策論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用價值

趙紀(jì)生

(鄭州市第七人民醫(yī)院，河南 鄭州 450016)

近年來，伴隨無線通信技術(shù)、智能傳感技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)以及微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)等諸多領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，由此誕生的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸成為當(dāng)今社會人們所研究的熱門技術(shù)領(lǐng)域之一。并在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。尤其是將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在醫(yī)療設(shè)備當(dāng)中的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)越來越成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。

一 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本含義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即Wireless Sensor Network—WSN，是由在監(jiān)控區(qū)域密集分布的大量智能傳感器節(jié)點(diǎn)共同組構(gòu)而成的一種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器類型眾多，潛在的應(yīng)用范圍也比較廣泛，包括航空、軍事、救災(zāi)、醫(yī)療、保健以及工商業(yè)等，可以用來探測電磁、濕度、溫度、地震、噪聲、壓力、速度以及方向等諸多現(xiàn)象。

2.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括大規(guī)模、自由組織、動態(tài)性和可靠性四大特點(diǎn)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性是指，通常在監(jiān)測區(qū)域部署成千上萬的傳感器節(jié)點(diǎn)，以獲取精確的信息。這種大規(guī)模性不僅僅指傳感器節(jié)點(diǎn)在很大規(guī)模的地理區(qū)域內(nèi)進(jìn)行分布，還包括在一個很小的空間面積內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)被大量密集地加以部署。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的自由組織是指，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和拓?fù)淇刂茩C(jī)制，傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠自發(fā)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)。一般情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)投放的位置很難預(yù)先加以精確，節(jié)點(diǎn)之間的相鄰關(guān)系也難以預(yù)先測定，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自動管理以及配置的能力，進(jìn)行自由組織，以便適應(yīng)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性是指，傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨著電能耗盡、無線通信鏈路帶寬改變、新節(jié)點(diǎn)加入以及感知對象和觀察者的移動等因素而發(fā)生動態(tài)的變化。

傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠性是指，由于受到環(huán)境因素的影響，傳感器節(jié)點(diǎn)的維護(hù)極其困難，這就要求傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)牢固可靠，安全穩(wěn)定，具有一定的容錯性。

3.無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、感知現(xiàn)場、目標(biāo)以及匯聚節(jié)點(diǎn)四類。此外，它還可以通過對信網(wǎng)以及移動通信網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)的定義，再將數(shù)據(jù)或信令從遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元傳輸?shù)接脩?。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

而傳感器節(jié)點(diǎn)則是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心，通常由無線通信模塊、處理控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及能量供應(yīng)模塊組成，表示的是一個嵌入式的微型系統(tǒng)。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中無線通信模塊由無線收發(fā)器組成，其主要功能是與其他傳感器之間進(jìn)行控制信息的交換、數(shù)據(jù)的收發(fā)和采集以及無線通信等等;處理控制模塊由微處理器以及存儲器構(gòu)成，其主要功能是對自身采集或者其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及用來對整個傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制操作;數(shù)據(jù)采集模塊由A/D 轉(zhuǎn)換器以及傳感器組成，其主要功能是采集感知對象的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

二 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用

由于無線傳感器本身的簡便、快捷、費(fèi)用低以及實(shí)時采集數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，因此，它在醫(yī)院的藥物控制、藥品管理、輔助診斷、監(jiān)控病人以及醫(yī)生護(hù)士等行動狀態(tài)、遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測老年人以及嬰兒和發(fā)病隱患人群的健康狀況甚至包括遠(yuǎn)程治療等等諸多醫(yī)療方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療方面的應(yīng)用所具有的優(yōu)點(diǎn)

首先，將微型傳感器節(jié)點(diǎn)置于病人身上用來檢測他們的身體參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測病人的心率、血壓、心電、心音等等生理參數(shù)，并能迅速地向建湖中心傳輸所匯總的數(shù)據(jù)信息，以便醫(yī)院監(jiān)護(hù)人員根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)反饋的病人信息對病人的突發(fā)病況做出及時的處理。其次，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對被觀察者的機(jī)體生理數(shù)據(jù)進(jìn)行長期收集，有助于醫(yī)院能夠更多地了解被觀察者的健康狀況，同時對醫(yī)院研究人體疾病還具有很大的幫助。再次，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對于醫(yī)院的血液管理、藥品研制和藥物管理等方面，也起到極其重要的作用。最后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因?yàn)槠滟M(fèi)用較低、簡單方便等優(yōu)點(diǎn)，還對未來遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有很大的推動作用。

2.醫(yī)療體系基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)

醫(yī)療體系基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)、SINK 醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站和監(jiān)護(hù)中心等三大部分。其中監(jiān)護(hù)中心包括社區(qū)或者醫(yī)院等。個人、家庭或者病房的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)和監(jiān)護(hù)基站構(gòu)成，而由這些眾多的個人、家庭或者病房無線傳感器網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成整個醫(yī)院或者整個社區(qū)乃至更大范圍的的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。

