傳感器在醫(yī)療儀器中的應用

摘 要：人口老齡化現(xiàn)象的日益嚴重，使社會普遍面臨著醫(yī)療資源緊缺的現(xiàn)實難題，在此形勢下，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧醫(yī)療應運而生。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)依賴于各類先進的人體傳感技術，因此研究傳感器在醫(yī)療領域的應用意義重大。本文提出了一套基于無線傳感技術的智能醫(yī)療系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對多項人體參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以實時傳輸給社區(qū)醫(yī)生進行在線診斷。本文的研究可以為醫(yī)療儀器的智能化發(fā)展提供參考。

關鍵詞：人體傳感器;智慧醫(yī)療;無線網(wǎng)絡

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”計劃的提出，物聯(lián)網(wǎng)技術也進入了新一輪的發(fā)展高潮，并在各領域中不斷滲透，使社會信息化和智能化程度進一步提升。在人口老齡化問題日益突出的今天，人們對醫(yī)療的需求也不斷提高，智慧醫(yī)療迅速成為物聯(lián)網(wǎng)技術應用的重要方向。通過物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，可以在一定程度上解決醫(yī)療資源緊缺的矛盾，實現(xiàn)醫(yī)療資源的優(yōu)化配置。物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)又對傳感器有著強烈的依賴性。本文主要介紹了傳感器技術在醫(yī)療儀器中的應用，希望可以為智慧醫(yī)療的發(fā)展提供一個全新的視角。

1.系統(tǒng)需求分析

從狹義的角度上看，基于傳感器的醫(yī)療儀器是指醫(yī)療儀器內部使用了傳感器技術，可以為醫(yī)生的診斷提供輔助功能。從廣義的角度上看，這里的醫(yī)療儀器應為一整套完整的醫(yī)療儀器健康管理系統(tǒng)，是以各類人體傳感器為基礎，通過無線網(wǎng)絡技術實現(xiàn)人體健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，由醫(yī)生進行遠程分析并診斷，從而為病人提供醫(yī)療服務的一整套醫(yī)療體系。從當前的調查情況來看，受到物聯(lián)網(wǎng)技術的影響，人們普遍希望擁有一套智慧醫(yī)療系統(tǒng)，實現(xiàn)全天候、全方位的醫(yī)療服務。

為了實現(xiàn)該目的，醫(yī)療儀器不僅要包含各類人體傳感器，還需要具備控制系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進行傳輸和分析，并顯示出來供用戶查看。用戶健康數(shù)據(jù)應可以保留，為長期的人體健康監(jiān)護提供數(shù)據(jù)支持。

2.系統(tǒng)總體架構分析

基于傳感器的醫(yī)療儀器系統(tǒng)包含三部分，分別為：人體參數(shù)采集及傳輸模塊、移動終端及監(jiān)護軟件模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊。首先，在人體中安裝可穿戴型傳感器，對人體的血壓、血氧、脈搏、體溫等參數(shù)進行采集，采集到的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)線連接到醫(yī)療儀器上，由醫(yī)生進行現(xiàn)場分析。也可以通過無線傳感網(wǎng)絡上傳至服務器，并由服務器將數(shù)據(jù)推送到移動終端軟件上，用戶可以通過移動終端的監(jiān)護軟件查看自身的參數(shù)數(shù)據(jù)，如有需要可向社區(qū)醫(yī)生發(fā)起視頻通話，實現(xiàn)遠程監(jiān)護和診斷。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)將存儲在數(shù)據(jù)庫中，形成健康檔案永久保存。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，當前可實現(xiàn)無線傳輸?shù)姆桨赣泻芏啵缢{牙、WiFi、紅外技術、Zigbee、GPRS等等。對于醫(yī)療儀器而言，藍牙成本較高，傳輸距離較短，安全性也難以保證。WiFi不僅在功耗上不能滿足要求，而且很容易泄露信息，安全性不高。紅外技術在點對點傳輸方面有較大優(yōu)勢，但不適用于醫(yī)療儀器組網(wǎng)。因此基于傳感器的醫(yī)療儀器系統(tǒng)采用Zigbee技術。

3.數(shù)據(jù)傳輸模塊分析

3.1通信傳輸模塊

基于傳感器的醫(yī)療儀器系統(tǒng)采用Zigbee技術，充分發(fā)揮其低成本、低功耗、多節(jié)點、安全可靠、自組網(wǎng)等特點，盡管Zigbee的帶寬不大，但對于醫(yī)療儀器來說是足夠的。系統(tǒng)采用CC2530控制器對通信傳輸進行控制，支持IEEE802.15.4和Zigbee標準，內容集成了2個UART接口、21個通用I/O，通過射頻收發(fā)器完成無數(shù)數(shù)據(jù)傳輸。考慮到后期物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用，專門設計了相應的移動通信接口，允許用戶通過GPRS、3G、4G等移動網(wǎng)絡單元或NB-IOT單元實現(xiàn)無線組網(wǎng)，以適應未來的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

