基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

  摘　要：將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)引入醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，提出了一種由ZigBee傳感器和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)構(gòu)成的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和具體實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)和基站設(shè)備所使用的近距離通信標(biāo)準(zhǔn)為802. 15. 4 /ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，收集病患者的各類(lèi)信息，實(shí)現(xiàn)病患者在家中進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)，并及時(shí)將病患情況反映給醫(yī)生及其家屬，以應(yīng)對(duì)病患者可能的突發(fā)情況，在獲得準(zhǔn)確的測(cè)量指標(biāo)的同時(shí)，免除患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。

　　遠(yuǎn)程醫(yī)療是信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它使用遠(yuǎn)程通信和計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)為患者提供醫(yī)學(xué)信息和醫(yī)療服務(wù)。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，它已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)交流中一道亮麗的風(fēng)景線(xiàn)。

　　遠(yuǎn)程醫(yī)療主要應(yīng)用在臨床會(huì)診、檢查、診斷、監(jiān)護(hù)、指導(dǎo)治療、醫(yī)學(xué)研究、交流、醫(yī)學(xué)教育和手術(shù)觀摩等方面。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)作為遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中的一部分，是將采集的被監(jiān)護(hù)者的生理參數(shù)與視頻、音頻以及影像等資料通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到社區(qū)監(jiān)護(hù)中心，用于動(dòng)態(tài)跟蹤病態(tài)發(fā)展，以保障及時(shí)診斷、治療。隨著當(dāng)今社會(huì)老年人口的劇增，醫(yī)療資源中監(jiān)護(hù)的作用更加突出。

　　醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器目前可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專(zhuān)門(mén)儀器，對(duì)病人進(jìn)行生理指標(biāo)的監(jiān)護(hù)；另一類(lèi)是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶(hù)外，在醫(yī)生的指導(dǎo)下，由患者本人或其家屬使用遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)護(hù)，所得生理指標(biāo)將及時(shí)傳送給相關(guān)醫(yī)生。目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，大多是建立在線(xiàn)纜連接的基礎(chǔ)上，往往體積和功耗大，不便于攜帶，且要求在患者身邊使用，限制了患者和醫(yī)護(hù)人員的行動(dòng)，增加了他們的負(fù)擔(dān)和風(fēng)險(xiǎn)，已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)當(dāng)今實(shí)時(shí)、連續(xù)、長(zhǎng)時(shí)間地監(jiān)測(cè)患者重要生命特征參數(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)需求。為了使經(jīng)常需要測(cè)量生理指標(biāo)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(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下測(cè)量某些常規(guī)指標(biāo)，人們對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療的關(guān)注度越來(lái)越強(qiáng)。

　　近年來(lái)，隨著生物醫(yī)學(xué)傳感器的小型化、信息處理及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和普及，無(wú)線(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制成為熱點(diǎn)。筆者設(shè)計(jì)出一種新的網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)護(hù)裝置及系統(tǒng)，目的是利用高頻率的無(wú)線(xiàn)多通道數(shù)據(jù)傳輸方式，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護(hù)控制儀器之間的信息，減少監(jiān)護(hù)設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線(xiàn)，使被監(jiān)護(hù)人能夠擁有較多的自由活動(dòng)空間，在獲得較準(zhǔn)確的測(cè)量指標(biāo)的同時(shí)，免除患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時(shí)，在醫(yī)院病房?jī)?nèi)建立無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，多項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強(qiáng)醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和工作效率。

　　1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，系統(tǒng)由監(jiān)護(hù)基站設(shè)備和ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)微型監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)上使用中央控制器對(duì)需要監(jiān)測(cè)的生命指標(biāo)傳感器進(jìn)行控制并采集數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護(hù)基站設(shè)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(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，由專(zhuān)業(yè)醫(yī)療人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，提供必要的咨詢(xún)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。在救護(hù)車(chē)中的急救人員還可通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)將急救病人的信息實(shí)時(shí)傳送，以利于醫(yī)院搶救室及時(shí)做好準(zhǔn)備工作。醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同的需要而設(shè)置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴(kuò)展性。同時(shí)，將該系統(tǒng)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)乃至整個(gè)城市和全國(guó)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　系統(tǒng)中包括無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)（wireless person2al area network,WPAN ） 、ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及一系列醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，例如醫(yī)護(hù)人員在急救途中或在其他醫(yī)院可以分別利用WLAN /UMTS網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。

