可穿戴传感器对人类活动监视:一份回顾外文翻译资料

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可穿戴传感器对人类活动监视:一份回顾

Subhas Chandra Mukhopadhyay, Fellow, IEEE

摘要：世界人口的增加以及其重要组成成员老龄化迫使着医疗成本快速上涨。在这样一个即使没有住院依然可能持续监控居民的时代，医疗系统正在经历转型传感技术,嵌入式系统、无线通信技术、纳米技术、小型化的发展使得开发智能系统以持续监控人类活动成为可能。可穿戴传感器通过监测生理参数和其他症状来检测异常和/或不可预见的情况。因此,我们能在他人有迫切需要的时候提供必要的帮助。本文综述了基于可穿戴传感器的人类活动监控系统及其需要解决的问题和将要应对的挑战的最新报道。

关键词：可穿戴传感器、智能传感器、传感器网络、无线传感器网络、身体传感器网络,身体区域网络,活动监测,辅助生活、智能家居、生理参数监测。

引言

在许多应用领域,如医疗、娱乐、安全、和商业领域，可穿戴传感器已经非常受欢迎。它们在提供关于人们活动和行为的准确可靠信息方面非常有用，从而可以确保一个安全良好的生活环境。智能可穿戴传感器技术很有可能将彻底改变我们的生活,社会互动和活动，以和几十年前的个人电脑同样的方式。

可穿戴传感器形式的恐慌按钮紧急援助已经应用了很长时间,这是一个巨大的商业成功[1],[2]。当然，对于需要帮助的人来说他们应该合理利用警报且能足够舒适的摁下按钮。最重要的是,恐慌按钮应该轻,穿戴起来很舒适24/7。

近年来可穿戴传感器被大量使用,特别是在医学科学中,有很多不同的应用程序在监测生理活动。在医学领域,可穿戴传感器可以监测患者的体温、心率、大脑活动、肌肉运动和其他关键数据[3],[4]。重要的是要有可以戴在身体上进行标准医疗监测的光传感器。通过使用修正的可穿戴传感器的示波量技术来测量血压是可行的，这种技术消除了使用充气压力袖口[5],和耳机和移动设备[6]的必要。

在运动和训练领域，各种可穿戴传感器的使用有增加的趋势。例如，在几年前，测量出汗率可能只有基于实验室的系统才能实现，但现在可以使用可穿戴传感器来实现了[7]-[9]。

可穿戴传感器的使用使病人能够在遭受突发的疾病,如心脏病,睡眠呼吸暂停症,帕金森病等后，在家里进行必要的治疗[10]-[12]。病人手术后通常会遵循严格的程序来进行复苏/康复过程。所有的病人的生理信号以及体育活动是可以在可穿戴传感器的帮助下被监控。在康复阶段，可穿戴传感器可以提供音频反馈,虚拟现实图像和其他康复服务。系统可以通过调优来满足单个病人的要求。医生、护士或护理人员可以远程监控整个康复过程[13]。

大量关于能够检测在家里跌倒的老人的智能传感系统的研究正在发展[14]-[16]。跌倒是新西兰老人受伤的最大原因[1],它可能也适用于其他国家。在新西兰，三分之一年龄在六十五岁的人每年都会跌倒,超过八十岁的人中，跌倒人数增加到二分之一[1]。跌倒可能会导致几个老年人主要的健康问题，而我们需要及时提供帮助以减少并发症的风险。如果缺乏及时有效的帮助,老人可能遭受痛苦,经历情绪困扰,甚至产生其他并发症如脱水、体温过低等等。可穿戴式智能恐慌按钮也可以为老人提供精神安宁[1],[3]。

现在，每天新闻都在报导[17],可穿戴电子设备和技术,比如心率监视器、智能手表,跟踪设备(包括药丸摄像头)和智能眼镜(谷歌眼镜),等正在经历一个快速增长的时期。健身设备是目前最成熟的市场,占2013年预计值的97%,尽管这将大幅下降,就像开发和使用嵌入式传感器,跟踪和分析物理或其他运动和活动的智能手表,智能眼镜类产品一样。未来可穿戴技术报告说可穿戴技术将影响未来的医疗技术,影响我们的健康和健身的决定,并且重新定义医患关系,减少医疗成本。放眼全局,未来的来源研究[17]指出,在消费领域，可穿戴电子技术无疑将继续扩大,并将继续在其他领域,特别是医疗行业,到2017年，市场将增长超过200亿美元。

