基于WSN的醫院病人實(shí)時(shí)監護系統

隨著(zhù)城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，大型醫院病人的日益增多，現有的病人病情監護機制已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要，因其不能實(shí)時(shí)對病人的狀況進(jìn)行監護，造成耽誤救治、誤診時(shí)有發(fā)生。人們對醫療健康的關(guān)注和高質(zhì)量醫療服務(wù)的需求，使得基于WSN 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)醫療監護也越來(lái)越受到人們重視。ZigBee 技術(shù)在構建智慧醫療無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )時(shí)，具有獨特的優(yōu)勢。能實(shí)時(shí)的獲取病人的生命特征數據，并通過(guò)智能終端設備，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )向護士、醫生、控制中心實(shí)時(shí)傳輸。

1 Zigbee技術(shù)

Zigbee 技術(shù)近年來(lái)在無(wú)線(xiàn)傳感領(lǐng)域應用非常廣泛。IEEE802.15.4 協(xié)議標準定義了它的PHY 層和MAC層，ZigBee 聯(lián)盟制定了網(wǎng)絡(luò )層、安全和應用層標準，用戶(hù)可根據自己的應用需求進(jìn)行應用層開(kāi)發(fā)。網(wǎng)絡(luò )的工作頻段分為868MHz,915MHz 和2.4GHz 共3 個(gè)頻段。在通信上，采用CAMA/CA(免沖突多載波信道)接入方式，有效避免了無(wú)線(xiàn)電載波間的沖突;能實(shí)現密鑰長(cháng)度為128 位的加密算法對數據進(jìn)行加密，確保了通信數據的安全保密性。網(wǎng)絡(luò )拓撲結構有星形、樹(shù)形和網(wǎng)絡(luò )形，能實(shí)現自動(dòng)組網(wǎng)、多跳路由。滿(mǎn)足了醫院病人實(shí)時(shí)監護的組網(wǎng)需求。

Zigbee 技術(shù)在組網(wǎng)時(shí)的特點(diǎn)：

① 低功耗：在低耗電待機模式下，2 節5 號干電池可支持1 個(gè)節點(diǎn)工作6~24 個(gè)月，甚至更長(cháng)。

低成本：通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議，降低了對通信控制器的要求，ZigBee 免協(xié)議專(zhuān)利費，每塊芯片的價(jià)格大約為2 美元。

② 低速率：ZigBee 工作在20~250 kbps 的較低速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數據吞吐率，滿(mǎn)足低速率傳輸數據的應用需求。

③ 近距離：相鄰節點(diǎn)間的傳輸范圍一般介于10~100 m 之間，在增加RF 發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km.如果通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

④ 短時(shí)延：ZigBee 的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms,節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30 ms .

⑤ 高容量：ZigBee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254 個(gè)子節點(diǎn);同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65000 個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng)。

⑥ 高安全：提供了三級安全模式，包括無(wú)安全設定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱(chēng)密碼。

⑦ 免執照頻段：采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫療(ISM) 頻段，2.4 GHz(全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲)。

2 系統及網(wǎng)絡(luò )結構

本文設計的醫院病人實(shí)時(shí)監護系統分為三層：病人所攜帶的各種傳感器構成的感知層、Zigbee 技術(shù)構建的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )層、控制中心的應用層(如圖1 所示)。

圖1 系統及網(wǎng)絡(luò )結構圖

當病人攜帶無(wú)線(xiàn)監護器(傳感器)和智能終端設備在醫院的病區和公共區域活動(dòng)時(shí)，各種傳感器能實(shí)時(shí)記錄穩定狀態(tài)、空間位置(定位)、心率、體溫、呼吸等人體生命特征數據，通過(guò)Zigbee 網(wǎng)絡(luò )上傳到控制中心，得到醫護人員的實(shí)時(shí)監護。

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )由協(xié)調器節點(diǎn)(控制中心)，適當數目的路由器節點(diǎn)(路由)和大量的終端節點(diǎn)(手持智能終端)組成，如果地理空間較大的話(huà)，也可以多協(xié)調器組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式具有極好的靈活性，病人持有的終端節點(diǎn)進(jìn)入相應的路由區域都能自動(dòng)組網(wǎng)。GPRS模塊給遠離醫院的醫護人員能不間斷的監護提供了可能。

