传感器在医疗仪器中的应用

摘 要：人口老龄化现象的日益严重，使社会普遍面临着医疗资源紧缺的现实难题，在此形势下，基于物联网技术的智慧医疗应运而生。医疗物联网的实现依赖于各类先进的人体传感技术，因此研究传感器在医疗领域的应用意义重大。本文提出了一套基于无线传感技术的智能医疗系统，可以实现对多项人体参数的动态监测，监测数据可以实时传输给社区医生进行在线诊断。本文的研究可以为医疗仪器的智能化发展提供参考。

关键词：人体传感器;智慧医疗;无线网络

随着“互联网+”计划的提出，物联网技术也进入了新一轮的发展高潮，并在各领域中不断渗透，使社会信息化和智能化程度进一步提升。在人口老龄化问题日益突出的今天，人们对医疗的需求也不断提高，智慧医疗迅速成为物联网技术应用的重要方向。通过物联网技术的应用，可以在一定程度上解决医疗资源紧缺的矛盾，实现医疗资源的优化配置。物联网的实现又对传感器有着强烈的依赖性。本文主要介绍了传感器技术在医疗仪器中的应用，希望可以为智慧医疗的发展提供一个全新的视角。

1.系统需求分析

从狭义的角度上看，基于传感器的医疗仪器是指医疗仪器内部使用了传感器技术，可以为医生的诊断提供辅助功能。从广义的角度上看，这里的医疗仪器应为一整套完整的医疗仪器健康管理系统，是以各类人体传感器为基础，通过无线网络技术实现人体健康监测数据的传输，由医生进行远程分析并诊断，从而为病人提供医疗服务的一整套医疗体系。从当前的调查情况来看，受到物联网技术的影响，人们普遍希望拥有一套智慧医疗系统，实现全天候、全方位的医疗服务。

为了实现该目的，医疗仪器不仅要包含各类人体传感器，还需要具备控制系统，对数据进行传输和分析，并显示出来供用户查看。用户健康数据应可以保留，为长期的人体健康监护提供数据支持。

2.系统总体架构分析

基于传感器的医疗仪器系统包含三部分，分别为：人体参数采集及传输模块、移动终端及监护软件模块、数据库管理模块。首先，在人体中安装可穿戴型传感器，对人体的血压、血氧、脉搏、体温等参数进行采集，采集到的数据可以通过数据线连接到医疗仪器上，由医生进行现场分析。也可以通过无线传感网络上传至服务器，并由服务器将数据推送到移动终端软件上，用户可以通过移动终端的监护软件查看自身的参数数据，如有需要可向社区医生发起视频通话，实现远程监护和诊断。系统的数据将存储在数据库中，形成健康档案永久保存。

在数据传输方面，当前可实现无线传输的方案有很多，例如蓝牙、WiFi、红外技术、Zigbee、GPRS等等。对于医疗仪器而言，蓝牙成本较高，传输距离较短，安全性也难以保证。WiFi不仅在功耗上不能满足要求，而且很容易泄露信息，安全性不高。红外技术在点对点传输方面有较大优势，但不适用于医疗仪器组网。因此基于传感器的医疗仪器系统采用Zigbee技术。

3.数据传输模块分析

3.1通信传输模块

基于传感器的医疗仪器系统采用Zigbee技术，充分发挥其低成本、低功耗、多节点、安全可靠、自组网等特点，尽管Zigbee的带宽不大，但对于医疗仪器来说是足够的。系统采用CC2530控制器对通信传输进行控制，支持IEEE802.15.4和Zigbee标准，内容集成了2个UART接口、21个通用I/O，通过射频收发器完成无数数据传输。考虑到后期物联网的广泛应用，专门设计了相应的移动通信接口，允许用户通过GPRS、3G、4G等移动网络单元或NB-IOT单元实现无线组网，以适应未来的物联网发展。

