無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療監(jiān)護中的應用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上無線傳感器網(wǎng)絡在醫(yī)療監(jiān)護中的應用通信與信息工程學院 電子信息工程 B 導語或摘要 無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）已成為當今熱門的研究領域之一，并廣泛的應用于當今社會的各個領域。本文主要想將無線傳感器網(wǎng)絡與現(xiàn)代醫(yī)學領域結合起來，從自己有限的知識中談一談對無線傳感器網(wǎng)絡應用的想法。比較倉促，有很多不足，希望老師諒解。應用背景無線傳感網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是近年來得到迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡技術，它的出現(xiàn)和發(fā)展對現(xiàn)代科學技術產(chǎn)生了極其深刻的影響 ，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡技術不同，無線傳感器網(wǎng)絡技術將

2、是現(xiàn)代無線通信技術、微型傳感器技術和網(wǎng)絡技術有機的融為一體，綜合了傳感器技術、自動控制技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，已經(jīng)是近幾年來國內(nèi)外研究的熱點，引起了世界上許多國家軍界、學術界和工業(yè)界的高度重視，其引用前景十分廣闊。現(xiàn)代醫(yī)學中，應用到醫(yī)學傳感器的地方無處不在。醫(yī)學傳感器作為拾取生命體征信息的媒介，他們的作用日益顯著，并得到廣泛的應用。例如，在圖像處理、臨床化學檢驗、生命體征參數(shù)的監(jiān)護檢測、呼吸、神經(jīng)、心血管疾病的診斷與治療等方面應用十分普及。傳感器在現(xiàn)代醫(yī)學設備中的普及，傳感器網(wǎng)絡的應用也應運而生。包括遠程健康管理、重癥病人或老齡人看護、生活支持設備、

3、病理數(shù)據(jù)實時采集與管理和緊急救護等。通過傳感器與傳感器網(wǎng)絡的運作，醫(yī)護人員可以快速有效的了解病人的實時情況，做到對病人的有效治療，并且可以同時的掌握多個病人的病情，大大減少醫(yī)護人員的工作量。需求分析醫(yī)療監(jiān)護可以定義為通過通信網(wǎng)絡將病人所處環(huán)境的信息和病人的生命體征信息傳送到監(jiān)護中心，并作出相應反饋的一個系統(tǒng)，所以我們可以將醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)看成三個部分：遠端監(jiān)護設備（傳感器）、通信網(wǎng)絡、監(jiān)護中心?？梢钥闯扇缦碌囊粋€結構圖。1. 遠端監(jiān)護設備 根據(jù)監(jiān)護對象和監(jiān)護目的的不同，遠端監(jiān)護設備可以有很多種，按用途可以分為三類：（1） 生理體征檢測設備，這類設備可以幫助醫(yī)生掌握對象的病情，并提供及時的醫(yī)療指導。

4、檢測的生理信息主要包括：心電圖、腦電圖、心率、血壓、脈搏、血氧飽和度、體溫、血糖等。（2） 環(huán)境檢測設備，這類設備主要是對特殊的病人的生活環(huán)境進行檢測并及時調(diào)節(jié)，如室溫、含氧量、濕度、無菌環(huán)境等。（3） 護理檢測設備，如癱瘓病人的尿檢測設備、可以降低護理人員的勞動強度。2. 通信系統(tǒng) 連接遠端設備和監(jiān)護中心的通信方式主要包括程控電話（PSTN）、交互電視、綜合網(wǎng)服務數(shù)字網(wǎng)（ISDN）、非對稱數(shù)字用戶線環(huán)路（ASDL）、光纖網(wǎng)（ATM）、微波通信、衛(wèi)星通信、無線蜂窩通信（移動電話GSM）等。3. 監(jiān)護中心 監(jiān)護中心可以位于急救中心、社區(qū)醫(yī)院、中心醫(yī)院等醫(yī)護人員集中場所，主要是處理出現(xiàn)問題的患者，

