导入人体区域网路技术，医疗系统实现远程智能监控 - 全文

　　智能医疗监控系统出现重大设计突破。随着人体区域网路技术规范IEEE 802.15.6底定，新一代医疗照护系统将可以无线方式，将人体各部位穿戴式传感器所测量到的生理信号，传送至医院伺服器并储存，从而提供即时远端监控与病患生理状态分析等智能功能。

　　随着全球人口老化及慢性病患人口增加，远端居家照护成为先进国家医疗发展的重要议题。现阶段，生理参数量测技术已出现重大进步，透过结合可携式传感装置与人体区域网路（Body Area Network， BAN），医疗人员将可持续性监控与分析病患生理信号，给予病患正确健康指导、谘询与追踪；同时有效降低医疗资源浪费，并改善医疗品质。

　　人体区域网路技术助力　现代医疗系统功能升级

　　传统医疗照护需要医护人员不定时监察病患传感器的生理信号，使得护理人员疲于奔命。现代医疗照护系统透过人体区域网路技术，能让护理人员即时远端监控与分析病患的生理信号，假若病患出现病危状况，医护人员也可即时得知并做出危急处理。

　　人体区域网路由多个传感器（EEG、ECG等）组成，分布在病患身体上收集和传送生理信号（图1）。所有传感器的生理信号由连结传感器（手錶或其他携带式装置）汇集，并透过外部无线网路（WLAN、WWAN）将病患的生理信号传送至医院伺服器并储存。让医护人员能即时监控与分析病患的生理信号，达到降低医疗资源使用的目的。

　　

　　图1 人体医疗监控网路示意图

　　人体区域网路可应用于人体生理信号监测或多媒体娱乐等近身无线传感技术，目前IEEE 802.15.6 Task Group已着手制定人体区域网路规范，并定义叁种实体层方式，包括窄频（Narrow Band）、超宽频（Ultra Wideband， UWB）及人体通讯（HBC）。

　　其中，人体通讯使用人体通道传输做为实体层媒介，可降低传输功耗，因而其能源效率较窄频及超宽频更具优势。为增加可携带性和节省电源替换成本，必须使用轻薄短小的薄膜电池，或利用能源收集再生（Energy Harvesting）方式提供电力，甚至以回收接收无线信号的能量进一步供给电力。因此，超低能源消耗是无线人体通讯系统设计上的关键重点，以延长电池生命周期。

　　然而，人体通讯的通道响应具电容特性，会随着穿戴者的年龄、身高体重、姿势、电极几何设计有所差异，及人体周遭环境而影响通道变化。

　　由于人体通讯係以人体为通讯媒介，藉由静电耦合（Electrostatic Coupling）的方式传输，因此，其系统仅需复杂度低的数字电路与电极片（取代天线）来实现。其中，传送端以数字电压信号输入至电极片，在体表上转化为电场传导；当接收端电极片感应到电场，就能转化为电压信号进行接收，要注意的是，人体与传感器皆须接地才能产生回路。

　　数字电路打造人体通讯系统

　　人体通讯机制运作流程中，首先係以IEEE 802.15.6规范，定义人体通讯实体层协议数据单元（Physical-layer Protocol Data Unit， PPDU）的帧结构，由前导序列（Preamble）、帧起始符号（Start Frame Delimiter， SFD）/速率指标（Rate Indicator， RI）、实体层标头（PHY Header），以及实体层资料负载（PHY Payload）所组成。实体层资料负载则是由媒体存取控制标头（MAC Header）、媒体存取控制资料负载（MAC Payload）和帧检查顺序（Frame　Check　Sequence， FCS）所组成（图2）。

　　

　　图2 人体通讯帧结构图

　　人体通讯系统以数字电路实现，实体层协议数据皆是Gold序列编码产生。再经过频率位移码（Frequency Shift Code， FSC）升频后，输入至电极片传送；而频率位移码使用重复［0 1］编码，其中展频因子（Spreading Factor， SF）决定重复的次数。假设频率位移码使用［0 1］，则SF为2；依此类推，频率位移码使用［0 1 0 1］，SF即为4。

　　如图3所示，人体通讯传送端由传送端暂存器、前导序列产生器、帧起始符号产生器、标头产生器、搅散器（Scrambler）、串行转并行（Serial-to-Parallel， S2P）、频率选择性展频器（Frequency-selective Spreader）、领航产生器及多工器所组成。所有产生的传送信号依序经由多工器切换输入至电极。

　　

　　图3 人体通讯传送端架构图

　　前导序列做为接收端同步使用，每一个前导序列由四个64位元Gold序列，经过频率位移码展频为四个长度512位元的序列（图4）；其中SFD/RI与PHY Header也须藉由频率位移码进行调变。当接收封包时，接收端靠着前导序列侦测封包，再利用帧起始符号侦测帧起始点。

　　

　　图4 前导序列产生器运作示意图

　　如表1所示，透过不同时序位移显示传送封包资料速率，接收端不须参考实体层标头，即得知封包资料速率，帧起始符号与速率指标架构则根据资料封包速率决定帧起始符号的时序位移，将24位元填满时序位移。

　　另一方面，实体层标头资料以32位元表示资料传输率、领航配置资讯、同步形式、资料负载长度，及CRC8等封包相关资讯。为防止因时鐘偏移（Clock Drift）影响同步，领航序列插入于实体层资料负载结构，而领航序列周期会以3位显示在实体层标头的领航资讯中（表2）。

