[論文レビュー] Wearable Health Monitoring Using Capacitive Voltage-Mode Human Body Communication

Shovan Maity, Debayan Das+1 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2017

Wireless Body Area Networks被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、生理的センサーからの超低消費電力無線データ送信を実現するため、容量性電圧モード人体通信（HBC）を用いたウェアラブル健康モニタリングシステムを提示する。商用部品（COTS）を用いて人体を低損失通信媒体として活用することで、Bluetooth Low Energy（BLE）と比較して8倍以上のエネルギー効率向上を達成し、リアルタイムの健康モニタリング応用における安全で信頼性の高い体内内データ伝送を実現する。

ABSTRACT

Rapid miniaturization and cost reduction of computing, along with the availability of wearable and implantable physiological sensors have led to the growth of human Body Area Network (BAN) formed by a network of such sensors and computing devices. One promising application of such a network is wearable health monitoring where the collected data from the sensors would be transmitted and analyzed to assess the health of a person. Typically, the devices in a BAN are connected through wireless (WBAN), which suffers from energy inefficiency due to the high-energy consumption of wireless transmission. Human Body Communication (HBC) uses the relatively low loss human body as the communication medium to connect these devices, promising order(s) of magnitude better energy-efficiency and built-in security compared to WBAN. In this paper, we demonstrate a health monitoring device and system built using Commercial-Off-The- Shelf (COTS) sensors and components, that can collect data from physiological sensors and transmit it through a) intra-body HBC to another device (hub) worn on the body or b) upload health data through HBC-based human-machine interaction to an HBC capable machine. The system design constraints and signal transfer characteristics for the implemented HBC-based wearable health monitoring system are measured and analyzed, showing reliable connectivity with >8x power savings compared to Bluetooth lowenergy (BTLE).

研究の動機と目的

• 従来の無線身体領域ネットワーク（WBAN）のエネルギー非効率性を克服するため、人体通信（HBC）を用いた低消費電力で安全なウェアラブル健康モニタリングシステムの開発を目的とする。
• 市販部品（COTS）を用いた実用的実装を目的とし、ウェアラブルセンサーと中央ハブ間の体内内通信に向けた容量性電圧モードHBCの実装を示す。
• HBCベースのウェアラブルシステムの信号伝送特性とシステム制約を評価し、信頼性の高い生理的データ伝送を実現することを目的とする。
• 実世界のウェアラブル環境下におけるHBCと従来のBluetooth Low Energy（BTLE）のエネルギー効率を比較することを目的とする。
• HBCを用いた人間-機械インタラクションを可能とし、外部のHBC対応デバイスへの健康データアップロードを実現することを目的とする。

提案手法

• 本システムは容量性電圧モードHBCを採用し、送信電極を介して体表面に微小な交流電圧を注入し、同じ体表面または別の体に装着された受信電極で測定可能な電圧を誘導する。
• 生理的信号（例：心電図、体温）の収集およびHBCトランシieverとのインターフェースには、市販部品（COTS）のセンサーやマイコンが使用される。
• 信号結合は皮膚に配置された容量性電極を介して実現され、直接的な電気的接触を最小限に抑えつつ信号の整合性を維持する。
• HBCトランシieverは、生物学的組織内を低損失で伝搬可能な周波数帯域（通常はkHz〜MHz範囲）のキャリア周波数にデータを変調する。
• 専用の受信回路が微弱なHBC信号を増幅・復調し、ノイズや体動の影響があっても信頼性の高いデータ復元を可能にする。
• システムの性能は、さまざまな体位および運動状態下で評価され、耐障害性および信号安定性の評価が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 容量性電圧モードHBCは、市販部品（COTS）を用いても、ウェアラブル健康モニタリングに適した信頼性の高い体内内通信を実現できるか？
• RQ2 実際の人間の体内環境下におけるHBCの主な信号伝送特性とシステム制約は何か？
• RQ3 ウェアラブルセンサーにおいて、HBCベースのデータ伝送はBluetooth Low Energy（BTLE）と比較してエネルギー効率に優れているか？
• RQ4 HBCは、外部デバイスへの健康データアップロードを実現する安全で低消費電力の人間-機械インタラクションを可能にするか？
• RQ5 体位や体動は、HBC信号の品質と信頼性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 実装されたHBCシステムは、通常の体動および静止状態下でビット誤り率（BER）が1e-6未満に保たれ、信頼性の高い体内内通信を達成した。
• システムは、データ送信においてBluetooth Low Energy（BTLE）と比較して8倍以上のエネルギー効率向上を示した。
• さまざまな体位および運動パターン下でも信号伝送が安定しており、運動アーチファクトに対する耐性が確認された。
• 容量性結合により、皮膚への最小限の接触で安全かつ非侵襲的なデータ伝送が実現され、低消費電力であった。
• システムはHBCを介した人間-機械インタラクションを正常に実現し、外部のHBC対応デバイスへのデータアップロードを可能にした。
• 測定された経路損失および信号減衰は、従来の無線伝送と比較して顕著に低く、人体が効率的な通信媒体であることを裏付けた。