[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种可穿戴健康监测系统，采用电容式电压模式人体通信（HBC）实现生理传感器的超低功耗无线数据传输。通过利用人体作为低损耗通信介质，并结合现成商用组件（COTS），该系统在确保安全、可靠体内数据传输的同时，相比蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy）实现了超过8倍的能效提升，适用于实时健康监测应用。

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).

研究动机与目标

• 开发一种低功耗、安全的可穿戴健康监测系统，利用人体通信（HBC）技术，以克服传统无线体域网（WBANs）的能效低下的问题。
• 展示使用现成商用组件（COTS）实现电容式电压模式HBC在可穿戴传感器与中央网关之间进行体内通信的实际应用。
• 评估基于HBC的可穿戴系统在真实人体环境中的信号传输特性与系统约束，以实现可靠的生理数据传输。
• 在真实可穿戴场景中，对比HBC与传统蓝牙低能耗（BTLE）在能效方面的表现。
• 通过HBC实现人机交互，实现将健康数据上传至外部HBC兼容设备。

提出的方法

• 系统采用电容式电压模式HBC，通过发射电极在体表注入微小交流电压，在同一或另一台可穿戴设备的接收电极上感应出可测量的电压。
• 使用现成商用传感器和微控制器采集生理信号（如心电图ECG、体温）并对接HBC收发器。
• 通过贴附在皮肤上的电容电极实现信号耦合，最大限度减少直接电气接触，同时保持信号完整性。
• HBC收发器将数据调制到适合在生物组织中低损耗传播的载波频率上（通常在kHz至MHz范围）。
• 专用接收电路对微弱的HBC信号进行放大和解调，即使在存在噪声和身体运动的情况下也能实现可靠的数据恢复。
• 在不同身体姿势和运动条件下评估系统性能，以评估其鲁棒性和信号稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 电容式电压模式HBC能否在使用COTS组件的前提下，实现可靠的可穿戴健康监测体内通信？
• RQ2 HBC在真实人体环境中的关键信号传输特性与系统约束是什么？
• RQ3 在可穿戴传感器中，基于HBC的数据传输与蓝牙低能耗（BTLE）相比，其能效表现如何？
• RQ4 HBC能否实现安全、低功耗的人机交互，以将健康数据上传至外部设备？
• RQ5 身体姿势和运动对HBC信号质量与可靠性有何影响？

主要发现

• 所实现的HBC系统在正常身体运动和静态条件下实现了可靠的体内通信，误码率（BER）低于1e-6。
• 与蓝牙低能耗（BTLE）相比，该系统在数据传输方面实现了超过8倍的能效提升。
• 信号传输在各种身体姿势和运动模式下均保持稳定，表明对运动伪影具有良好的鲁棒性。
• 电容耦合实现了安全、非侵入式的数据传输，皮肤接触极少，功耗极低。
• 系统成功实现了通过HBC的人机交互，支持将数据上传至HBC兼容的外部设备。
• 实测路径损耗和信号衰减显著低于传统无线传输，验证了人体作为高效通信介质的可行性。