5、并對傳感器的某些問題做出反饋，如調(diào)節(jié)室溫、濕度，及時幫助患者、緩解癥狀?？傮w設計方案這個醫(yī)療監(jiān)護無線傳感器網(wǎng)絡可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡和控制管理中心三部分組成的。該系統(tǒng)由監(jiān)護基站設備和ZigBee傳感器節(jié)點構成一個監(jiān)護網(wǎng)絡。其主要組成部分是集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的節(jié)點，各節(jié)點通過協(xié)議自組成一個分布式網(wǎng)絡，再將采集來的數(shù)據(jù)通過優(yōu)化后經(jīng)ZigBee無線電波傳輸給信息處理中心。 因為節(jié)點的數(shù)量巨大類型眾多，而且還處在隨時變化的環(huán)境中，這就使它有著不同于普通傳感器網(wǎng)絡的獨特“個性”。（1）傳感器節(jié)點醫(yī)療傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需要而設置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴展性。

6、在此舉幾個例子說明。1. 溫度傳感器和熱敏原件 溫度傳感器主要由熱敏原件構成。熱敏原件品種比較多，常見的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電阻及半導體熱敏電阻等。其中以半熱敏電阻為探測元件的溫度傳感器應用廣泛。因為半導體電阻具有體積小，靈敏度高，且制造工藝簡單、價格低廉。所以用來設計體溫計和室溫計。2. 氣敏傳感器和氣敏原件 氣敏傳感器可以用來檢測氣體，也可以用半導體氣敏傳感器來檢測氣體含量，當然，我們也可以用化學型的傳感器和生物型的傳感器來檢測氣體污染等，這些在醫(yī)療系統(tǒng)中都是被廣泛應用的。其中，生物體中能夠選擇性的分辨出某種物質的物質有酶、抗體、組織細胞等，通過識別過程可與被檢測目標結合成復

7、合物，可以有效的檢測出病人的病情。在這方面設計時選擇適合測定對象的識別物質是極其重要的。3. 智能應力傳感器 智能應力傳感器具有測量、程控放大、轉換、處理、模擬量輸出、打印、鍵盤監(jiān)控以及通過串行口與上位微型計算機進行通信的功能。 對智能應力傳感器進行模塊化和結構化的設計，包括信息采集、數(shù)據(jù)處理、故障診斷等模塊。如下圖：主程序模塊完成自檢、初始化、通道選擇等功能。信號采集模塊完成各路信號放大、A/D轉換及數(shù)據(jù)讀取功能。數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)濾波、非線性補償、信號處理、誤差修正及檢索查表等功能。故障診斷模塊對各應力傳感器的信號進行分析，判斷各傳感器的工作狀態(tài)是否出現(xiàn)異常，也就是能對病人的情況進行自動

8、檢測。鍵盤輸入及顯示模塊查詢是否有按鍵按下，若有按鍵按下則反饋給主程序模塊，主程序模塊根據(jù)不同按鍵的含義執(zhí)行或調(diào)用相應的功能模塊，并顯示各路傳感器的數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)（包括按鍵信息）。輸出及打印模塊控制模擬量輸出及控制打印機完成打印任務。通信模塊主要控制RS-232串行通信和上位微機的通信。以溫度傳感器為例，設計一個只能應力傳感器，原理圖如下：圖中，共有6路應力傳感器和2路溫度傳感器，其中每一路應力傳感器由4個應變片構成的全橋電路和前幾放大器組成，用于測量應力大小。溫度傳感器用于測量環(huán)境溫度，對應力傳感器進行誤差修正。采用8031單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。多路開關根據(jù)單片機發(fā)出的命令輪流選通各

9、個傳感器通道，0通道為溫度傳感器通道，16通道分別為6個應力傳感器通道。程控放大器在單片機的控制下分別選擇不同的放大倍數(shù)對各路信號進行放大。通過智能應力傳感器與個種傳感器的混合應用，我們可以提高整個節(jié)點的實用性和智能性。（2）通信網(wǎng)絡WSN協(xié)議棧多采用五層協(xié)議：應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。與以太網(wǎng)協(xié)議棧的五層協(xié)議相對應。另外，協(xié)議棧還應包括能量管理器、拓撲管理器和任務管理器。這些管理器使得傳感器節(jié)點能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點移動的傳感器網(wǎng)絡中轉發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務和資源共享。物理層提供簡單但健壯的信號調(diào)制和無線收發(fā)技術；數(shù)據(jù)鏈路層負責數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、媒體訪問和差錯