　　2　監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點(diǎn)

　　2. 1　監(jiān)護(hù)傳感器的組成及工作原理

　　醫(yī)療無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)主要功能為采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，或?qū)δ承┽t(yī)療設(shè)備的狀況以及治療過(guò)程情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備。

　　醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)框圖如圖2 所示，主要包括醫(yī)療傳感器模塊、ZigBee 通信模塊、處理器單元和電源4 部分。處理器單元如圖3 所示，主要分為CPU、存儲(chǔ)器、AD 轉(zhuǎn)換、測(cè)試帶和數(shù)碼顯示屏5 部分。根據(jù)低功耗和處理能力的需要，采用TI公司的MSP430 系列單片機(jī)，存儲(chǔ)器部分主要用于存儲(chǔ)傳感器所采集的臨時(shí)數(shù)據(jù)，在處理器將數(shù)據(jù)傳輸之后，傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)不做數(shù)據(jù)的大量存儲(chǔ)。

圖2　醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

圖3　處理器單元

　　該監(jiān)護(hù)傳感器的工作原理為，首先由控制單元發(fā)出開(kāi)始監(jiān)測(cè)某項(xiàng)生理參數(shù)的指令，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信單元把指令發(fā)給生理信息與數(shù)據(jù)采集單元，對(duì)人體生理信號(hào)（體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等）進(jìn)行采集，最后通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信單元將數(shù)據(jù)傳給控制和顯示單元中的信息處理模塊，一方面對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，另一方面將結(jié)果數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)供檢索和回放。節(jié)點(diǎn)的核心是無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信單元和生理信息與數(shù)據(jù)采集單元。

　　2. 2　無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信單元

　　在醫(yī)院里，所應(yīng)用的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)電磁輻射的要求很高。對(duì)于設(shè)備來(lái)講，輻射的電磁波既不能干擾其他設(shè)備正常工作，同時(shí)也應(yīng)具有一定的抗干擾能力，不受其他設(shè)備輻射出的電磁波干擾。因此，在醫(yī)院或者使用無(wú)線(xiàn)通信的家庭中使用的醫(yī)療設(shè)備，設(shè)計(jì)中必須對(duì)此進(jìn)行充分考慮。

　　在本系統(tǒng)中，所使用的射頻通信為全球公開(kāi)的免費(fèi)2. 4 GHz的ISM頻段，采用的通信標(biāo)準(zhǔn)為802. 15. 4 /ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。它是一種低復(fù)雜度、低功耗和低成本的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可在10～75 m范圍內(nèi)，以20 ～250 kb / s的傳輸速率來(lái)傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)。它依據(jù)802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需少量能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳至另一個(gè)傳感器，因此，通信效率非常高。它可用普通干電池作電源，在一般情況下，可支持6～24個(gè)月，大大減少了頻繁更換電池的麻煩。

　　為降低成本，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種類(lèi)型的設(shè)備：全功能設(shè)備（ full function device, FFD）和簡(jiǎn)化功能設(shè)備（ reduced function device, RFD ） 。

　　FFD可以在3 種不同模式下工作： ①個(gè)人網(wǎng)絡(luò)（personal area network , PAN）協(xié)調(diào)者； ②協(xié)調(diào)者；③設(shè)備。RFD作為從設(shè)備不需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，且只占用很少的資源。用一個(gè)FFD加上一個(gè)RFD就可組建一個(gè)最簡(jiǎn)單的WPAN,其中FFD作為PAN協(xié)調(diào)者來(lái)執(zhí)行通信功能，因此，在任何一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)中都必須至少有一個(gè)FFD 來(lái)作為PAN協(xié)調(diào)者。在本系統(tǒng)中， ZigBee設(shè)備通常以星形和網(wǎng)狀形兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

　　星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通信是以FFD作為PAN協(xié)調(diào)者完成與設(shè)備之間的通信，在該網(wǎng)絡(luò)中PAN協(xié)調(diào)者的功能是初始化網(wǎng)絡(luò)、中止和路由信息。星形網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化家居、個(gè)人醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和醫(yī)院病房等小區(qū)域。