　　实体层资料负载须经过传输资料串行转并行与频率选择性展频器处理产生，且频率选择性展频器处理由正交码与频率位移码组成，如图5所示。其中S2P方块是以4位元为一个符元转换成并行资料。

　　

　　图5 实体层资料负载处理流程图

　　建立人体通讯通道模型　掌握频率响应与信噪比

　　在人体通讯系统中，资料透过电极以电压信号感应人体方式传送，因而产生频率响应与噪音。尤其人体为非导体，电压信号振幅将依此衰减，且电压信号还会因人体具有电容特性而产生相位差，所以每位使用者身高体重有所差异，就拥有各自不同的频率响应。

　　许多电器装置产生的电磁波辐射干扰人体通讯，亦将于人体中产生噪声，统计特性成高斯分布。也因此，建立人体通讯通道模型，从而掌握资讯传导特性，对人体通讯系统而言相当重要。人体通讯使用近场耦合，两耦合媒介介于传送端与接收端之间（空气与身体），两个媒介距离定义表示如图1所示；人体通道响应方程式（1）、（2）、（3）分别表示为：

　　

　　。。。。。。。。（1）

　　其中，hR（t）表示为参考通道脉冲响应，Ch表示为系数，相关于接地平面大小与传送端和接收端之间距离。

　　

　　。。。。。。。。（2）

　　Av表示为信号损失波动系数，成高斯分布表示为Av N（1， 0.162）。A、tr、t0、xc为常数（表3），Ch如方程式（3）所示：

　　

　　。。。。。。。。（3）

　　其中，GT和GR分别表示为传送端与接收端之接地平面大小，dair和dbody分别表示为空气媒介与身体媒介中传送端至接收端之最短距离，单位皆为平方公分（cm2）。参数于此通道模型限制如方程式（4）：

　　

　　。。。。。。。。（4）

　　实际人体通道量测架构如图1所示，传接收电极各放于左右手掌，并发送脉冲讯号，经过人体传导后接收。图6为量测结果，显示人体通道脉冲响应因人体为非导体特性造成信号振幅衰减。而通道传输延迟极小，因此多重路径传播效应之干扰也几乎可以忽略。

　　

　　图6 人体实际量测通道脉衝响应分析

　　利用先进演算法　优化人体通讯接收机设计

　　由于人体通讯资料传输系统採用非同调编码技术（Non-coherent Modulation），再加上操作频段极低，因此接收端不须进行频率同步。人体通讯资料传输基本上为封包传输，如何有效利用前导序列进行时间同步，将是设计关键。

　　封包侦测演算法基于封包传输架构，由于接收端不知道何时会收到封包，因此进行初始化同步的程序前，须先进行封包侦测，进而将人体通讯系统的讯号封包分辨出来。

　　封包侦测演算法主要利用第一个前导序列进行，为让接收端藉由量测接收信号的能量，以判断是否有收到资料封包，首先须计算接收信号能量，如方程式（5）所示：

　　

　　。。。。。。。。（5）

　　其中r代表接收信号、k为累加器指标、K则为观察区间。当C大于一个事前设定的门槛值T，则表示此观察区间内的信号功率满足人体通讯系统的封包功率特性，因此判断为一个人体通讯系统的封包。

　　符元时序同步则是当接收端判断为收到一个资料封包后，进一步利用剩余的前导序列进行符元时序估测。此时，接收端将接收信号与已知的前导序列Gold码做互相关运算，最大值的偏移量即为符元时序的估测点，如方程式（6）所示：

　　

　　。。。。。。。。（6）

　　其中为符元时序估测，c为前导序列Gold码，n为搜寻的指标，m是累加器的指标。

　　接着，利用以下系统参数进行人体通讯系统效能模拟；包括人体通讯系统设计中心频率为32MHz、时脉频率为64MHz、频宽为8MHz、资料传输率为2Mbit/s、实体层资料负载为128Byte、FSC和Wash码调变、SNR从-6d至-1dB。通道模型透过方程式（1）产生振幅与相位变化。

　　图7为人体通讯系统模拟的范例，表示进行符元时序同步时反相关运算的输出值，如方程式（7）所示，而使得P（n）有最大值的n即为符元时序的同步点。

　　

　　图7 符元时序同步模拟分析

　　

　　。。。。。。。。（7）

　　根据IEEE 802.15.6规范的接收目标，于传输负载为128Byte情况下，封包错误率（Packet Error Rate， PER）须小于1%。在考虑封包侦测与符元时序同步后，当SNR大于-2.6dB就能符合预想达到错误率小于1%的目标，如图8的系统封包错误率模拟结果。

　　

　　图8 封包错误率模拟分析

　　IEEE 802.15.6开路　人体区域网路发展更完备

　　IEEE 802.15.6已说明人体通讯讯框结构、传送端架构与通道模型，并据此开发出接收机演算法，有效进行封包侦测与符元时序估测。从模拟结果中，发现人体通讯系统在低SNR的条件下进行资料传输，仍可实现低错误率的效能，达到低功率、高资料传输率的人体通讯网路。

　　现阶段，人体区域网路已可即时且准确提供多种病患的生医传感器信号予医疗人员，从而达到正确的健康指导、咨询与追踪，大幅提升医疗照护品质，并降低医疗资源的使用。