基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方案

醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)是一項(xiàng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)的新興技術(shù)，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

隨著技術(shù)的發(fā)展，WSN(Wireless Sensor Network)將會(huì)在醫(yī)療實(shí)踐的許多方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本文主要闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般原則。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置大量傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間采用自組織方式進(jìn)行組網(wǎng)以及利用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)雙重功能。節(jié)點(diǎn)對(duì)本身采集到的信息和其它節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給它的信息進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后以相鄰節(jié)點(diǎn)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(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元，具體應(yīng)用不同，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也不盡相同。傳感器節(jié)點(diǎn)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(yīng)用要求可以添加功能單元，如：定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療中的應(yīng)用情況

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用其自身的優(yōu)點(diǎn)(如低費(fèi)用、簡便、快速、實(shí)時(shí)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(hù)等領(lǐng)域中有很大的發(fā)展?jié)摿?，是目前研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

在病人身上放置用于檢測(cè)人體參數(shù)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，可對(duì)病人的心率、血壓、心電、心音等生理參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將信息匯總傳送給監(jiān)護(hù)中心，進(jìn)行及時(shí)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(duì)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(dú)特的應(yīng)用?？傊?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提供了更加簡便、低費(fèi)用的實(shí)現(xiàn)手段。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療體系結(jié)構(gòu)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站(醫(yī)療SINK節(jié)點(diǎn))以及社區(qū)／醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心這幾個(gè)部分組成。

醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)護(hù)基站組成個(gè)人／家庭或者病房無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，多個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)可以組成社區(qū)或整個(gè)醫(yī)院監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，甚至更大范圍的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。首先，醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)采集人體生理參數(shù)，并對(duì)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(hù)基站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理后轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)護(hù)中心，監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行分析處理，并及時(shí)對(duì)病人進(jìn)行信息反饋。監(jiān)護(hù)中心還可以采用多種方式(Internet，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，與其它監(jiān)護(hù)中心共享信息。

醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)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(jìn)行外部傳感器信號(hào)的感知、采集、轉(zhuǎn)換。是整個(gè)節(jié)點(diǎn)真正與外部信號(hào)量接觸的模塊。然而，醫(yī)用傳感器是以生命體為測(cè)量對(duì)象。尤其是人體，可以說是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)，各生理變量間存在著高度的相關(guān)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(yù)測(cè)生理量，得出可靠而有意義的測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)又要確保被測(cè)對(duì)象的安全。
由于人體參數(shù)大多是微弱信號(hào)，一般只有幾mV級(jí)別，甚至更低，并且存在多種噪聲(測(cè)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(cè)量環(huán)境周圍存在50 Hz的電磁場(chǎng)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(diǎn)設(shè)計(jì)中，加入模擬電路處理模塊，該模塊一般包括以下幾個(gè)部分：放大電路、濾波電路、陷波電路以及模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換電路等。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中放大電路一般采用多級(jí)放大(三級(jí)或四級(jí))，末級(jí)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(yīng)滿足電路簡潔、合理的截止頻率、靈活方便的調(diào)節(jié)高低通截止頻率等要求，合理的濾掉信號(hào)中的高頻與低頻干擾；陷波電路：目前廣泛采用對(duì)稱性雙T阻容有源陷波器或用集成開關(guān)電容器件以及非對(duì)稱阻容網(wǎng)絡(luò)陷波器等?？傊?，模擬電路處理模塊主要對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、陷波等處理，去除信號(hào)中的噪音、干擾，提取出有用信號(hào)。

處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備控制、任務(wù)分配與調(diào)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(jī)、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(jī)。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，必須編程實(shí)現(xiàn)處理器模塊對(duì)傳感模塊采集控制、A／D轉(zhuǎn)換的實(shí)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(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。在無線領(lǐng)域應(yīng)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(shù)有：IEEE 802．1lb、IEEE 802．15．4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA(紅外線)等。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)大多采用IEEE 802．15．4(ZigBee)、藍(lán)牙來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與基站之間的數(shù)據(jù)通信。

電源模塊為節(jié)點(diǎn)提供能量，是整個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)模塊。然而，受節(jié)點(diǎn)體積限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量非常有限。因此，在整個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)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(diǎn)不能頻繁更換電池，影響人的正常生活。所以，所設(shè)計(jì)的醫(yī)療節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有較長的生命周期。

醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在的挑戰(zhàn)

盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組建醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)方面有其獨(dú)有優(yōu)勢(shì)，但應(yīng)用到實(shí)際醫(yī)療中還存在以下挑戰(zhàn)：

動(dòng)態(tài)組網(wǎng)與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理：當(dāng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)擴(kuò)展到社區(qū)、城市甚至全國時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，并且監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)與基站都具有一定的移動(dòng)性。因此，必須設(shè)計(jì)一種合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾斫Y(jié)構(gòu)以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理方法。

數(shù)據(jù)完整性與數(shù)據(jù)壓縮：節(jié)點(diǎn)有時(shí)需要長達(dá)24小時(shí)的監(jiān)測(cè)人體參數(shù)，節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)量大，而節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量小，常采用壓縮算法來減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(diǎn)。另外，壓縮算法不能損壞原始數(shù)據(jù)，否則會(huì)造成對(duì)病人的錯(cuò)誤診斷。

數(shù)據(jù)安全性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)計(jì)算能力相當(dāng)有限，傳統(tǒng)的安全和加密技術(shù)都不適用。因此，必須設(shè)計(jì)一種適合傳感器節(jié)點(diǎn)的加解密算法。

總結(jié)與展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，無線醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)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(luò)也將逐漸被實(shí)際應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。發(fā)展與組建具有智能化的病房與社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是當(dāng)今國內(nèi)外醫(yī)療發(fā)展的趨勢(shì)。