　　2. 3　生理信息與數(shù)據(jù)采集單元

　　系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器模塊主要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：體溫、血壓、血氧和血糖的測(cè)量等。其中，體溫測(cè)量集成了北京邁創(chuàng)公司所生產(chǎn)的YSI體溫探頭，血壓測(cè)量集成了邁創(chuàng)公司的KNM無(wú)創(chuàng)血壓測(cè)量模塊，血氧測(cè)量集成了邁創(chuàng)公司的SWS01血氧測(cè)量模塊。

　　無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)為傳感器的擴(kuò)展留出了豐富的接口，如果需要其他類(lèi)型的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，如體溫、心電等數(shù)據(jù)，則只需要將相應(yīng)的傳感器接入預(yù)留的接口，形成新的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節(jié)點(diǎn)直接加入到該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

　　3　GPRS /UM TSWLAN網(wǎng)關(guān)

　　相對(duì)于WLAN 高傳輸速率、低覆蓋范圍而言， GPRS/UMTS具有低傳輸速率和高覆蓋范圍的特點(diǎn)。本系統(tǒng)利用GPRS/UMTSWLAN網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)UMTS與WLAN 之間的無(wú)縫連接。這樣使得配有UMTS和WLAN 接口的設(shè)備可以自由地在這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換。

　　一般來(lái)說(shuō)，WLAN 和UMTS融合的方式有兩種：緊耦合和松耦合。在緊耦合體系中，WLAN網(wǎng)關(guān)直接連接到UMTS網(wǎng)絡(luò)。而在松耦合體系中，WLAN網(wǎng)關(guān)并不是直接連接到UMTS網(wǎng)絡(luò)中，而是通過(guò)Internet或是IP骨干網(wǎng)作為中介。在本系統(tǒng)中，利用松耦合體系來(lái)實(shí)現(xiàn)手持移動(dòng)設(shè)備與UMTS網(wǎng)絡(luò)之間的通信。WLAN和UMTS的松耦合體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　WLAN和UMTS的松耦合體系結(jié)構(gòu)

　　4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　系統(tǒng)在綜合測(cè)試過(guò)程中取得了初步的結(jié)果，傳感器節(jié)點(diǎn)上的生命指標(biāo)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備，并顯示在基站設(shè)備的LCD上。每個(gè)病人總的數(shù)據(jù)傳輸量在22～76 kb / s之間（依據(jù)心電圖電極的數(shù)量而變化） ,常用測(cè)量信號(hào)的頻率范圍和數(shù)據(jù)量如表1所示。由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，通過(guò)In2ternet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，由專(zhuān)業(yè)醫(yī)療人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提供必要的咨詢(xún)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。如在救護(hù)車(chē)中，急救人員還可通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)急救病人情況的實(shí)時(shí)傳送，以利于醫(yī)院搶救室及時(shí)做好準(zhǔn)備工作。

表1 常用測(cè)量信號(hào)的頻率范圍和數(shù)據(jù)量

　　5　結(jié)　論

　　所設(shè)計(jì)的一種新的網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)護(hù)裝置及系統(tǒng)，可以減少監(jiān)護(hù)設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線(xiàn)，在獲得較準(zhǔn)確的測(cè)量指標(biāo)的同時(shí)，免除病人在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時(shí)，在醫(yī)院病房?jī)?nèi)建立無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，很多測(cè)試項(xiàng)目可在病床上完成，極大地方便病人就診。另外，本系統(tǒng)還具有高的靈活性和擴(kuò)展性，通過(guò)Internet可以使遠(yuǎn)離醫(yī)院等醫(yī)護(hù)機(jī)構(gòu)的病員也能隨時(shí)得到必要的醫(yī)療監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程醫(yī)生的咨詢(xún)指導(dǎo)。筆者將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)的軟件和硬件，以提高其穩(wěn)定性和實(shí)用性，同時(shí)也將根據(jù)特殊的需要定制開(kāi)發(fā)上層管理軟件以及完善醫(yī)療監(jiān)護(hù)管理平臺(tái)軟件。