策論無線傳感器網絡在醫療設備中的應用價值

趙紀生

(鄭州市第七人民醫院，河南 鄭州 450016)

近年來，伴隨無線通信技術、智能傳感技術、嵌入式計算機以及微機電系統技術等諸多領域的迅猛發展，由此誕生的無線傳感器網絡技術逐漸成為當今社會人們所研究的熱門技術領域之一。并在許多領域都有廣泛的應用前景。尤其是將無線傳感器網絡應用在醫療設備當中的關鍵技術，已經越來越成為人們所關注的焦點。

一 無線傳感器網絡的概念

1.無線傳感器網絡的基本含義

無線傳感器網絡，即Wireless Sensor Network—WSN，是由在監控區域密集分布的大量智能傳感器節點共同組構而成的一種網絡應用系統。無線傳感器網絡的傳感器類型眾多，潛在的應用范圍也比較廣泛，包括航空、軍事、救災、醫療、保健以及工商業等，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象。

2.無線傳感器網絡的主要特點

無線傳感器網絡主要包括大規模、自由組織、動態性和可靠性四大特點。

傳感器網絡的大規模性是指，通常在監測區域部署成千上萬的傳感器節點，以獲取精確的信息。這種大規模性不僅僅指傳感器節點在很大規模的地理區域內進行分布，還包括在一個很小的空間面積內，傳感器節點被大量密集地加以部署。

傳感器網絡的自由組織是指，通過網絡協議和拓撲控制機制，傳感器網絡能夠自發形成轉發監測數據。一般情況下，傳感器節點投放的位置很難預先加以精確，節點之間的相鄰關系也難以預先測定，這就要求傳感器節點具有自動管理以及配置的能力，進行自由組織，以便適應動態網絡拓撲結構的變化。

傳感器網絡的動態性是指，傳感器網絡的拓撲結構會隨著電能耗盡、無線通信鏈路帶寬改變、新節點加入以及感知對象和觀察者的移動等因素而發生動態的變化。

傳感器網絡的可靠性是指，由于受到環境因素的影響，傳感器節點的維護極其困難，這就要求傳感器網絡的節點牢固可靠，安全穩定，具有一定的容錯性。

3.無線傳感網絡的體系結構和傳感器節點結構

無線傳感器網絡的體系結構主要包括傳感器節點、感知現場、目標以及匯聚節點四類。此外，它還可以通過對信網以及移動通信網等外部網絡的定義，再將數據或信令從遠程任務管理單元傳輸到用戶。具體結構如圖1 所示。

而傳感器節點則是無線傳感網絡的核心，通常由無線通信模塊、處理控制模塊、數據采集模塊以及能量供應模塊組成，表示的是一個嵌入式的微型系統。具體結構如圖2 所示。其中無線通信模塊由無線收發器組成，其主要功能是與其他傳感器之間進行控制信息的交換、數據的收發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成，其主要功能是對自身采集或者其他節點發送過來的數據進行處理以及用來對整個傳感器節點進行控制操作;數據采集模塊由A/D 轉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行數據轉換。

二 無線傳感器網絡在醫療設備中的應用

由于無線傳感器本身的簡便、快捷、費用低以及實時采集數據等優點，因此，它在醫院的藥物控制、藥品管理、輔助診斷、監控病人以及醫生護士等行動狀態、遠程實時監測老年人以及嬰兒和發病隱患人群的健康狀況甚至包括遠程治療等等諸多醫療方面具有廣泛的應用前景。

1.無線傳感器網絡在醫療方面的應用所具有的優點

首先，將微型傳感器節點置于病人身上用來檢測他們的身體參數，可以實現遠程實時監測病人的心率、血壓、心電、心音等等生理參數，并能迅速地向建湖中心傳輸所匯總的數據信息，以便醫院監護人員根據傳感器網絡反饋的病人信息對病人的突發病況做出及時的處理。其次，通過無線傳感器網絡對被觀察者的機體生理數據進行長期收集，有助于醫院能夠更多地了解被觀察者的健康狀況，同時對醫院研究人體疾病還具有很大的幫助。再次，無線傳感器網絡對于醫院的血液管理、藥品研制和藥物管理等方面，也起到極其重要的作用。最后，無線傳感器網絡因為其費用較低、簡單方便等優點，還對未來遠程醫療監護系統的實現具有很大的推動作用。

