淺析基于無線傳感器的無線醫(yī)療設備原理及應用

無線醫(yī)療設備能提高患者的舒適度和以前未所未有的方式對患者進行監(jiān)測。但首先，對功耗加以優(yōu)化尤為重要。

無線傳感器節(jié)點

無線設備已經(jīng)改變了我們的工作和休閑環(huán)境D它們也可能同樣改變我們的醫(yī)療設施。無線設備一個有趣的應用是無線傳感器節(jié)點，后者可以用來監(jiān)測心率、腦電波、體溫、血壓和其它生命體征。

目前，重癥監(jiān)護病房已使用人體傳感器來監(jiān)測病人和在病人的病情發(fā)生變化時提醒醫(yī)生。傳感器通過電纜連接到電腦。雖然在這種情況下這不算根本性問題，但是無線傳感器節(jié)點能夠讓醫(yī)院和其它地方的門診病人從中受益是顯而易見的事。

圖1：一款睡眠監(jiān)測系統(tǒng)由一條帶有三個傳感器節(jié)點的頭巾組成。這三個傳感器節(jié)點對兩路EGG通道(腦電圖)、兩路眼動電圖、一路肌動電圖進行測量，分別監(jiān)測大腦的活動、眼球的活動和下巴肌肉的活動。

目前，進行睡眠監(jiān)測試驗的患者必須戴上通過一束電線連接到電腦的傳感器，這會讓患者覺得不舒服。研究機構IMEC和霍爾斯特中心開發(fā)了一款頭巾式無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)有五個集成式傳感器，能采集和傳送做有效睡眠測試所需要的所有數(shù)據(jù)(圖1)。

這個裝置能改善患者在醫(yī)院進行睡眠測試過程中的舒適度，并且省去了電纜。荷蘭睡眠失調(diào)中心Kempenhaeghe已完成的測試表明，這款無線監(jiān)控系統(tǒng)能像有線系統(tǒng)一樣有效地運行。可以想象：在不太遠的將來，病人去看醫(yī)生時拿到一個睡眠測試帽，然后在家即可完成測試。再由睡眠失調(diào)專業(yè)醫(yī)師遠程分析結果。

圖2：在帽上中集成腦電圖傳感器，用于監(jiān)測癲癇患者

一旦無線傳感器節(jié)點成為主流，將會有大量的新應用涌現(xiàn)。傳感器節(jié)點可以被集成到諸多產(chǎn)品中，包括毛毯、汽車座椅和衣服等。例如，集成有腦電圖傳感器的棒球帽可以連續(xù)地測量癲癇病人的大腦活動(圖2)。襯衫也可以兼作心電圖監(jiān)測儀。無線傳感器節(jié)點有無限種用途。

要實現(xiàn)我們所設想的無線傳感器節(jié)點，仍需要進行大量研究和開發(fā)。其中一個難題與功耗有關。由于節(jié)點不是有線連接到電網(wǎng)的，所以必須使用電池。而電池的尺寸應盡可能小，以匹配集成到衣服中的微型系統(tǒng)。如果小尺寸不是第一考慮因素，那么把降低功耗意味著設備能支持更長時間的自主性或支持其它更多功能，而對植入式傳感器節(jié)點而言，電池能長期間使用是必需的。

圖3 ：傳感器節(jié)點的基本構成部件。

IMEC和霍爾斯特中心正在開發(fā)一款心電圖綁帶，該產(chǎn)品像運動員所用的傳統(tǒng)心臟監(jiān)測帶一樣使用。這款帶子不僅能監(jiān)測心跳，還可以記錄和傳送完整的心電圖。該設備可供有心臟病的戶外活動愛好者非常方便地使用，或在競技活動中使用(這款帶子已經(jīng)在布魯塞爾馬拉松里進行過測試)。目的難題在于要將系統(tǒng)小型化和實現(xiàn)足夠水平的自立性。根據(jù)應用的不同，可能是要能使用幾天或永久性使用。最終目標是要將這款電子心臟專家集成到一個小盒子中，而這個小盒子要能附著在一條帶子上(圖4)，或者能嵌入到一件襯衫里則更好。