图1 一个简单的可穿戴传感装置。

图2 一个简单的嵌入式无线传感装置。

人类的活动监视是一个非常活跃的有很多活动在进行的研究领域,。有很多地方被认为是全球化的:(1)使用的传感器类型;(2)无线协议工作的类型;(3)要考虑的监测活动;(4)确定活动或提取重要特征的方法;(5)设计和开发小、轻,强大的和低成本的智能传感器节点;(6)收获能源的正常操作和沟通;(7)应用于现在移动设备的功能;(8)较易灵活配置系统的新用户。

人类活动监测系统的体系结构

人类活动的基本架构监控系统可以在一个框图帮助下表示;最简单的一个是图1所示。根据监测的任务,使用不同类型的传感器。来自传感器的原始数据由一个处理器。处理器处理数据,然后显示在显示器上。这些类型的简单的可穿戴设备，可使人们慢跑时,利用跑步和其他应用程序通过用户查看显示器的方式注意到传感器的测量值。如果设备有着无线数据传输功能的特点,数据就可以通过一个收发器发送到中央站点。如图2所示的方块图表示一个简单的可穿戴的无线设备。传感中的数据可能是也可能不是完全处理的数据，但大多数数据都会在计算机中存储,处理。数据在一个图形格式中和/或作为数值广泛的显示是可能的。根据其复杂性,结果可能可以通过访问一个网站的一个偏远的地方得出。如图3所示的框图表示坝镇生理监测系统。监控系统可以包括许多传感器测量的生理参数如体温、心率等。实际开发的可穿戴式生理监测系统的图片如图4所示[4],[18]。系统使用温度传感器来测量皮肤温度、心率传感器，使用加速度计来检测任何可能发生的下降。所有测量生理数据收集起来由单片机来处理和分析。根据处理的数据，中央控制器可以基于被监测人的生理现状向照顾者生成一条警告消息,和/或可能有助于发现早期疾病和任何可能的健康威胁[19]。

图3 人类活动监控(HAM)系统[18]。

图4 已开发的可穿戴式生理参数监测系统[4],[18]。

监视人类活动的传感器

在本节中,我们将回顾一些通常用于监测不同的人类活动的传感器。传感器是整个监控系统的基本元素,且应该长时间准确和可靠地测量生理参量。微电子技术、微观力学、集成光学和其他相关技术的的快速发展使得各种智能传感器感知和测量数据更有效,更快,从而降低了能源消耗，减少了处理资源。

体温是一种可穿戴传感器对人类活动监视中常见的可测量的生理参数。在皮肤上测量到的温度的变化能给我们人的体温发生了什么的暗示,可以用来检测可能会导致各种疾病,包括中风、心脏病发作和冲击的医疗压力的症状。体温的测量对判定生理条件情况以及其他方面例如活动分类是非常有用的[20],[21],甚至可以从体热收获能量[22]。

下一个最常见的生理参数是监控下的人的心率监测。心率是一个精确调节变量,它在人类健康和疾病方面起着至关重要的作用。有许多方法可以测量人的心率;基于PPG的技术[23], [24]，基于声音的[25]，还有基于人脸亮度变化的[26]等等。

加速度计广泛应用于监测人类活动，基本上是用来测量沿着一个敏感轴且在一个特定的频率范围内的加速度。他们可以有多种用途,如检测跌倒27]-[29]，动作和身体运动分析[28],[29]或研究姿势倾向[30],[31]。有几种类型的压电加速度计可用：基于压敏电阻,、基于电容转导的方法或变量。以上加速度计通常都采用相同的响应加速度的操作原理，即运用弹簧或一个等价的组件拉伸或压缩比例来测量加速度[27],[30]。在[32]结合身体运动强度心率计算中，多个感应器的平均加速度附加到身体的不同部位来估计身体里的活动能量消耗。

可穿戴的心电图传感器也用于心血管疾病,尤其是对患有慢性心脏病的人的短期评估。心电图信号提供了非常有用的可用于心脏疾病诊断的信息速率和心跳规律。为了可穿戴低成本心脏保健，一个低功率高分辨率胸阻抗方差和心电图监测已开发和整合在一个紧凑的石膏传感器中[33]。引入异步模拟信息转换系统来测量心电图的RR间隔信号[34]。该系统包含一个修改后的平交路口模拟-数字转换器和一个通过压缩采样数据检测平交路口的R峰值数据量的新颖的算法[34]。

