体域网络 (BAN)

引言

如今，网络媒体已经渗透到医疗保健和计算机网络等各个全球领域。一项杰出的发展是身体区域网络（BAN），旨在检测人体内的慢性疾病。BAN 也被称为身体传感器网络（BSN），它包含各种监控和检测人体系统的网络。本文探讨了 BAN 在全球和成本效益医疗保健中的作用。在本文中，我们将研究身体区域网络（BAN）的概念。它介绍了其应用、优点和面临的挑战。

BAN 简史

BAN 技术历史相对较短，它源于传感器网络和生物医学工程的融合。Guang-Zhong Yang 教授于 2006 年创造了“身体传感器网络”（BSN）一词，为 BAN 技术奠定了基础。BSN 代表了 BAN 场景下的功率和带宽基线，但 BAN 的适应性提供了超出 BSN 的多样化应用。

什么是 BAN？

BAN，或无线身体区域网络（WBAN），涉及可穿戴计算设备，这些设备可以植入或安装在身体表面。随着眼镜和手表等可穿戴技术的激增，对无线网络的需求也随之增加。BAN 是为无线技术与可穿戴设备配对而创造的术语，主要旨在将可穿戴设备生成的数据传输到 WLAN 或互联网，有时也允许可穿戴设备之间直接交换数据。

在科学领域，研究人员不断融合新技术以简化监控，例如用于交通和健康监控的网络和传感器。因此，BAN 或传感器等创新技术能够监控慢性疾病等内部活动。

BAN 领域有望通过互联网实现经济实惠的持续健康监测。集成了智能生理传感器的可穿戴 WBAN 可以通过在体内植入微型生物传感器来检测医疗状况。这些传感器收集生理变化以监测患者的健康状况。

来自 BAN 设备的无线传输数据可到达外部处理单元，使医生能够进行全球访问。在紧急情况下，患者健康状况的即时更新会传达给世界各地的医生。

BAN 所需的关键组件包括用于主动信号监控的传感器、用于精确定位佩戴者位置的运动探测器以及用于将数据传输给护理人员或医疗专业人员的通信工具。典型的 BAN 套件包括传感器、电池、收发器和处理器。SpO2、ECG、血压、PDA 和 EEG 传感器等生理传感器尚处于开发阶段。

然而，BAN 面临挑战。复杂的传感器制造、与其他医疗设备相比的安全问题以及潜在的数据传输中断是障碍之一。

尽管面临挑战，BAN 仍应用于各个领域，尤其是在医疗保健领域用于疾病监测、检测心脏病发作和哮喘等慢性疾病，以及在安全、体育和通信领域。未来，BAN 技术有望渗透到多个行业，彻底改变监控、检测和网络通信。最终，BAN 在重塑技术方面具有巨大的潜力。了解其组件、挑战和应用可以一窥其变革能力。

标准：目前管理身体区域网络（BAN）的最新全球标准是 IEEE 802.15.6 标准。

BAN 组件

典型的 BAN 或 BSN 需要传感器来监测生命体征，运动检测（通常通过加速度计）来识别被监视者的位置，以及一种通信方式来将生命体征和运动读数传输给医疗从业人员或护理人员。标准的身体区域网络套件包括传感器、处理器、收发器和电池。已经开发了多种生理传感器，如 ECG 和 SpO2 传感器，而其他传感器，如血压传感器、EEG 传感器和 BSN 接口个人数字助理（PDA）仍在开发中。

美国联邦通信委员会（FCC）已批准分配 40 MHz 的频率带宽，范围为 2360-2400 MHz，专门用于医疗 BAN 内部的低功率、广域无线通信。此决定旨在通过将 MBAN（医疗 BAN）通信移至此标准化频段来缓解传统 Wi-Fi 频谱内的拥堵。

