醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)護系統(tǒng)設計原理及方案

醫(yī)療傳感器節(jié)點的設計

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network)是一項綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等多種領域技術的新興技術，該技術具有廣泛的應用場景。

隨著技術的發(fā)展，WSN(Wireless Sensor Network)將會在醫(yī)療實踐的許多方面產(chǎn)生深遠影響。本文主要闡述無線傳感器網(wǎng)絡醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的體系結構以及監(jiān)護節(jié)點設計的一般原則。

無線傳感器網(wǎng)絡的體系結構

在監(jiān)測區(qū)域內布置大量傳感器節(jié)點，節(jié)點間采用自組織方式進行組網(wǎng)以及利用無線通信技術進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，每個節(jié)點都具有數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)融合轉發(fā)雙重功能。節(jié)點對本身采集到的信息和其它節(jié)點轉發(fā)給它的信息進行初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后以相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送到基站，然后通過基站以互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等方式傳送給最終用戶。

節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡的基本功能單元，具體應用不同，節(jié)點的設計也不盡相同。傳感器節(jié)點的基本組成模塊有：傳感單元、處理單元、通信單元以及電源部分。此外，根據(jù)具體應用要求可以添加功能單元，如：定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。

無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療中的應用情況

無線傳感器網(wǎng)絡利用其自身的優(yōu)點(如低費用、簡便、快速、實時無創(chuàng)的采集患者的各種生理參數(shù)等等)，使其在醫(yī)療研究、醫(yī)院普通／ICU病房或者家庭日常監(jiān)護等領域中有很大的發(fā)展?jié)摿?，是目前研究領域的熱點。

在病人身上放置用于檢測人體參數(shù)的微型傳感器節(jié)點，可對病人的心率、血壓、心電、心音等生理參數(shù)進行遠程實時監(jiān)測，并將信息匯總傳送給監(jiān)護中心，進行及時處理與反饋；利用WSN長期收集被觀察者的人體生理數(shù)據(jù)，對了解人體健康狀況以及研究人體疾病都很有幫助。此外，在藥物管理和研制新藥品、血液管理等諸多方面，也有其獨特的應用。總之，無線傳感器網(wǎng)絡為未來的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)提供了更加簡便、低費用的實現(xiàn)手段。

基于無線傳感器網(wǎng)絡的醫(yī)療體系結構

基于無線傳感器網(wǎng)絡的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)主要由醫(yī)療傳感器節(jié)點、醫(yī)療監(jiān)護基站(醫(yī)療SINK節(jié)點)以及社區(qū)／醫(yī)院監(jiān)護中心這幾個部分組成。

醫(yī)療傳感器節(jié)點與監(jiān)護基站組成個人／家庭或者病房無線傳感器網(wǎng)絡，多個這樣的網(wǎng)絡可以組成社區(qū)或整個醫(yī)院監(jiān)護網(wǎng)絡，甚至更大范圍的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。首先，醫(yī)療傳感器節(jié)點采集人體生理參數(shù)，并對采集到參數(shù)簡單處理后，通過無線通信的方式直接或者間接逐跳方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)交旧?。監(jiān)護基站對數(shù)據(jù)進行進一步處理后轉發(fā)給監(jiān)護中心，監(jiān)護中心進行分析處理，并及時對病人進行信息反饋。監(jiān)護中心還可以采用多種方式(Internet，移動通信網(wǎng)絡等)進行遠程數(shù)據(jù)傳輸，與其它監(jiān)護中心共享信息。

醫(yī)療傳感器節(jié)點的設計

醫(yī)療傳感器節(jié)點的基本結構包括處理模塊、傳感器模塊和無線收發(fā)模塊以及電源供電模塊。

傳感器模塊用來進行外部傳感器信號的感知、采集、轉換。是整個節(jié)點真正與外部信號量接觸的模塊。然而，醫(yī)用傳感器是以生命體為測量對象。尤其是人體，可以說是世界上最復雜的系統(tǒng)，各生理變量間存在著高度的相關性而且不易接近。所以醫(yī)用傳感器要從眾多的現(xiàn)象中取出預測生理量，得出可靠而有意義的測量數(shù)據(jù)，同時又要確保被測對象的安全。