上面的传感器是用于监视人类活动的最常用的传感器。根据特殊要求或关键需要可能还有许多其他传感器。一个拥有可编译的传导的补丁的灵活、可编译的电容传感器测量人体电容导电量的报道[35]揭示了包括心率和呼吸率监测、手势识别、吞咽监视和步态分析等人类活动信息。一个由多层碳纳米管(MWNT)组成的安培传感器的化尼龙6席实时量化汗水中的钠离子的功能已经被设计和开发出来[36]。可穿戴式微型机械传感器可以在动态条件下提供强有力的精确的生物力学分析[37]。可以永远监控，感觉和相互影响我们周围的世界,从而大大提高环境情报和生活质量的可佩带的皮肤的可能性已经被讨论过[38]。我们预计可穿戴技术的潜在应用会包括充血性心力衰竭等疾病的早期诊断；慢性疾病,如糖尿病的预防；神经退行性疾病如帕金森病临床管理的改善；和及时应对紧急情况如癫痫患者癫痫发作和受试者在接受心血管监测时心脏骤停的能力[39]。

监视人类活动的传感器网络

平台的架构和HAM传感器网络系统在持续监测人们特别是老年人或慢性病人的生理参数中发挥重要作用。选择网络应该基于成本、性能、范围和功耗、且要易于配置,添加额外的传感器节点等。比较不同的IEEE协议，目前结果显示在表1[40]。目前可能会有不同的ad hoc网络的研究正在进行。据报道，三个网络层相结合的医疗监测体系结构为可穿戴传感器系统提供无处不在的、安全的访问[41]，其中无线传感器微粒的设计涉及到拥有增强安全方案的蓝牙芯片。包括可穿戴传感器皮肤电活动(EDA)和移动体积描记法以及手机和支持无线网络架构的几个移动卫生技术已经被提出了[42]。基于传感器网络和家用机器人的跌倒检测系统的开发也已进行[43]。传感器网络体系结构由穿在身上的传感器和分布在环境中的环境传感器构成。按照延迟和电池寿命性能，我们应用软件体系结构和概念设计家庭机器人平台的传感器网络。为了药物成瘾和创伤后应激障碍(PTSD)患者，一个由可穿戴传感器系组成的移动平台正在进行研究开发，这个系统可以收集在实验室里的算法训练数据,和用于提供治疗干预措施引发的认知行为治疗(CBT)实时传感器数据的手机应用程序[44]。一个使用内部IEEE 802.15.4无线标准，低成本、低功耗无线传感器平台能够提供服务,实现和描述能长期测量皮肤电活动的可穿戴传感器的比重,温度、运动活动的紧凑的设计，也包过照片体积的描述[45]。

表1：不同的IEEE 通信协议比较[40]

基于无线传感器的身体区域网络已经在长期的记录和分析优化在极端条件下的走路和跑步步态[46]。低能耗的设备进行了嵌入式软件的优化,交流和时间同步协议。一种由聚偏二氟乙烯(PVDF)膜的感觉受体组成的可佩带的传感器使用紧凑的触觉传感器的系统阅读盲文[47]。传感器安装到指尖然后盲文手动获取输出。一个完全的识别系统已经被开发来分析从手指的运动中获取的波形信号。一项在无线人体局域网内自动识别可穿戴传感器节点的位置(WBAN)的新计划已经被提出了[48]。这项计划使孤立的传感器节点持续监测无锚节点和信标节点的位置。作者通过实验证明了一个基于重力感应对身体跌倒检测方案的旨在减少假阳性(I型)错误的改进的方案。作者探讨了在新兴无线区域网络的背景下身体的能量管理机制[49]。它着重于有助于发展具体WBAN的最佳功率分配和动态功率控制机制的身体上的动态特性与不同身体姿势。一个基于虚拟传感器的用于改善身体传感器网络的体系结构模块化和可重用性设计(BSNs)多层任务模型概念已被介绍[50]。其开发的模型已经通过可穿戴传感器应用在步态分析的背景下。无线身体区域网络(WBAN)被视为在改善医疗质量方面的一个巨大的潜力,因此在健康监测和计算机辅助康复医疗急救反应系统的应用程序中广泛使用[51]。WBAN的安全和隐私保护是一个重要但尚未解决的问题,问题的挑战来自WBAN设备严格的资源约束和高需求的安全/隐私和实用性/可用性。尽管许多BSNs的研究被报告,但在当前，BSNs研究活动的监控应用程序离满足医疗需求仍然有很大的差距。出于安全和资源意识，BSN架构启用实时医疗监测,特别是对安全的无线心电图(ECG)数据流监控[52]。开发了支持生物医学数据监控应用程序资源不均匀分配的跨层框架。在完整框架里的重要信息(如主要心电图数据)被定义,且拥有额外的分配资源,以保护其传输。[53]报道工作的重点是增强用户质量的经验(体验质量)的无线传感

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