment Journal・Vo1.34・No.11・November・2013 ・90・ General Review l综 述 14 l2 lO 8 [13]鲁俊.UWB信号抗窄带干扰一种新方法的研究[J].数字通信世 界.2012(9):58—62. 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