3.2 數(shù)據(jù)接口

系統(tǒng)提供了以太網(wǎng)接口、RS485、RS232等標準接口，可以滿足用戶的多元化需求。以太網(wǎng)接口通常是用戶首選的通信方式，這是因為在條件允許的前提下，采用有線以太網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸可以取得更高的傳輸質量和穩(wěn)定性。以太網(wǎng)不僅可以直接通過路由設備接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，還可以通過4G路由器實現(xiàn)無線通信。為了滿足近場數(shù)據(jù)傳輸，控制模塊還提供了RS-232、RS-485、UART和CAN總線接口，使用戶只需要一要串口線就能完成近場的數(shù)據(jù)傳輸，對于目前的醫(yī)療設備而言，串口通信仍然是必不可少的。考慮到醫(yī)院或社區(qū)的大規(guī)模組網(wǎng)需求，還提供了CAN總線接口，CAN數(shù)據(jù)收發(fā)由TAJ1050芯片完成。多元化的數(shù)據(jù)接口基本保證了各類數(shù)據(jù)傳輸需求。

4.電源模塊

電源是電子醫(yī)療儀器功能實現(xiàn)的基礎，為硬件電路提供能量來源，穩(wěn)定的供電系統(tǒng)是保證控制器可靠工作的前提，因此電源模塊的設計對于醫(yī)療儀器系統(tǒng)的綜合性能影響巨大。在電源設計過程中，充分考慮了濾波、穩(wěn)壓、隔離和電氣保護等要求，提高了電源的抗干擾性。本模塊采用了DC-DC隔離電源芯片B1205S-2W，直接把24V直接電轉換到5V，為光電耦合器、傳感器等模塊提供工作電壓。5V直流電再經(jīng)過LM2576-5以及LM1117-3.3線性穩(wěn)壓器，得到高度穩(wěn)定的3.3V直流電壓，為Zigbee 無線節(jié)點和協(xié)調器供電。為了避免電路之間的相互干擾，電源的各供電線路分別接獨立的地線，同時在電源輸入端接濾波電容，提高電壓穩(wěn)定性。通過接入熔斷器防止短路或過載造成設備燒壞，采用電感器過濾交流信號成份，抑制諧波的生成。

5.人體參數(shù)傳感器應用

5.1血壓傳感器

血壓是醫(yī)療診斷的重要參數(shù)，也是許多疾病判定的重要依據(jù)。系統(tǒng)采用HKB-08B血壓傳感器對人體血壓進行測量，該傳感器采用了壁式測量方式，具有精度高、穩(wěn)定性好、響應范圍大等優(yōu)點，測量范圍在最小為-300mmHg，最高可達800mmHg，分辨率精確到1mmHg。血壓傳感器與Zigbee采集節(jié)點通過USB數(shù)據(jù)線相連。

5.2血氧傳感器

系統(tǒng)采用HKS-12U數(shù)字血氧飽和度測量傳感器，可以實現(xiàn)對人體血氧的動態(tài)測量，其基本原理是先向血液樣本中發(fā)射紅外測試信號，部分紅外能量會被血液中的血紅蛋白和氧合血紅蛋白吸收，但兩者的吸收率有明顯的差異，通過分析這種差異即可計算出血氧飽和度。用HKS-12U具有較強的抗干擾能力，分辨率為1%，精度為2%。傳感器通過TTL接口與Zigbee采集節(jié)點相連。

5.3脈搏傳感器

人體脈搏的測量采用了HK-2000C型數(shù)字脈搏傳感器，該傳感器內部集成了壓電薄膜、感溫元器件、信號處理單元、放大器、A/D轉換以及串行接口等片上資源，采用了壓電式感應技術，將脈搏的壓力轉化為電信號，由A/D 轉換器轉換為數(shù)字信號后輸出。傳感器通過RS232串行接口與Zigbee采集節(jié)點相連。

5.4體溫傳感器

體溫測量與通常的溫度測量原理大體一致，本系統(tǒng)采用了單總線型數(shù)字溫度傳感器DS18B20。該傳感器由于結構簡單、接線簡潔、性能穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)勢而得到廣泛的應用。DS18B20一共引出3只引腳，分別為地線、電源線和信號線，工作電壓為3.0-5.5V，響應范圍處于-55- +125℃之間，精度在±0.5℃內。顯然測量精度還不能滿足體溫測量要求，因此采用多個DS18B20 并聯(lián)的方式提高測量精度，使測量精度達到了±0.1℃，基本滿足醫(yī)療設備對人體溫度的測量需求。

6.結語

隨著各類人體傳感器的進步，對人體進行遠程實時監(jiān)測已不是什么難題，但要實現(xiàn)整個醫(yī)療系統(tǒng)的信息化和智能化發(fā)展卻并非易事。相信在不久的將來，社區(qū)醫(yī)療將逐步走向物聯(lián)網(wǎng)集成方向，為醫(yī)護人員和被監(jiān)護人之間架起一座強大的信息橋梁。可見，傳感器在醫(yī)療儀器的應用有著廣闊的市場前景。在人口老齡化不斷加深的背景下，傳感器的應用將突破單臺儀器的范圍，在無線網(wǎng)絡技術的支持下，朝著整個智慧醫(yī)療系統(tǒng)的層次發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳允敬，孔莉.基于健康物聯(lián)網(wǎng)的傳感節(jié)點發(fā)展趨勢探究[J].科技創(chuàng)新導報，2019，16（13）：162-163.

[2]張偉.基于傳感網(wǎng)的遠程生理信息傳輸系統(tǒng)研究[J].電子測試，2018（19）：52-53.

[3].可穿戴醫(yī)療設備的關鍵技術[J].科技導報，2017，35（02）：97.

[4]陳司祺.淺談醫(yī)療監(jiān)護技術的應用[J].科技展望，2016，26（30）：166.

作者簡介：

王智鵬，男，漢族，湖北武漢，湖北科技學院在讀，生物醫(yī)學工程學院，生物醫(yī)學工程專業(yè)（儀器方向）