一種基于無線傳感器網絡的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)

簡介

        醫(yī)療監(jiān)護儀器目前可以分為兩類，一類是指在醫(yī)院內由職業(yè)醫(yī)生或專業(yè)技術人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標的監(jiān)護;另一類是在普通人員的家庭內或者戶外，在醫(yī)生的指導下，由病人本人或者家屬使用遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)對病人進行監(jiān)護，所得到的生理指標將及時傳送給相關醫(yī)生。目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護方法，大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護儀，連接設備將傳感器探頭連接在病人與監(jiān)護設備之間進行信號的傳遞。復雜的設備，眾多的連線，會造成病人心理上的壓力和緊張情緒，可能會影響病人身體狀況，使得診斷所得到的數(shù)據(jù)與真實情況有一定差距，給病人和醫(yī)護人員都帶來不便，可能會影響對病情的正確診斷。　　

        為了使經常需要測量生理指標的人員(比如慢性病人或者老年患者等)能夠在家中在隨意運動的狀態(tài)下測量某些常規(guī)指標，目前國際上對遠程醫(yī)療的關注越來越強。本文設計出一種新的網絡式監(jiān)護裝置及系統(tǒng)，目的是利用高頻率的無線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護控制儀器之間的信息，減少監(jiān)護設備與醫(yī)療傳感器之間的連線，使得被監(jiān)護人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準確的測量指標的同時，免除病人在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時，在醫(yī)院病房內建立無線監(jiān)測網絡，很多項測試可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和工作效率。另外，遠程監(jiān)護系統(tǒng)還可以擴展，使遠離醫(yī)院等醫(yī)護機構的病員也隨時能夠得到必要的醫(yī)療監(jiān)護，并且在必要的時候得到遠程醫(yī)生的咨詢指導，比如我國農村的缺醫(yī)少藥地區(qū)。

 系統(tǒng)結構

        本文提出了一種基于無線傳感器網絡技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，提出了一種新的可擴展的多層次網絡式體系結構及實現(xiàn)方法，即由監(jiān)護基站設備和無線專用傳感器節(jié)點構成一個微型監(jiān)護網絡。傳感器節(jié)點上使用中央控制器對所需要監(jiān)測的生命指標傳感器進行控制來采集數(shù)據(jù)，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設備，并由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網絡設備上，通過In2ternet網絡可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計觀察，提供必要的咨詢服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。　　

        圖1中描述了該遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的體系結構圖，系統(tǒng)中包括監(jiān)護基站設備以及一系列醫(yī)療監(jiān)護網絡的醫(yī)療傳感器節(jié)點。

　　在本文所設計的系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器節(jié)點被用來測量各種人體生理指標，比如體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等，傳感器還可以對某些醫(yī)療設備的狀況或者治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測。所獲得的數(shù)據(jù)信息通過無線通信的方式被傳輸?shù)结t(yī)療監(jiān)護基站設備上。我們將這類家庭基站或病房基站設計為手持型的設備，基站設備可以將收到的傳感器數(shù)據(jù)信息進行保存和處理并將數(shù)據(jù)顯示在該設備的LCD液晶顯示屏上，而且可以根據(jù)需要選擇采用多種方式進行遠程數(shù)據(jù)傳輸通信，比如通過和PC相連接的RS2232接口、通過GSM短消息或者通過modem接入遠程以太網的方式接入遠程網絡，傳送到遠程端的信息將由遠程端的監(jiān)護中心或者醫(yī)院管理中心的專業(yè)醫(yī)療人員進行統(tǒng)計與分析，并及時對病人進行信息反饋、提出忠告和建議等。

　　醫(yī)療傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需要而設置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴展性。同時，將該系統(tǒng)接入Internet網絡，可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護網絡、醫(yī)院網絡乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網絡，如圖2所示。

