無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監護系統設計原理及方案

醫療傳感器節點(diǎn)的設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network)是一項綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現代網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)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)具有廣泛的應用場(chǎng)景。

隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，WSN(Wireless Sensor Network)將會(huì )在醫療實(shí)踐的許多方面產(chǎn)生深遠影響。本文主要闡述無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )醫療監護系統的體系結構以及監護節點(diǎn)設計的一般原則。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的體系結構

在監測區域內布置大量傳感器節點(diǎn)，節點(diǎn)間采用自組織方式進(jìn)行組網(wǎng)以及利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行數據轉發(fā)，每個(gè)節點(diǎn)都具有數據采集與數據融合轉發(fā)雙重功能。節點(diǎn)對本身采集到的信息和其它節點(diǎn)轉發(fā)給它的信息進(jìn)行初步的數據處理和信息融合之后以相鄰節點(diǎn)接力傳送的方式傳送到基站，然后通過(guò)基站以互聯(lián)網(wǎng)、衛星等方式傳送給最終用戶(hù)。

節點(diǎn)是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本功能單元，具體應用不同，節點(diǎn)的設計也不盡相同。傳感器節點(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，根據具體應用要求可以添加功能單元，如：定位系統、移動(dòng)系統以及電源自供電系統等。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在醫療中的應用情況

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )利用其自身的優(yōu)點(diǎn)(如低費用、簡(jiǎn)便、快速、實(shí)時(shí)無(wú)創(chuàng )的采集患者的各種生理參數等等)，使其在醫療研究、醫院普通／ICU病房或者家庭日常監護等領(lǐng)域中有很大的發(fā)展潛力，是目前研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

在病人身上放置用于檢測人體參數的微型傳感器節點(diǎn)，可對病人的心率、血壓、心電、心音等生理參數進(jìn)行遠程實(shí)時(shí)監測，并將信息匯總傳送給監護中心，進(jìn)行及時(shí)處理與反饋；利用WSN長(cháng)期收集被觀(guān)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為未來(lái)的遠程醫療監護系統提供了更加簡(jiǎn)便、低費用的實(shí)現手段。

基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的醫療體系結構

基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的醫療監護系統主要由醫療傳感器節點(diǎn)、醫療監護基站(醫療SINK節點(diǎn))以及社區／醫院監護中心這幾個(gè)部分組成。

醫療傳感器節點(diǎn)與監護基站組成個(gè)人／家庭或者病房無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，多個(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò )可以組成社區或整個(gè)醫院監護網(wǎng)絡(luò )，甚至更大范圍的遠程醫療監護系統。首先，醫療傳感器節點(diǎn)采集人體生理參數，并對采集到參數簡(jiǎn)單處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式直接或者間接逐跳方式把數據傳輸到基站上。監護基站對數據進(jìn)行進(jìn)一步處理后轉發(fā)給監護中心，監護中心進(jìn)行分析處理，并及時(shí)對病人進(jìn)行信息反饋。監護中心還可以采用多種方式(Internet，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )等)進(jìn)行遠程數據傳輸，與其它監護中心共享信息。

醫療傳感器節點(diǎn)的設計

醫療傳感器節點(diǎn)的基本結構包括處理模塊、傳感器模塊和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊以及電源供電模塊。

傳感器模塊用來(lái)進(jìn)行外部傳感器信號的感知、采集、轉換。是整個(gè)節點(diǎn)真正與外部信號量接觸的模塊。然而，醫用傳感器是以生命體為測量對象。尤其是人體，可以說(shuō)是世界上最復雜的系統，各生理變量間存在著(zhù)高度的相關(guān)性而且不易接近。所以醫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(shí)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?chē)嬖?0 Hz的電磁場(chǎng)引起的)以及各種雜音等不利因素。因此，在具體醫療傳感器節點(diǎn)設計中，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(A／D)轉換電路等。在節點(diǎn)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(mǎn)足電路簡(jiǎn)潔、合理的截止頻率、靈活方便的調節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(chēng)性雙T阻容有源陷波器或用集成開(kāi)關(guān)電容器件以及非對稱(chēng)阻容網(wǎng)絡(luò )陷波器等?？傊?，模擬電路處理模塊主要對采集到的信號進(jìn)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點(diǎn)的核心，負責整個(gè)節點(diǎn)的設備控制、任務(wù)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。在節點(diǎn)設計中，必須編程實(shí)現處理器模塊對傳感模塊采集控制、A／D轉換的實(shí)現以及控制無(wú)線(xiàn)通信模塊的收發(fā)。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊用于節點(diǎn)之間的數據通信。在無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域應用較多的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊為Chipcon公司的CCl000、CC2420、CC2430。常用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有：IEEE 802．1lb、IEEE 802．15．4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA(紅外線(xiàn))等。監護系統大多采用IEEE 802．15．4(ZigBee)、藍牙來(lái)實(shí)現節點(diǎn)以及節點(diǎn)與基站之間的數據通信。

電源模塊為節點(diǎn)提供能量，是整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的基礎模塊。然而，受節點(diǎn)體積限制，傳感器節點(diǎn)的能量非常有限。因此，在整個(gè)節點(diǎn)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(lái)節省能量。另外，醫療傳感器節點(diǎn)不能頻繁更換電池，影響人的正常生活。所以，所設計的醫療節點(diǎn)應該具有較長(cháng)的生命周期。

醫療無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )監護系統存在的挑戰

盡管無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在組建醫療監護系統方面有其獨有優(yōu)勢，但應用到實(shí)際醫療中還存在以下挑戰：

動(dòng)態(tài)組網(wǎng)與大規模網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)移動(dòng)性管理：當監護系統擴展到社區、城市甚至全國時(shí)，其網(wǎng)絡(luò )規模巨大，并且監護節點(diǎn)與基站都具有一定的移動(dòng)性。因此，必須設計一種合適的網(wǎng)絡(luò )拓撲管理結構以及節點(diǎn)移動(dòng)性管理方法。

數據完整性與數據壓縮：節點(diǎn)有時(shí)需要長(cháng)達24小時(shí)的監測人體參數，節點(diǎn)所采集到的數據量大，而節點(diǎn)的存儲容量小，常采用壓縮算法來(lái)減少數據的存儲與傳輸量。然而，傳統數據的壓縮算法開(kāi)銷(xiāo)太大不適合傳感器節點(diǎn)。另外，壓縮算法不能損壞原始數據，否則會(huì )造成對病人的錯誤診斷。

數據安全性：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(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，傳感器節點(diǎn)計算能力相當有限，傳統的安全和加密技術(shù)都不適用。因此，必須設計一種適合傳感器節點(diǎn)的加解密算法。

總結與展望

隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)醫療傳感器節點(diǎn)逐漸向多參數、智能化、微型化、低功耗等方向發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )也將逐漸被實(shí)際應用于醫療領(lǐng)域。發(fā)展與組建具有智能化的病房與社區監護系統是當今國內外醫療發(fā)展的趨勢。