由于人體參數(shù)大多是微弱信號，一般只有幾mV級別，甚至更低，并且存在多種噪聲(測量環(huán)境噪聲、儀器與人體摩擦噪聲以及儀器本身噪聲等)、工頻干擾 (由測量環(huán)境周圍存在50 Hz的電磁場引起的)以及各種雜音等不利因素。因此，在具體醫(yī)療傳感器節(jié)點設計中，加入模擬電路處理模塊，該模塊一般包括以下幾個部分：放大電路、濾波電路、陷波電路以及模數(shù)(A／D)轉換電路等。在節(jié)點設計中放大電路一般采用多級放大(三級或四級)，末級放大電路除了有放大功能外一般還具有電平提升功能；濾波電路：應滿足電路簡潔、合理的截止頻率、靈活方便的調節(jié)高低通截止頻率等要求，合理的濾掉信號中的高頻與低頻干擾；陷波電路：目前廣泛采用對稱性雙T阻容有源陷波器或用集成開關電容器件以及非對稱阻容網(wǎng)絡陷波器等。總之，模擬電路處理模塊主要對采集到的信號進行放大、濾波、陷波等處理，去除信號中的噪音、干擾，提取出有用信號。

處理器模塊是傳感器節(jié)點的核心，負責整個節(jié)點的設備控制、任務分配與調度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)?。目前處理器模塊中使用較多的是Atmel公司的AVR 系列單片機、TI公司的MSP430超低功耗處理器、Motorola公司和Renesas公司的處理器以及作為32位嵌入式處理器的ARM單片機。在節(jié)點設計中，必須編程實現(xiàn)處理器模塊對傳感模塊采集控制、A／D轉換的實現(xiàn)以及控制無線通信模塊的收發(fā)。

無線收發(fā)模塊用于節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。在無線領域應用較多的無線收發(fā)模塊為Chipcon公司的CCl000、CC2420、CC2430。常用的無線通信技術有：IEEE 802．1lb、IEEE 802．15．4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA(紅外線)等。監(jiān)護系統(tǒng)大多采用IEEE 802．15．4(ZigBee)、藍牙來實現(xiàn)節(jié)點以及節(jié)點與基站之間的數(shù)據(jù)通信。

電源模塊為節(jié)點提供能量，是整個無線傳感器節(jié)點的基礎模塊。然而，受節(jié)點體積限制，傳感器節(jié)點的能量非常有限。因此，在整個節(jié)點設計中，以低功耗、高精度為主要要求，采取一系列有效的措施來節(jié)省能量。另外，醫(yī)療傳感器節(jié)點不能頻繁更換電池，影響人的正常生活。所以，所設計的醫(yī)療節(jié)點應該具有較長的生命周期。

醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)護系統(tǒng)存在的挑戰(zhàn)

盡管無線傳感器網(wǎng)絡在組建醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)方面有其獨有優(yōu)勢，但應用到實際醫(yī)療中還存在以下挑戰(zhàn)：

動態(tài)組網(wǎng)與大規(guī)模網(wǎng)絡中節(jié)點移動性管理：當監(jiān)護系統(tǒng)擴展到社區(qū)、城市甚至全國時，其網(wǎng)絡規(guī)模巨大，并且監(jiān)護節(jié)點與基站都具有一定的移動性。因此，必須設計一種合適的網(wǎng)絡拓撲管理結構以及節(jié)點移動性管理方法。

數(shù)據(jù)完整性與數(shù)據(jù)壓縮：節(jié)點有時需要長達24小時的監(jiān)測人體參數(shù)，節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)量大，而節(jié)點的存儲容量小，常采用壓縮算法來減少數(shù)據(jù)的存儲與傳輸量。然而，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的壓縮算法開銷太大不適合傳感器節(jié)點。另外，壓縮算法不能損壞原始數(shù)據(jù)，否則會造成對病人的錯誤診斷。

數(shù)據(jù)安全性：無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用自組織方式組網(wǎng)，容易受到攻擊，此外，病人的信息需要保密。然而，傳感器節(jié)點計算能力相當有限，傳統(tǒng)的安全和加密技術都不適用。因此，必須設計一種適合傳感器節(jié)點的加解密算法。

總結與展望

隨著技術的發(fā)展，無線醫(yī)療傳感器節(jié)點逐漸向多參數(shù)、智能化、微型化、低功耗等方向發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡也將逐漸被實際應用于醫(yī)療領域。發(fā)展與組建具有智能化的病房與社區(qū)監(jiān)護系統(tǒng)是當今國內外醫(yī)療發(fā)展的趨勢。