     圖3所示是本文設計的醫(yī)療監(jiān)護基站設備的結構框圖。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是采集并顯示測試得到的數(shù)據(jù)信息，同時將數(shù)據(jù)信息進行適當存儲和網絡轉發(fā)，因此本系統(tǒng)中的監(jiān)護基站設備被設計成一種手持設備，同時監(jiān)護基站設備可以和系統(tǒng)中的多個傳感器節(jié)點進行通信以完成數(shù)據(jù)的采集和顯示等功能。在使用過程中，監(jiān)護基站設備通過無線信道向傳感器節(jié)點發(fā)送控制命令來啟動傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收到命令后進行相應的數(shù)據(jù)采集動作，采集人體生理指標數(shù)據(jù)，采集結束后通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)返回到監(jiān)護基站，由監(jiān)護基站進行進一步的顯示、存儲等操作。必要時，監(jiān)護基站設備可以通過網絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務器端?！?/p>

　醫(yī)療監(jiān)護基站設備主要包括:處理器、存儲器、人機交互模塊、通信模塊接口等幾個部分。醫(yī)療監(jiān)護設備的主處理器采用了TI公司的MSP430系列的低功耗處理器，該系列處理器具有超低功耗、處理速度高、接口豐富等特點，非常適合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式設備。人機交互接口包括用戶輸入指令的鍵盤以及顯示數(shù)據(jù)結果和操作過程的LCD顯示屏兩個部分。

　　為了增強系統(tǒng)的適用性和兼容性，監(jiān)護基站設備上設計了多種通信模塊接口，其中包括RS-232接口、modem接口模塊、GSM短消息接口模塊和射頻接口模塊。其中射頻接口模塊用于和系統(tǒng)內無線傳感器節(jié)點進行近距離通信，其他通信接口用于和主機服務器進行通信。例如，在家中沒有Internet網絡接入的情況下，用戶可以使用modem模塊接入電話線進行撥號，將數(shù)據(jù)傳輸至服務器端。在戶外沒有其他連接方式的情況下，用戶可以使用GSM短消息的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至服務器端。
 

        當處于醫(yī)院或者社區(qū)醫(yī)療中心的服務器端接收到監(jiān)護基站設備所發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息的時候，則可以對數(shù)據(jù)進行存儲以及必要的分析，醫(yī)生則可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行相應的判斷和處理。對于在家中使用的醫(yī)療監(jiān)護設備，用戶還可以根據(jù)需要，通過RS-232接口，將設備連接在家中的PC機上，這樣，就可以將監(jiān)護基站設備的數(shù)據(jù)傳輸至計算機中，進行更靈活的管理，家庭成員可以根據(jù)數(shù)據(jù)自己判斷被監(jiān)護人員的身體狀況，同時也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞣掌魃?，由專業(yè)醫(yī)療人員進行分析與管理。圖4所示為本工作開發(fā)的監(jiān)護基站設備的硬件照片。

　　監(jiān)護基站設備在正常工作狀態(tài)下使用電池進行供電，因此在設計過程中尤其注意了低功耗的管理與控制在不工作的時刻，系統(tǒng)會進入低功耗以及休眠狀態(tài)來節(jié)省系統(tǒng)能量。

監(jiān)護傳感器節(jié)點設計

        醫(yī)療無線傳感器節(jié)點主要功能為采集人體生理指標數(shù)據(jù)，或者對某些醫(yī)療設備的狀況或者治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護基站設備。如圖5所示，醫(yī)療傳感器節(jié)點主要包括4部分:處理器部分、數(shù)據(jù)存儲部分、傳感器模塊和RF射頻通信部分。處理器部分根據(jù)低功耗和處理能力的需要，采用了TI公司的MSP430系列單片機。存儲器部分主要用于存儲傳感器所采集的臨時數(shù)據(jù)，在處理器將數(shù)據(jù)傳輸之后，傳感器節(jié)點內不做數(shù)據(jù)的大量存儲。在本文所設計的系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器模塊主要實現(xiàn)了以下幾種功能，包括血氧、脈搏、血壓和血糖的測量等。其中，血氧和脈搏測量集成了上海貝瑞公司所生產的BCI血氧脈搏測量模塊;血壓測量集成了臺灣TaiDoc公司所生產的血壓測量模塊，血糖測量集成了TaiDoc公司所生產的血糖測量模塊。