若綜合考慮經(jīng)濟等方面因素，各種傳感器(數字脈搏傳感器、數字體溫傳感器、血壓傳感器、呼吸傳感器、數字三軸加速度傳感器、RSSI 定位傳感器)可部分設計在病人手持智能終端上，也可單獨設計成產(chǎn)品。手持智能終端預留接口，靈活選配使用。

3 系統設計

3.1 硬件設計

3.1.1 病人手持智能終端

病人手持智能終端基于TI 公司的CC2530芯片開(kāi)發(fā)，CC2530 芯片廣泛應用在2.4-GHz IEEE 802.15.4系統、RF4CE 遙控制系統、ZigBee 系統、低功耗無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、消費類(lèi)電子和衛生保健。CC2530 需要實(shí)現的功能以及外圍模塊主要有3 個(gè)部分：通過(guò)A/D 口控制傳感器模塊進(jìn)行數據采集;控制無(wú)線(xiàn)RF 模塊完成數據收發(fā);通過(guò)I/O 口相應主機控制。傳感器采集的數據也可通過(guò)I/O 口與微處理器相連，通過(guò)RS232接口可實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)與PC 機的通信。

由于CC2530 芯片內集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡(jiǎn)潔(如圖2)。其中，主時(shí)鐘晶振采用32mhz 無(wú)源晶振以及32.768khz時(shí)鐘晶振;無(wú)線(xiàn)RF 模塊外圍電路采用無(wú)巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò )，天線(xiàn)使用50 歐鞭狀負極性天線(xiàn)。且將數字三軸加速度傳感器和RSSI 定位傳感器集成在智能終端上。

圖2 CC2530 外圍電路圖

3.1.2 路由

基于TI 公司的CC2530 芯片開(kāi)發(fā)，采用高性能的工業(yè)級32 位通信處理器、工業(yè)級蜂窩無(wú)線(xiàn)模塊和ZigBee 模塊，以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統為軟件支撐平臺，同時(shí)提供RS232(或RS485/RS422)、以太網(wǎng)和ZigBee接口，可同時(shí)連接串口設備、以太網(wǎng)設備和ZigBee 設備，實(shí)現數據透明傳輸功能和路由功能。

3.1.3 醫護人員手持智能終端

可采用ARM+WinCE 架構，提供Zigbee、GPRS、藍牙、串口、USB 等多方式的網(wǎng)絡(luò )接口，集成化軟件服務(wù)平臺，方便醫護人員透明化的應用。

3.1.4 控制中心

控制中心由CC2530 和PC 機構成，CC2530 作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器，負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的建立和管理。

病人的生命參數指標和呼叫信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)到控制中心進(jìn)行集中顯示，并通過(guò)串口傳至PC 機進(jìn)行存儲以便進(jìn)行查詢(xún)。生命特征數據偏離了正常值而自動(dòng)產(chǎn)生的報警信息會(huì )發(fā)至對應醫護人員的手持設備上。

3.2 軟件設計

3.2.1 系統網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)流程圖

基于Zigbeer 技術(shù)能實(shí)現自組網(wǎng)功能，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(控制中心)、路由節點(diǎn)和終端節點(diǎn)在啟動(dòng)時(shí)，能根據自身狀態(tài)自動(dòng)組網(wǎng)或加入網(wǎng)絡(luò )(圖3)。

圖3 系統網(wǎng)絡(luò )啟動(dòng)流程圖

3.2.2 傳輸生命特征數據原理

只要病人身上攜帶有無(wú)線(xiàn)監護器，相應傳感設備就能自動(dòng)發(fā)出代表病人身份的信號和生命特征數據。

手持智能終端就將病人的身份信息發(fā)送到最近的路由節點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到數據中心站，確認身份后，病人當前的生命特征數據(如體溫、心跳、血壓、呼吸狀態(tài)等)就會(huì )發(fā)送給控制中心。

3.2.3 數字三軸加速度平衡檢測算法

三軸加速度傳感器工作時(shí)，敏感元件將被測點(diǎn)的加速度信號轉換為成比例的電信號，進(jìn)入信號調整電路進(jìn)行放大調整、改善信號的信噪比，再進(jìn)入單片機，由軟件控制單片機內的多路選擇器將3 個(gè)軸的信號分時(shí)輸入A/D 轉換器，進(jìn)行模數轉換得到數字信號，然后，RS422 接口串行輸出到上位機。