3.2 数据接口

系统提供了以太网接口、RS485、RS232等标准接口，可以满足用户的多元化需求。以太网接口通常是用户首选的通信方式，这是因为在条件允许的前提下，采用有线以太网络进行数据传输可以取得更高的传输质量和稳定性。以太网不仅可以直接通过路由设备接入局域网或互联网，还可以通过4G路由器实现无线通信。为了满足近场数据传输，控制模块还提供了RS-232、RS-485、UART和CAN总线接口，使用户只需要一要串口线就能完成近场的数据传输，对于目前的医疗设备而言，串口通信仍然是必不可少的。考虑到医院或社区的大规模组网需求，还提供了CAN总线接口，CAN数据收发由TAJ1050芯片完成。多元化的数据接口基本保证了各类数据传输需求。

4.电源模块

电源是电子医疗仪器功能实现的基础，为硬件电路提供能量来源，稳定的供电系统是保证控制器可靠工作的前提，因此电源模块的设计对于医疗仪器系统的综合性能影响巨大。在电源设计过程中，充分考虑了滤波、稳压、隔离和电气保护等要求，提高了电源的抗干扰性。本模块采用了DC-DC隔离电源芯片B1205S-2W，直接把24V直接电转换到5V，为光电耦合器、传感器等模块提供工作电压。5V直流电再经过LM2576-5以及LM1117-3.3线性稳压器，得到高度稳定的3.3V直流电压，为Zigbee 无线节点和协调器供电。为了避免电路之间的相互干扰，电源的各供电线路分别接独立的地线，同时在电源输入端接滤波电容，提高电压稳定性。通过接入熔断器防止短路或过载造成設备烧坏，采用电感器过滤交流信号成份，抑制谐波的生成。

5.人体参数传感器应用

5.1血压传感器

血压是医疗诊断的重要参数，也是许多疾病判定的重要依据。系统采用HKB-08B血压传感器对人体血压进行测量，该传感器采用了壁式测量方式，具有精度高、稳定性好、响应范围大等优点，测量范围在最小为-300mmHg，最高可达800mmHg，分辨率精确到1mmHg。血压传感器与Zigbee采集节点通过USB数据线相连。

5.2血氧传感器

系统采用HKS-12U数字血氧饱和度测量传感器，可以实现对人体血氧的动态测量，其基本原理是先向血液样本中发射红外测试信号，部分红外能量会被血液中的血红蛋白和氧合血红蛋白吸收，但两者的吸收率有明显的差异，通过分析这种差异即可计算出血氧饱和度。用HKS-12U具有较强的抗干扰能力，分辨率为1%，精度为2%。传感器通过TTL接口与Zigbee采集节点相连。

5.3脉搏传感器

人体脉搏的测量采用了HK-2000C型数字脉搏传感器，该传感器内部集成了压电薄膜、感温元器件、信号处理单元、放大器、A/D转换以及串行接口等片上资源，采用了压电式感应技术，将脉搏的压力转化为电信号，由A/D 转换器转换为数字信号后输出。传感器通过RS232串行接口与Zigbee采集节点相连。

5.4体温传感器

体温测量与通常的温度测量原理大体一致，本系统采用了单总线型数字温度传感器DS18B20。该传感器由于结构简单、接线简洁、性能稳定、精度较高等优势而得到广泛的应用。DS18B20一共引出3只引脚，分别为地线、电源线和信号线，工作电压为3.0-5.5V，响应范围处于-55- +125℃之间，精度在±0.5℃内。显然测量精度还不能满足体温测量要求，因此采用多个DS18B20 并联的方式提高测量精度，使测量精度达到了±0.1℃，基本满足医疗设备对人体温度的测量需求。

6.结语

随着各类人体传感器的进步，对人体进行远程实时监测已不是什么难题，但要实现整个医疗系统的信息化和智能化发展却并非易事。相信在不久的将来，社区医疗将逐步走向物联网集成方向，为医护人员和被监护人之间架起一座强大的信息桥梁。可见，传感器在医疗仪器的应用有着广阔的市场前景。在人口老龄化不断加深的背景下，传感器的应用将突破单台仪器的范围，在无线网络技术的支持下，朝着整个智慧医疗系统的层次发展。

参考文献：

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[4]陈司祺.浅谈医疗监护技术的应用[J].科技展望，2016，26（30）：166.

作者简介：

王智鹏，男，汉族，湖北武汉，湖北科技学院在读，生物医学工程学院，生物医学工程专业（仪器方向）