        圖6顯示了這3種模塊的硬件電路照片。其中，圖6(a)為血糖測量節(jié)點，圖6(b)為血壓測量節(jié)點，圖6(c)為血氧和脈搏測量節(jié)點。在本系統(tǒng)的設計中，無線節(jié)點為傳感器擴展留出了豐富的接口，如果需要其它類型的生理指標數(shù)據(jù)，如體溫、心電等數(shù)據(jù)，則只需要將相應的傳感器接入預留的接口，就可以形成新的無線傳感器節(jié)點，開發(fā)相應的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節(jié)點直接加入到該無線傳感器網絡中。

無線通信設計

        在醫(yī)院應用的醫(yī)療監(jiān)護設備對電磁輻射的要求都很高。對于設備來講，輻射的電磁波既不能夠干擾其他設備正常工作，同時也應具有一定的抗干擾能力，不受其他設備輻射出的電磁波干擾。因此，在醫(yī)院或者使用無線通信的家庭醫(yī)療設備在設計中必須對此方面進行考慮?！?/p>

        在本系統(tǒng)中，所使用的射頻通信為全球公開的免費214GHz的ISM頻段，采用的通信標準為802.15.4/Zigbee標準，該標準專門針對近距離高速數(shù)據(jù)傳輸，具有較高的數(shù)據(jù)糾錯和抗干擾能力。并且，系統(tǒng)對無線信號的工作強度進行了控制，使得在正常狀態(tài)下，信號強度能夠滿足通信的需要而且不會有過多的浪費，一方面節(jié)省了系統(tǒng)的能量，另一方面也降低了無線通信過程對于其他設備的干擾。

        本系統(tǒng)所設計的射頻通信裝置使用了以CC2420芯片為核心的射頻通信模塊。該芯片是美國Chipcon公司生產的，是一款低功耗無線收發(fā)芯片，尤其適合工作于低功耗、低電壓的無線通信設備中。該芯片工作在2.4GHz的免費ISM頻段，射頻收發(fā)符合IEEE802.15.4/Zigbee標準，能夠滿足本系統(tǒng)射頻通信的需要。

實驗驗證

        本系統(tǒng)在綜合測試過程中取得了初步的結果，傳感器采集數(shù)據(jù)，通過無線信道將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設備;監(jiān)護基站設備將數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，同時將數(shù)據(jù)通過RS2232接口傳輸?shù)接嬎銠C中;計算機根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)在軟件中將數(shù)據(jù)以曲線圖形的方式顯示出來。在實際應用中，可以根據(jù)這些曲線和數(shù)據(jù)對被監(jiān)測者的健康狀況做出分析。如果在室外環(huán)境中，則可以使用GSM短消息的方式，將測量的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器進行管理和分析。圖7和圖8說明了對被監(jiān)測者的血氧狀況進行監(jiān)測并在監(jiān)護基站設備上以及在計算機上顯示數(shù)據(jù)的情況。
 
 

總結和展望

        本文介紹了一種基于無線傳感器網絡的可擴展的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)在家庭或者醫(yī)院病房的環(huán)境中建立一個無線傳感器網絡，通過該網絡，傳感器節(jié)點采集人體生理指標信息，或者動態(tài)監(jiān)測醫(yī)療儀器運行以及治療的過程，并且將信息傳輸?shù)奖O(jiān)護基站設備和服務器計算機。傳感器網絡系統(tǒng)可以通過監(jiān)護基站設備以不同的方式連接到該遠程監(jiān)控中心。系統(tǒng)具有高度的靈活性和可擴展性，可以廣泛應用于社區(qū)的遠程醫(yī)療和醫(yī)院病房監(jiān)護的環(huán)境中。通過Internet網絡可以構建遠程醫(yī)療信息網，不僅有利于發(fā)達地區(qū)的病人獲得保健服務，也有利于貧困地區(qū)的病人獲得必要的醫(yī)療服務。在未來的工作中，將進一步開發(fā)該系統(tǒng)的軟件和硬件，以提高穩(wěn)定性和實用性，同時也將根據(jù)特殊的需要定制開發(fā)上層管理軟件以及完善醫(yī)療監(jiān)護管理平臺軟件。