与 BAN 相关的挑战

• 安全性：为了确保 WBAN 传输的准确性，每个患者的数据都必须在其特定的 WBAN 系统内进行隔离。尽管 WBAN 安全性很重要，但它得到的关注较少，因为有限的处理能力、内存和处理能力对安全解决方案提出了独特的限制。
• 互操作性：确保蓝牙和 ZigBee 等不同标准之间轻松的数据传输对于改善 WBAN 系统内信息交换和设备交互至关重要。可扩展性和不间断连接是额外的目标。
• WBAN 传感器要求：WBAN 传感器需要简洁、轻便、节能且用户友好。相应地，存储系统应提供对患者数据和外部处理工具的远程 Internet 访问。
• 隐私问题：超出安全医疗环境对 WBAN 创新的更广泛认识，对于防止潜在的安全漏洞极为重要。
• 传感器批准：确保传感器读数准确并限制欺骗是医疗保健领域的核心。
• 数据一致性：有效管理分布在多个设备上的分散患者数据，并确保无缝收集和分析至关重要。
• 干扰管理：对于大规模 WBAN 部署，减少干扰和提高与其他网络设备的兼容性至关重要。
• 数据处理：有效管理和保留 BAN 生成的海量数据对于无缝运行和分析至关重要。
• 以人为本的挑战：解决成本效益、不同的监控需求、不显眼的设计、一致的性能和能源效率等方面，对于实际的 BAN 开发至关重要。这些因素显著影响满足消费者偏好和成功实施 BAN。
• BAN 技术面临着超出隐私等伦理问题的技术挑战。信号在人体内和周围的传播以及此类技术可用性仍然是重大障碍。
• 信号与路径性能：人体内的信号和路径损耗，与开放空间规则不同，带来了挑战。研究人员对人体内的信号损耗进行了建模，并探索了使用人体作为传输介质。频率范围、距离、身体成分和关节存在等因素会影响信号衰减。
• 可用性：BAN 与用户的近距离接触要求高可用性。先进的设计，如 Zheng 等人的可穿戴衬衫，通过将监控无缝集成到日常穿着中，解决了以前的可用性问题。可用性缺陷，例如 EPI-MEDICS 系统的被动紧急检测，凸显了主动紧急感知的必要性。

WBAN 要求

• 低功耗
• 互操作性
• 自恢复能力
• 安全性
• 最小延迟。

WBAN 架构

该结构由四个部分组成

• WBAN 部分

一个由许多廉价、弱传感器组成的网络，用于持续测量心跳、心电图和血压等关键体征。此类无线节点允许自由移动和持续监控，这是许多医疗应用（如患者监护）的常见功能。

• CCU（中央控制单元）

在 CCU 的情况下，所有传感器节点收集数据并将其传输到中央协调节点。节点发送系统接收并进一步传输到下一部分以检查身体状况的信号。

• WBAN 通信

这是一个接收 CCU 信息然后将其传输到目的地的网关。例如，移动节点充当 GSM/3G/4G 蜂窝网络上消息传递的入口点，用于远程站。

• 控制中心

用于保存用户信息，以供将来查询/修改和跟踪。例如，终端节点设备包括手机（用于短信）、计算机系统（用于监控）和服务器（数据库存储）。

WBAN 应用

1. 医疗应用

• 远程医疗监测：传感技术测量患者躯体的脉搏、血液水平和心电图。
• 远程医疗：使用远程 IT 和电信在远处提供医疗保健服务。

2. 非医疗应用

• 体育：包括测量导航参数、计时器、距离、脉搏率和体温的传感器。
• 军事：将其进行的战术部署告知其基地指挥官，并与其他士兵进行通信。
• 生活方式和娱乐：无线播放音乐和视频通话支持。

注意：由于其合法性、经济性和易于日常使用，WBAN 技术将极大地造福社会。

WBAN 的优势

• 改进的医疗保健：WBAN 有助于持续监测患者，以检测异常情况，并通知医务人员即将发生的健康威胁情况。
• 更大的活动能力：因此，WBAN 提高了患者的生活质量，因为他们可以在无需携带医疗设备的情况下活动。
• 提高舒适度：WBAN 体积小巧、重量轻、不显眼，因此可以长时间提供高佩戴舒适度。
• 成本效益：WBAN 设备有望降低医疗保健成本，因为其价格低于其他医疗设备。
• 个性化护理：WBAN 设备将能够为不同患者提供定制的医疗保健服务。