醫(yī)療體系基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)過程是:首先，由醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)對人體的心率、血壓、心電、心音等等生理參數(shù)進(jìn)行采集，并將所采集的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理;然后利用無線通信將簡單處理過的數(shù)據(jù)通過直接或間接逐跳的方式傳送到監(jiān)護(hù)基站;接著，數(shù)據(jù)再由監(jiān)護(hù)基站進(jìn)一步處理之后向監(jiān)護(hù)中心轉(zhuǎn)發(fā);最后，監(jiān)護(hù)中心接收到數(shù)據(jù)信息并加以分析和處理，再及時將信息反饋給病人。此外，為了與其他監(jiān)護(hù)中心完成數(shù)據(jù)信息的共享，該監(jiān)護(hù)中心還可以采取Internet 或者移動通信網(wǎng)絡(luò)等方式將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。

3.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)主要是用來采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過射頻通信傳送到監(jiān)護(hù)基站。醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電源、處理器單元、生理信息數(shù)據(jù)采集單元以及無線數(shù)據(jù)通信單元等四大部分構(gòu)成。其中處理單元又包括A/D 轉(zhuǎn)換、CPU、儲存器、數(shù)碼顯示屏以及測試帶五部分構(gòu)成。存儲器的主要功能是將傳感器采集的臨時數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并交由處理器對數(shù)據(jù)加以處理。由測試帶傳輸?shù)哪M信號要用ADC12 和DAC12 加以數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的工作原理是:第一，由無線數(shù)據(jù)通信單元將控制單元發(fā)出開始檢測某項(xiàng)生理參數(shù)的指令傳送到生理信息以及數(shù)據(jù)采集單元，開始對人體的血壓、脈搏、體溫等生理信號進(jìn)行采集。第二，采集的信息數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)通信單元向控制單元的信息處理模塊控制以及顯示單元傳輸，在控制單元以及顯示單元處理并顯示所接收到數(shù)據(jù)的同時，還將處理之后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，進(jìn)行回放以及檢索。圖3為醫(yī)療傳感節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 醫(yī)療傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中，無線數(shù)據(jù)通信單元以及生理信息數(shù)據(jù)采集單元是醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的核心單元。

對于無線數(shù)據(jù)通信單元在設(shè)計(jì)時，需要對其工作強(qiáng)度加以控制，保證在正常情況下，無線信號可以滿足通信的需要但又不會對其他設(shè)備造成干擾。如射頻通信裝置的核心射頻通信模塊使用CC2420 芯片，其工作的免費(fèi)ISM 頻段在2.4GHz，射頻收發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)，滿足射頻通信的要求。

而對于生理信息數(shù)據(jù)采集單元在設(shè)計(jì)時，為了實(shí)現(xiàn)傳感器擴(kuò)展，其無線節(jié)點(diǎn)留出了豐富的接口，在采集心電、血壓以及血氧等多種類型生理指標(biāo)數(shù)據(jù)時，只要在預(yù)留接口上接入相對應(yīng)的傳感器，便可使新的無線醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)形成。

4.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站設(shè)備的設(shè)計(jì)

醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站主要由存儲器、處理器、通信模塊接口和人機(jī)交互模塊等幾大部分構(gòu)成。其主處理器可以采用超低功耗、處理速度高以及接口豐富的MSP430 系列。人機(jī)交互接口由顯示數(shù)據(jù)和操作過程的LCD 顯示屏以及用戶輸入指令的鍵盤兩大部分組成。監(jiān)護(hù)基站的通信模塊接口一般有GSM 短消息接口模塊、射頻接口模塊、modem 接口模塊等等。

此外，監(jiān)護(hù)基站設(shè)備通常都采用電池供電，系統(tǒng)停止工作時，設(shè)備的功耗會大大降低，因此具有節(jié)能的效果。

三 醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用價值

無線傳感網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。在傳輸被監(jiān)護(hù)人生理信息數(shù)據(jù)時，通過采取無限多通道數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，大大縮短了監(jiān)護(hù)設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線距離，一方面可以獲得精準(zhǔn)的測量數(shù)據(jù)，另一方面還能避免病人來回奔波。同時，通過建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以在病床上完成對病人的多項(xiàng)身體指標(biāo)測試，使得病人的就診變得更加方便，并在很大一定程度上提高了醫(yī)院的信息化管理水平和就診效率。

此外，通過建立醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠讓那些距離醫(yī)院等醫(yī)護(hù)機(jī)構(gòu)較遠(yuǎn)的病人可以實(shí)時地得到自身的生理指標(biāo)監(jiān)測，在必要時，還能及時地得到遠(yuǎn)程醫(yī)生的監(jiān)護(hù)和指導(dǎo)。

這種全新的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)體系是一個以醫(yī)院作為核心，全面分布到社區(qū)、家庭以及個人的有機(jī)整體。該系統(tǒng)在醫(yī)院的輔助診斷、監(jiān)控病人、遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測老年人以及嬰兒和發(fā)病隱患人群的健康狀況、遠(yuǎn)程治療等方面均起著很大的作用，同時還可以確保醫(yī)院內(nèi)外的病人能夠及時得到專業(yè)的診斷、指導(dǎo)以及治療，從而使得醫(yī)療水平大幅度提升。

四 結(jié)束語

伴隨無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸向著微型化、集成化和智能化方向發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性越來越明顯，甚至在未來的諸多領(lǐng)域通過部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)均可以完成人們眼中異常困難的任務(wù)。因此，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于人力難以完成的醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今國內(nèi)外醫(yī)療部門所關(guān)注的焦點(diǎn)。

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