無線傳感器網絡監(jiān)護系統(tǒng)設計原理及方案

醫(yī)療傳感器節(jié)點的設計

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)是一項綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、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生深遠影響。本文主要闡述無線傳感器網絡醫(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以及利用無線通信技術進行數據轉發(fā)，每個節(jié)點都具有數據采集與數據融合轉發(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據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網、衛(wèi)星等方式傳送給最終用戶。

節(jié)點是無線傳感器網絡的基本功能單元，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。

無線傳感器網絡在醫(yī)療中的應用情況

無線傳感器網絡利用其自身的優(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Γ悄壳把芯款I域的熱點。

在病人身上放置用于檢測人體參數的微型傳感器節(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據，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?？傊?，無線傳感器網絡為未來的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)提供了更加簡便、低費用的實現手段。

基于無線傳感器網絡的醫(yī)療體系結構

基于無線傳感器網絡的醫(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絡，多個這樣的網絡可以組成社區(qū)或整個醫(yī)院監(jiān)護網絡，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，并對采集到參數簡單處理后，通過無線通信的方式直接或者間接逐跳方式把數據傳輸到基站上。監(jiān)護基站對數據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，移動通信網絡等)進行遠程數據傳輸，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象中取出預測生理量，得出可靠而有意義的測量數據，同時又要確保被測對象的安全。

由于人體參數大多是微弱信號，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(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絡陷波器等?？傊M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、數據整合與傳輸等。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，必須編程實現處理器模塊對傳感模塊采集控制、A／D轉換的實現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)點之間的數據通信。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)、藍牙來實現節(jié)點以及節(jié)點與基站之間的數據通信。

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)療無線傳感器網絡監(jiān)護系統(tǒng)存在的挑戰(zhàn)

盡管無線傳感器網絡在組建醫(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)組網與大規(guī)模網絡中節(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絡拓撲管理結構以及節(jié)點移動性管理方法。

數據完整性與數據壓縮：節(jié)點有時需要長達24小時的監(jiān)測人體參數，節(jié)點所采集到的數據量大，而節(jié)點的存儲容量小，常采用壓縮算法來減少數據的存儲與傳輸量。然而，傳統(tǒng)數據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據，否則會造成對病人的錯誤診斷。

數據安全性：無線傳感器網絡節(jié)點采用自組織方式組網，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、智能化、微型化、低功耗等方向發(fā)展，無線傳感器網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。