策论无线传感器网络在医疗设备中的应用价值

2013-08-12赵纪生

河南科技 2013年10期

赵纪生

(郑州市第七人民医院，河南郑州 450016)

近年来，伴随无线通信技术、智能传感技术、嵌入式计算机以及微机电系统技术等诸多领域的迅猛发展，由此诞生的无线传感器网络技术逐渐成为当今社会人们所研究的热门技术领域之一。并在许多领域都有广泛的应用前景。尤其是将无线传感器网络应用在医疗设备当中的关键技术，已经越来越成为人们所关注的焦点。

一无线传感器网络的概念

1.无线传感器网络的基本含义

无线传感器网络，即Wireless Sensor Network—WSN，是由在监控区域密集分布的大量智能传感器节点共同组构而成的一种网络应用系统。无线传感器网络的传感器类型众多，潜在的应用范围也比较广泛，包括航空、军事、救灾、医疗、保健以及工商业等，可以用来探测电磁、湿度、温度、地震、噪声、压力、速度以及方向等诸多现象。

2.无线传感器网络的主要特点

无线传感器网络主要包括大规模、自由组织、动态性和可靠性四大特点。

传感器网络的大规模性是指，通常在监测区域部署成千上万的传感器节点，以获取精确的信息。这种大规模性不仅仅指传感器节点在很大规模的地理区域内进行分布，还包括在一个很小的空间面积内，传感器节点被大量密集地加以部署。

传感器网络的自由组织是指，通过网络协议和拓扑控制机制，传感器网络能够自发形成转发监测数据。一般情况下，传感器节点投放的位置很难预先加以精确，节点之间的相邻关系也难以预先测定，这就要求传感器节点具有自动管理以及配置的能力，进行自由组织，以便适应动态网络拓扑结构的变化。

传感器网络的动态性是指，传感器网络的拓扑结构会随着电能耗尽、无线通信链路带宽改变、新节点加入以及感知对象和观察者的移动等因素而发生动态的变化。

传感器网络的可靠性是指，由于受到环境因素的影响，传感器节点的维护极其困难，这就要求传感器网络的节点牢固可靠，安全稳定，具有一定的容错性。

3.无线传感网络的体系结构和传感器节点结构

无线传感器网络的体系结构主要包括传感器节点、感知现场、目标以及汇聚节点四类。此外，它还可以通过对信网以及移动通信网等外部网络的定义，再将数据或信令从远程任务管理单元传输到用户。具体结构如图1 所示。

而传感器节点则是无线传感网络的核心，通常由无线通信模块、处理控制模块、数据采集模块以及能量供应模块组成，表示的是一个嵌入式的微型系统。具体结构如图2 所示。其中无线通信模块由无线收发器组成，其主要功能是与其他传感器之间进行控制信息的交换、数据的收发和采集以及无线通信等等;处理控制模块由微处理器以及存储器构成，其主要功能是对自身采集或者其他节点发送过来的数据进行处理以及用来对整个传感器节点进行控制操作;数据采集模块由A/D 转换器以及传感器组成，其主要功能是采集感知对象的信息并进行数据转换。

二无线传感器网络在医疗设备中的应用

由于无线传感器本身的简便、快捷、费用低以及实时采集数据等优点，因此，它在医院的药物控制、药品管理、辅助诊断、监控病人以及医生护士等行动状态、远程实时监测老年人以及婴儿和发病隐患人群的健康状况甚至包括远程治疗等等诸多医疗方面具有广泛的应用前景。

1.无线传感器网络在医疗方面的应用所具有的优点

首先，将微型传感器节点置于病人身上用来检测他们的身体参数，可以实现远程实时监测病人的心率、血压、心电、心音等等生理参数，并能迅速地向建湖中心传输所汇总的数据信息，以便医院监护人员根据传感器网络反馈的病人信息对病人的突发病况做出及时的处理。其次，通过无线传感器网络对被观察者的机体生理数据进行长期收集，有助于医院能够更多地了解被观察者的健康状况，同时对医院研究人体疾病还具有很大的帮助。再次，无线传感器网络对于医院的血液管理、药品研制和药物管理等方面，也起到极其重要的作用。最后，无线传感器网络因为其费用较低、简单方便等优点，还对未来远程医疗监护系统的实现具有很大的推动作用。