圖4：IMEC和霍爾斯特中心已開發(fā)了一款心電圖帶子。研究人員目前正在試圖縮小其尺寸，同時提高其自主性。

功耗可通過檢查傳感器的單獨標準構件來預算心電圖傳感器節(jié)點的功率：傳感和讀取單元、無線通訊、數(shù)字信號處理器(DSP)和供電單元。顯然，節(jié)點中最耗電的是射頻芯片，射頻芯片負責傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸(圖5)。通常，實現(xiàn)無線通訊功能所耗費的功率占總功率預算的50%至85%。

圖5：對傳感器節(jié)點的構成部件做功耗分析的結果表明：傳感器節(jié)點中最耗能的是無線組件。

圖6：另一個降低傳感器節(jié)點功耗的途徑是使用專用的超低功率射頻組件來代替非專門設計的低功率射頻組件。若用IMEC的BAN射頻組件替代現(xiàn)貨供應的Zigbee這類射頻組件來傳輸未經(jīng)處理的心電圖，能將整個系統(tǒng)功率降低10倍。

無線傳感器節(jié)點面臨的挑戰(zhàn)因素

醫(yī)療/體育無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點包括：

•一個用來測量人體參數(shù)的傳感器(如，檢查血糖水平)

•一個用來執(zhí)行某個動作的執(zhí)行器(如，胰島素注射)

•一個將模擬傳感器的數(shù)據(jù)轉換成數(shù)字信號的模擬接口

•一個數(shù)字信號處理器(DSP)。實際上，DSP相當于一臺微型計算機，若有需要，它能收集所有數(shù)據(jù)，進行一些計算并做出決定(例如，如果血糖水平大于X，則注射y微升的胰島素)

•一個無線芯片，用于將數(shù)據(jù)無線傳送到手機或醫(yī)生的筆記本電腦

•由電池和電源管理電路組成的電源。對某些應用而言，可以增加能源收集設備，如，太陽能電池或振動能轉換器。

當你打開電費帳單，發(fā)現(xiàn)電視用電最多的時候，你會怎么做?是去買一臺節(jié)能型LED電視還是縮短電視的收看時間?IMEC和霍爾斯特中心的研究人員對傳感器節(jié)點無線采取了類似的策略。

超低功耗射頻技術

IMEC和霍爾斯特中心開發(fā)了幾類超低功率(ULP)射頻技術，每類技術針對一類不同的應用。這三種射頻架構能支持從高到低的數(shù)據(jù)速率。詳細內(nèi)容見下文。

開發(fā)出的第一項技術D基于脈沖的超寬帶(UWB)射頻技術，它是低功耗和中速數(shù)據(jù)傳送(100千字節(jié)/秒~20兆字節(jié)/秒)的獨特組合。超寬帶(UWB)射頻適用于傳感器數(shù)據(jù)與流媒體相結合的應用：有兩個應用例子，其中一個應用是一款能夠與MP3播放器進行通訊的心搏帶(當心率在慢跑期間加速時，播放節(jié)奏減弱的音樂)，另一個應用是與MP3播放器進行無線通信的助聽器。如果將ULP UWB無線射頻技術和監(jiān)測帶、助聽器和MP3播放器相結合，那么系統(tǒng)功耗小于5毫瓦且具有極佳抗干擾能力。相比用于中速數(shù)據(jù)傳送的商業(yè)低功耗無線射頻，UWB射頻系統(tǒng)的功耗降低了五倍。UWB 無線射頻工作在6~10千兆赫的無線電頻段。相比工作在2.45 ? GHz ISM頻段同類競爭藍牙設備，它要少很多干擾問題。