WBAN 的限制

• 隐私和安全问题：远程通信可能会使人们对敏感临床数据的安全性产生疑虑。
• 干扰：WBAN 设备可能会受到其他无线设备的干扰，导致数据丢失或信号失真。
• 覆盖范围有限：WBAN 信号的覆盖范围可能有限，在特定情况下难以穿透墙壁或障碍物。
• 电池依赖：WBAN 设备依赖电池，根据使用情况，需要频繁充电或更换。
• 标准化问题：WBAN 设备之间缺乏标准化可能会导致兼容性问题，限制其互操作性。

BAN 的应用

一些流行的 BAN 应用包括

• 身体传感器网络（BSN）
• 体育和健身监测
• 无线音频
• 与移动设备集成

让我们更深入地探讨一些 BAN 的应用。

• 个人视频设备

每种应用在带宽、延迟、功率效率和信号范围方面都有特定需求。IEEE 802.15 工作组专注于无线个人区域网络（WPAN），认识到需要适用于靠近人体设备的标准。IEEE 802.15 中的任务组 #6 成立是为了建立 BAN 标准，旨在通过起草的标准提供广泛的潜在设备。

BAN 工作组的标准化方法允许应用程序和设备开发人员决定数据速率和功率之间的权衡。图 1 说明了 BAN 设备在功率与数据速率谱上的理想位置。

BAN 设备在带宽和功耗方面的差异显而易见。为确保设备行为一致，同时适应各种功能，BAN 草案要求为所有设备建立一套通用标准。

• 医疗保健应用程序

BAN 是 BSN 的演进，在医疗保健领域拥有最强大的应用。Philips 研究员 Stefan Drude 总结了极低功耗 BSN 设备的潜在用途。这些设备仅限于较小的范围（< 0.01 - 2.00 m），可利用人体的各种方面。利用人体作为短距离通信的通道消除了对传统天线的需求，将 BSN 设备的功耗降低到 0.1 - 1.0 mW。在此级别，人体可以产生额外的能量供设备直接收集，从而避免依赖电池等传统电源 [IEEE-BAN-SUMMARY]。此应用并非 Drude 小组独有；Microsoft 的专利“使用人体传输功率和数据的方法和设备”也概述了类似场景。

BAN 的高级功能

在接下来的部分，我们将深入探讨使用 BSN 技术实现高级功能的系统。

• 托管身体传感器网络（MBSN）

MBSN 涉及第三方根据从一个或多个 BSN 收集的数据做出决策。MobiHealth 和 CodeBlue 代表了两种托管 BSN 方法。

MobiHealth 方法由特温特大学的研究人员于 2003 年提出，满足了日益增长的门诊监测需求。这款 BSN 配备了 EBAN 连接到 2.5/3G 网络，实现了患者生命体征的远程监测，可以集体监测多个患者的数据 [Konstantas03]。

哈佛大学的 CodeBlue 仍处于试验阶段，提供了一种基于中间件的方法。与 MobiHealth 的打包解决方案不同，CodeBlue 在运行时提供灵活性，可满足不同需求，例如紧急响应或监测中风患者康复期间的肢体运动 [CodeBlue06]。

• 自主身体传感器网络（ABSN）

ABSN 与 MBSN 拥有相同的目标，它们通过集成执行器和智能传感器采取主动方法。Human++，一个比利时项目，旨在普及 ABSN。其设计允许网状网络中的任何节点与指定的中央节点通信，以进行 EBAN 通信和服务访问。

让我们以心脏监测的案例研究为例，获取更多信息

案例研究：心脏监测

Zheng 等人于 2007 年的一项案例研究重点介绍了一个基于 MobiHealth 的心脏监测系统。该系统集成了 GPS 以实现精确的患者位置跟踪，旨在为心血管疾病患者提供连续的生命体征监测。该系统使用可穿戴智能面料“智能衬衫”，可在日常使用中提供耐用的同时实现无线传感器通信。该系统还集成了在线诊断和不同级别的本地警报，集成了 ABSN 功能以进行选择性事件通知。

未来工作

身体区域网络领域的未来工作可能对改进 WBAN 至关重要，重点关注信号在人体附近的传播方式以及天线的工作方式。这有助于确定信号在身体不同焦点之间传播所需的时间以及减弱的程度。

结论

总之，本主题概述了 BAN 技术的发展、在医疗保健中的应用、案例研究和挑战，强调了 BAN 在彻底改变医疗保健方面日益增长的重要性。