ワイヤレス・ボディ・エリア・ネットワーク

医療用ボディ・エリア・ネットワーク設計の課題への対応

ワイヤレス・ボディ・エリア・ネットワーク（WBAN）は、ワイヤレスで接続されたセンサーやアクチュエーターのノードで構成され、しばしばデータ処理によって拡張される。ノードは、人体内、人体上、人体周辺、人体外に配置され、医療、ライフスタイル、エンターテインメント・アプリケーションをサポートするために、生理学的信号や環境信号を継続的かつ非侵入的にモニタリングするためのネットワークを形成する。医療用WBANは、病気の早期発見に重点を置いた、病気から健康管理へのパラダイムシフトを提供し、米国における年間4兆ドルの医療費の一部を節約することが期待される。しかし、WBANの設計と効率的な運用は、アプリケーションの物理（PHY）層が満たさなければならない厳しい要件のため、いくつかの技術的課題をもたらす。

方法論

1.技術的要件

WBANの最も重要な機能は、ノード間の情報交換を効率的に行うことである。効率的な情報交換とは、信頼性が高く、安全で、高速で、耐障害性があり、干渉を免れる通信を低消費電力で行うことである。消費電力は本文書の範囲外であるが、望ましい効率を達成するための他のすべての側面は、人体に密接に関連する多くの重要な問題を考慮しなければならない。

埋め込みノードと表面ノード間の通信（体内通信と体外通信）は、信号の減衰が大きい可能性がある。WBANノードを搭載する身体部分の動きは、通信リンクのバジェットを変更したり、信号をブロックしたりすることで、ネットワーク・トポロジーに影響を与えることさえある。信号伝播は非常に複雑です。自由空間伝播は、信号源の特性（周波数、偏波、入射角、体の姿勢や形状など）に応じて、回折波、這い波、表面波と組み合わされるからです。ZMTは、WBANの性能を評価し、最適化するという課題に対処する設計者を支援するために、必要なすべてのツールを開発しました。

2.体内および体外RF通信

自由空間通信の設計には簡単な公式があるが、体内のRF伝搬を正確に評価することは不可能である。後者は使用周波数、デバイスの位置、個人の解剖学的構造に依存する。

組織の不均一性は電磁気学的に複雑な環境を作り出し、それは患者の動き、体重の変化、加齢によって時間とともに変化する。そのため、Virtual Population (ViP)モデルの使用は、この困難な課題に対する推奨されるソリューションです。ViPモデルにより、患者集団をカバーする解剖学的に詳細なモデル内にBANノードを迅速に配置することができます。これらの機能化されたモデルは、患者の動きを自然に模倣する (POSERモジュール)、患者集団の拡大や特定の病態の再現のためのモーフィングが容易である。

さらに、任意の頻度での組織の割り当ては DISFITモジュール.また P-EM-FDTD物理モデルは、狭帯域または超広帯域（UWB）アプリケーションの体内および体外通信性能の評価に使用されます。

3.アンテナ設計

WBANのボディノードで使用されるアンテナは、体内であろうと体上であろうと、サイズの制約から通常は非共振型である。そのため MATCHモジュールはアンテナ性能を最適化するための貴重なツールです。ほとんどの場合、このようなアンテナは小型化されているため、寸法や材料特性の影響を調べるためには、（P-EM-FDTDモデルのサブグリッドエンジンを使って）その形状を正確にモデル化できることが重要です。

患者の動き、ノードの位置、デバイスの向きがアンテナ特性（インピーダンス、放射パターン）に与える影響は、ポーズ可能な人体ファントムで簡単に評価できます。最後に、WBANのリンクの品質と信頼性を向上させるために、アンテナダイバシティを使用するハブや基地局がますます増えているため、MIMOSモジュールを使用することで、ユーザーは信号の可用性をより明確に把握することができます。

4.通信リンク予算

ノードでの受信信号強度は、体内ノードと体上ノードのP-EM-FDTDモデルで計算されます。大規模な問題（病院や自宅の部屋）の場合、高性能コンピューティング(HPC)フレームワークにより、現実的な環境の全波解析と、ボディノードとハブ／基地局間のリンクバジェットの推定が可能です。複雑な屋内環境におけるソースについて、他の数値技術から伝搬データが入手可能な場合はHUYGENSモジュールはリンクバジェットを確立するための迅速なソリューションを提供します。

HUYGENSモジュールは、リンクバジェットを確立するための迅速なソリューションを提供します。 ViP3.0ViP3.0ファントムの体位と姿勢は、空間的に簡単に定義でき、患者の生き生きとした活動をカバーします。最後に、WBANと他の技術との共存から生じる干渉問題を調査したり、クリア・チャンネル・アセスメント（CCA）プロトコルのエネルギー検出しきい値（EDT）を解決したりする場合にも、同様のアプローチが可能です。

5.法規制の遵守

WBANデバイスの規制遵守は、患者が世界の異なる司法管轄区を自由に行き来できるという事実によって複雑になっています。しかし、望ましい受信信号強度（RSS）レベルを達成するための最大等方性放射電力（EIRP）は、P-EM-FDTDモデルで最も高い確実性で推定され、その後、ETSIまたはFCC規制と比較されます。

さらに、ボタンを押すだけで、IEC62704-1規格案に従ってピーク空間SAR分布が生成され、被ばくガイドラインとの比較が可能になります。MBSARモジュールは、異なる周波数帯のシミュレーションから得られたSARパターンを組み合わせ、全SAR分布のピーク空間SARを計算/視覚化することができます。このツールは、WBANノードがさまざまな周波数帯域を使用する場合に非常に有効です。