2.醫療體系基于無線傳感器網絡的基本結構

醫療體系基于無線傳感器網絡主要包括傳感器節點、SINK 醫療監護基站和監護中心等三大部分。其中監護中心包括社區或者醫院等。個人、家庭或者病房的無線傳感器網絡由醫療傳感器節點和監護基站構成，而由這些眾多的個人、家庭或者病房無線傳感器網絡共同構成整個醫院或者整個社區乃至更大范圍的的遠程醫療監護網絡。

醫療體系基于無線傳感器網絡的具體實現過程是:首先，由醫療傳感器節點對人體的心率、血壓、心電、心音等等生理參數進行采集，并將所采集的參數數據進行簡單的處理;然后利用無線通信將簡單處理過的數據通過直接或間接逐跳的方式傳送到監護基站;接著，數據再由監護基站進一步處理之后向監護中心轉發;最后，監護中心接收到數據信息并加以分析和處理，再及時將信息反饋給病人。此外，為了與其他監護中心完成數據信息的共享，該監護中心還可以采取Internet 或者移動通信網絡等方式將數據信息進行遠程傳輸。

3.基于無線傳感器網絡的醫療傳感器節點的設計

基于無線傳感器網絡的醫療傳感器節點主要是用來采集人體生理指標數據，然后將數據通過射頻通信傳送到監護基站。醫療傳感器節點主要由電源、處理器單元、生理信息數據采集單元以及無線數據通信單元等四大部分構成。其中處理單元又包括A/D 轉換、CPU、儲存器、數碼顯示屏以及測試帶五部分構成。存儲器的主要功能是將傳感器采集的臨時數據進行存儲，并交由處理器對數據加以處理。由測試帶傳輸的模擬信號要用ADC12 和DAC12 加以數據轉換。

醫療傳感器節點的工作原理是:第一，由無線數據通信單元將控制單元發出開始檢測某項生理參數的指令傳送到生理信息以及數據采集單元，開始對人體的血壓、脈搏、體溫等生理信號進行采集。第二，采集的信息數據通過無線數據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據的同時，還將處理之后的數據存入數據庫中，進行回放以及檢索。圖3為醫療傳感節點的結構框圖。

圖3 醫療傳感節點結構

在基于無線傳感器網絡的醫療傳感器節點的設計中，無線數據通信單元以及生理信息數據采集單元是醫療傳感器節點的核心單元。

對于無線數據通信單元在設計時，需要對其工作強度加以控制，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ISM 頻段在2.4GHz，射頻收發符合標準，滿足射頻通信的要求。

而對于生理信息數據采集單元在設計時，為了實現傳感器擴展，其無線節點留出了豐富的接口，在采集心電、血壓以及血氧等多種類型生理指標數據時，只要在預留接口上接入相對應的傳感器，便可使新的無線醫療傳感器節點形成。

4.基于無線傳感器網絡的醫療監護基站設備的設計

醫療監護基站主要由存儲器、處理器、通信模塊接口和人機交互模塊等幾大部分構成。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。人機交互接口由顯示數據和操作過程的LCD 顯示屏以及用戶輸入指令的鍵盤兩大部分組成。監護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，監護基站設備通常都采用電池供電，系統停止工作時，設備的功耗會大大降低，因此具有節能的效果。

三 醫療無線傳感器網絡的監護系統的應用價值

無線傳感網絡在醫療遠程監護中具有極其重要的現實意義。在傳輸被監護人生理信息數據時，通過采取無限多通道數據傳輸的方式，大大縮短了監護設備與醫療傳感器之間的連線距離，一方面可以獲得精準的測量數據，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絡，可以在病床上完成對病人的多項身體指標測試，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院的信息化管理水平和就診效率。

此外，通過建立醫療無線傳感器網絡，能夠讓那些距離醫院等醫護機構較遠的病人可以實時地得到自身的生理指標監測，在必要時，還能及時地得到遠程醫生的監護和指導。

這種全新的基于無線傳感器網絡的醫療監護體系是一個以醫院作為核心，全面分布到社區、家庭以及個人的有機整體。該系統在醫院的輔助診斷、監控病人、遠程實時監測老年人以及嬰兒和發病隱患人群的健康狀況、遠程治療等方面均起著很大的作用，同時還可以確保醫院內外的病人能夠及時得到專業的診斷、指導以及治療，從而使得醫療水平大幅度提升。

四 結束語

伴隨無線傳感器網絡逐漸向著微型化、集成化和智能化方向發展，無線傳感器網絡的優越性越來越明顯，甚至在未來的諸多領域通過部署無線傳感器網絡技術均可以完成人們眼中異常困難的任務。因此，將無線傳感器網絡技術應用于人力難以完成的醫療設備領域，實現遠程醫療監護系統，已經逐漸成為當今國內外醫療部門所關注的焦點。

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