UWB射頻還有一個用處：定位。無線射頻信號覆蓋很廣，可以通過雷達這類方式確定設備所在位置。能在不需要基礎設施或三角測量(要得到準確定位至少需要三臺設備)的條件下定位一臺設備， 這在許多應用都是一種獨特功能。目前，仍需要使用多項技術才能實現(xiàn)內(nèi)部定位。

圖7：通過本地處理(見右圖)，減少了需要傳送的數(shù)據(jù)量。

第二類架構是一類窄帶BAN射頻(圖6)，適合于低速數(shù)據(jù)傳送(64，128，256，512和1024KB /秒)，其功耗甚至比UWB射頻還要低。該技術針對佩戴在身體上的傳感器節(jié)點進行了優(yōu)化。在數(shù)據(jù)傳送速率為1Mb/秒的情況下，其接收功耗為1mW，傳送功耗為0.9mW，沒有占空比。而若是采用Zigbee或其它技術，則系統(tǒng)的功耗會提高10到100倍。窄帶BAN工作在2.4GHz ISM或850~950UHF射頻波段。

第三種可選技術D喚醒射頻D針對極低數(shù)據(jù)傳輸速率和超低功耗(持續(xù)續(xù)工作時為60微瓦)而開發(fā)。該射頻技術可以和傳統(tǒng)射頻技術并行工作，在需要接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時打開開關。通過工作在這種方式省電。例如，手機上具有藍牙功能的射頻組件會不斷尋找藍牙設備，這樣會消耗很大功率。通過將藍牙射頻組件和喚醒射頻組件相結合，后者可以在它需要連接到另一個藍牙設備的時候啟動藍牙無線。一個潛在的醫(yī)學應用是，將其用于實現(xiàn)需要定期傳送數(shù)據(jù)到醫(yī)生電腦的植入式傳感器。

降低功耗

另一個降低無線傳感器節(jié)點功耗的方法是減少必須傳送到人體中央設備或筆記本電腦的數(shù)據(jù)量?？梢酝ㄟ^在節(jié)點內(nèi)本地處理一部分數(shù)據(jù)和發(fā)送少量經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)，而非傳送大量的原始傳感器數(shù)據(jù)來做到這點。另外一個優(yōu)點是，病人能及時獲得反饋。

圖8：通過在無線傳感器節(jié)點對數(shù)據(jù)進行本地處理，無線組件的功耗下降。但是，這會增大通用微處理器的功耗，兩者相抵消了。研究人員開發(fā)出了一款低功耗DSP來解決這一問題，該低功耗DSP針對處理生理參數(shù)進行了優(yōu)化。例如，若采用IMEC的BioDSP處理本地心電圖，則采用現(xiàn)貨Zigbee射頻的心電圖貼片的系統(tǒng)功耗將下降近10倍。

與人們的預測相反，當用通用微控制器執(zhí)行本地處理時，傳感器節(jié)點的功耗會增加。射頻組件的功耗會降低，原因是它沒有太多的數(shù)據(jù)要發(fā)送，而商用微控制器的功耗猛曾，原因是它沒有針對這類處理做優(yōu)化。基于這個原因，IMEC和霍爾斯特中心開發(fā)了一款專用超低功耗DSP，它針對腦電圖、心電圖、眼電圖及肌電圖等生理參數(shù)做了優(yōu)化。

超低功耗的嶄新未來

通過選擇正確的ULP 標準模塊，可顯著降低無線醫(yī)療設備的功耗。本文概述了兩種策略：

1.增加超低功耗射頻(UWB、BAN或喚醒射頻，針對中-低數(shù)據(jù)傳輸速率)可以將功耗減少10倍。

2.增加ULP DSP將功耗降低10倍，有些本地處理在設備或傳感器節(jié)點內(nèi)完成。

將ULP射頻和超低功耗DSP策略相結合，能使心電圖貼片的功耗降低18倍，讓我們更進一步接近廣泛使用的人體佩戴自主傳感器。