10、控制；網(wǎng)絡層主要負責路由生成與路由選擇；傳輸層負責數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務質量的重要部分；應用層包括一系列基于監(jiān)測任務的應用層軟件。醫(yī)療傳感器源信號要依靠電磁波傳輸必需要通過調(diào)制技術變成高頻信號，當?shù)诌_接受端時，又通過解調(diào)技術還原成原始信號。目前采用的調(diào)制方法分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種。它們的區(qū)別就在于調(diào)制信號所用的基帶信號的模式不同而已（一為數(shù)字，一為模擬）。信號僅經(jīng)過調(diào)制是不行的，還需要進行擴頻。擴頻，顧名思義，就是將待傳輸數(shù)據(jù)進行頻譜擴展的技術。它的好處是：增強了抗干擾能力，可進行多地址通信，保密性提高。常見的擴頻技術包括直接序列擴頻、跳頻、跳時以及線性調(diào)頻。在物理層面上，無線傳

11、感器網(wǎng)絡遵從的主要是IEEE 802.15.4標準。依照此標準，物理層主要進行如下工作：激活和去活無線收發(fā)器，檢測當前信道的能量，發(fā)送指示，信道頻率的選擇，數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。 IEEE 802.15.4標準規(guī)劃了幾個工作頻段。其中，2.4GHz頻段的物理層可提供250Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于高吞吐量、低延時或低作業(yè)周期的場合；工作在869/915MHz頻段的物理層則能提供20Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，適用于低速率、高靈敏度和大覆蓋面積的場合。 依據(jù)IEEE 802.15.4標準的協(xié)議被稱為Zigbee，其傳輸帶寬雖然沒有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗較低，非常適合在醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中使

12、用無線傳感器網(wǎng)絡。MAC層協(xié)議 信號的傳輸要靠信道，因此信道也就成為了一種寶貴的資源。怎樣合理有效的分配信道、傳輸各個醫(yī)療傳感器的各個不同信號而不發(fā)生混淆，就是數(shù)據(jù)鏈路層中的MAC子層要解決的問題了。無線傳感器網(wǎng)絡經(jīng)常使用的有三種MAC協(xié)議：傳感器協(xié)議（S-MAC），分布式能量意識協(xié)議（DE-MAC）和協(xié)調(diào)設備協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過調(diào)配節(jié)點的休眠方式來有效地分配信道；DE-MAC則采用周期性監(jiān)聽和休眠機制，避免空閑監(jiān)聽和串音，其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡的生存周期；MD協(xié)議則能為大規(guī)模、低占空比運行的節(jié)點提供了不需要高精度時鐘的可靠通信。 總體來說，無線傳感器網(wǎng)絡的MAC協(xié)議在分配信道的同時還

13、要保證系統(tǒng)的能耗最低。 關鍵技術 無線通信技術、能量收集技術、傳感器技術、嵌入式操作系統(tǒng)技術、低功耗技術、多跳自組織網(wǎng)絡的路由協(xié)議、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)管理技術和信息安全技術等。這里要提及的是無中心和自組網(wǎng)特性。在無線傳感器網(wǎng)絡中，所有節(jié)點的地位都是平等的，沒有預先指定的中心，各節(jié)點通過分布式算法來相互協(xié)調(diào)，在無人值守的情況下，節(jié)點就能自動組織起一個測量網(wǎng)絡。而正因為沒有中心，網(wǎng)絡便不會因為單個節(jié)點的脫離而受到損害。 存在的問題和挑戰(zhàn)網(wǎng)絡拓撲的動態(tài)變化。網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點是處于不斷變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也在相應地發(fā)生變化，加之無線通信信道的不穩(wěn)定性，網(wǎng)絡拓撲因此也在不斷地調(diào)整變化，而這種變化方式是無人能準確預測出來的。 傳輸能力的有限性。無線傳感器網(wǎng)絡通過無線電波進行數(shù)據(jù)傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對于有線網(wǎng)絡，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時，信號之間還存在相互干擾，信號自身也在不斷地衰減，諸如此類。不過因為單個節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大，這個缺點還是能忍受的。能量的限制。為了測量真實世界的具體值，各個節(jié)點會密集地分布于待測區(qū)域內(nèi)，人工補充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個節(jié)點都要儲備可供長期使用的能量，或者自己從外汲取