2.医疗体系基于无线传感器网络的基本结构

医疗体系基于无线传感器网络主要包括传感器节点、SINK 医疗监护基站和监护中心等三大部分。其中监护中心包括社区或者医院等。个人、家庭或者病房的无线传感器网络由医疗传感器节点和监护基站构成，而由这些众多的个人、家庭或者病房无线传感器网络共同构成整个医院或者整个社区乃至更大范围的的远程医疗监护网络。

医疗体系基于无线传感器网络的具体实现过程是:首先，由医疗传感器节点对人体的心率、血压、心电、心音等等生理参数进行采集，并将所采集的参数数据进行简单的处理;然后利用无线通信将简单处理过的数据通过直接或间接逐跳的方式传送到监护基站;接着，数据再由监护基站进一步处理之后向监护中心转发;最后，监护中心接收到数据信息并加以分析和处理，再及时将信息反馈给病人。此外，为了与其他监护中心完成数据信息的共享，该监护中心还可以采取Internet 或者移动通信网络等方式将数据信息进行远程传输。

3.基于无线传感器网络的医疗传感器节点的设计

基于无线传感器网络的医疗传感器节点主要是用来采集人体生理指标数据，然后将数据通过射频通信传送到监护基站。医疗传感器节点主要由电源、处理器单元、生理信息数据采集单元以及无线数据通信单元等四大部分构成。其中处理单元又包括A/D 转换、CPU、储存器、数码显示屏以及测试带五部分构成。存储器的主要功能是将传感器采集的临时数据进行存储，并交由处理器对数据加以处理。由测试带传输的模拟信号要用ADC12 和DAC12 加以数据转换。

医疗传感器节点的工作原理是:第一，由无线数据通信单元将控制单元发出开始检测某项生理参数的指令传送到生理信息以及数据采集单元，开始对人体的血压、脉搏、体温等生理信号进行采集。第二，采集的信息数据通过无线数据通信单元向控制单元的信息处理模块控制以及显示单元传输，在控制单元以及显示单元处理并显示所接收到数据的同时，还将处理之后的数据存入数据库中，进行回放以及检索。图3为医疗传感节点的结构框图。

图3 医疗传感节点结构

在基于无线传感器网络的医疗传感器节点的设计中，无线数据通信单元以及生理信息数据采集单元是医疗传感器节点的核心单元。

对于无线数据通信单元在设计时，需要对其工作强度加以控制，保证在正常情况下，无线信号可以满足通信的需要但又不会对其他设备造成干扰。如射频通信装置的核心射频通信模块使用CC2420 芯片，其工作的免费ISM 频段在2.4GHz，射频收发符合标准，满足射频通信的要求。

而对于生理信息数据采集单元在设计时，为了实现传感器扩展，其无线节点留出了丰富的接口，在采集心电、血压以及血氧等多种类型生理指标数据时，只要在预留接口上接入相对应的传感器，便可使新的无线医疗传感器节点形成。

4.基于无线传感器网络的医疗监护基站设备的设计

医疗监护基站主要由存储器、处理器、通信模块接口和人机交互模块等几大部分构成。其主处理器可以采用超低功耗、处理速度高以及接口丰富的MSP430 系列。人机交互接口由显示数据和操作过程的LCD 显示屏以及用户输入指令的键盘两大部分组成。监护基站的通信模块接口一般有GSM 短消息接口模块、射频接口模块、modem 接口模块等等。

此外，监护基站设备通常都采用电池供电，系统停止工作时，设备的功耗会大大降低，因此具有节能的效果。

三医疗无线传感器网络的监护系统的应用价值

无线传感网络在医疗远程监护中具有极其重要的现实意义。在传输被监护人生理信息数据时，通过采取无限多通道数据传输的方式，大大缩短了监护设备与医疗传感器之间的连线距离，一方面可以获得精准的测量数据，另一方面还能避免病人来回奔波。同时，通过建立无线传感器网络，可以在病床上完成对病人的多项身体指标测试，使得病人的就诊变得更加方便，并在很大一定程度上提高了医院的信息化管理水平和就诊效率。

此外，通过建立医疗无线传感器网络，能够让那些距离医院等医护机构较远的病人可以实时地得到自身的生理指标监测，在必要时，还能及时地得到远程医生的监护和指导。

这种全新的基于无线传感器网络的医疗监护体系是一个以医院作为核心，全面分布到社区、家庭以及个人的有机整体。该系统在医院的辅助诊断、监控病人、远程实时监测老年人以及婴儿和发病隐患人群的健康状况、远程治疗等方面均起着很大的作用，同时还可以确保医院内外的病人能够及时得到专业的诊断、指导以及治疗，从而使得医疗水平大幅度提升。