以Z 軸對應人體直立時(shí)的垂直軸，X 軸對應人體的前后向水平軸，Y 軸對應人體左右側向水平軸， X、Y、Z 軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y、Z 三個(gè)方向上的分量變化，在直角坐標系下從人體由直立狀態(tài)變?yōu)榻舆M(jìn)水平狀態(tài)、人體較長(cháng)時(shí)間處于接近水平狀態(tài)、加速度的變化速度較快三個(gè)方面，通過(guò)閾值來(lái)判斷是否發(fā)生跌倒。

3.2.4 RSSI 定位算法

根據定位機制不同，定位算法總體上可分為2 類(lèi)：

① 基于測量距離(range-based)的定位算法，通過(guò)測量節點(diǎn)間的距離或角度信息使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法計算節點(diǎn)位置，其定位精度較高，比較常用的測距技術(shù)有RSSI、TOA、TDOA 和AOA.

② 不需要測距算法(range-free)，利用節點(diǎn)間的鄰近關(guān)系和連通性實(shí)現定位的算法，定位精度較低，如DV-hop 算法、GPS-less LCO 算法等。

3.2.5 醫護人員手持智能終端系統設計

醫護人員智能終端系統選用帶有觸屏的ARM9 開(kāi)發(fā)板，內置Windows CE 6.0 操作系統，用。NET 編寫(xiě)的用戶(hù)界面程序。主要實(shí)現如下功能：

病人信息查詢(xún)：通過(guò)觸摸屏進(jìn)行瀏覽，可查詢(xún)出病人的名稱(chēng)、入院時(shí)間、病情、診斷信息等。

用藥提醒：提醒病人按時(shí)服藥。

服務(wù)呼叫：對突發(fā)的情況，提供呼叫服務(wù)功能。

治療記錄：病人治療過(guò)程在線(xiàn)記錄。

4 實(shí)驗與數據分析

4.1 Zigbee 網(wǎng)絡(luò )(模塊)組網(wǎng)測試

本實(shí)驗基于文中(圖1)構建的網(wǎng)絡(luò )結構，利用病人手持智能終端外接溫度傳感器進(jìn)行數據采樣、發(fā)送，輔助器材(如電吹風(fēng))產(chǎn)生不同的溫度值，控制中心進(jìn)行數據接收，實(shí)驗數據如下：(×表數據丟失)。

表1 網(wǎng)絡(luò )測試數據表

從實(shí)驗數據分析可知，在80 米范圍內，本網(wǎng)絡(luò )能正確的進(jìn)行數據傳輸，當通信距離接近100 米時(shí)，會(huì )產(chǎn)生數據丟失。因此，在構建WSN 時(shí)，應保證相鄰路由節點(diǎn)間的距離不應大于160 米。在Zigbee 模塊沒(méi)有增加RF 發(fā)射功能時(shí)，節點(diǎn)間距離在100 米以?xún)茸罘€定。

表2 智能終端傳感測試數據表

4.2 病人手持智能終端性能測試

由于病人手持智能終端可外接的傳感器較多，本實(shí)驗只選取手持智能終端上集成的數字三軸加速度傳感器進(jìn)行性能測試。

測試過(guò)程由6 個(gè)志愿者協(xié)助，攜帶樣機就向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒、向右跌倒四個(gè)姿勢進(jìn)行，控制中心進(jìn)行相關(guān)信息的獲取。

從這個(gè)實(shí)驗中可以看出基于CC2530+數字三軸加速度傳感器的解決方案能夠有效地對跌倒狀態(tài)進(jìn)行檢測。當然，這里只是一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗方案，對于其它的傳感器同樣需要進(jìn)行更加全面、有效和長(cháng)期的實(shí)驗來(lái)驗證該解決方案的可靠性。

5 總結

無(wú)線(xiàn)醫療監護系統能使醫院和醫護人員實(shí)時(shí)的掌握病人信息、生命特征數據，及時(shí)響應實(shí)發(fā)事件(如跌倒、走失、呼救等)、人性化的管理病人。同時(shí)，病人能自由組合的使用各種傳感監護器監護自身的各種生命參數指標，對治療的效果和進(jìn)程明晰，能緩解治療情緒，有利于治療，該系統有著(zhù)廣泛的實(shí)用性和社會(huì )需求。