基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1、第30卷󰀁第3期2008年6月武漢理工大學(xué)學(xué)報󰀂信息與管理工程版JOURNALOFWUT(INFORMATION&MANAGEMENTENGINEERING)Vo.l30No.3June2008文章編號:1007-144X(2008)03-0394-04基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)石道生,任󰀁毅,羅惠謙(武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院,湖北武漢430070)摘󰀁要:將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng),提出了一種由ZigBee傳感器和無線局域網(wǎng)構(gòu)成的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和具體實現(xiàn)方法。系統(tǒng)中,節(jié)點和基站設(shè)備所

2、使用的近距離通信標(biāo)準(zhǔn)為802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn),收集病患者的各類信息,實現(xiàn)病患者在家中進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù),并及時將病患情況反映給醫(yī)生及其家屬,以應(yīng)對病患者可能的突發(fā)情況,在獲得準(zhǔn)確的測量指標(biāo)的同時,免除患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。關(guān)鍵詞:ZigBee;遠(yuǎn)程醫(yī)療;醫(yī)療監(jiān)護(hù)中圖法分類號:TP393󰀁󰀁󰀁󰀁文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A󰀁󰀁遠(yuǎn)程醫(yī)療是信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物,它使用遠(yuǎn)程通信和計算機多媒體技術(shù)為患者提供醫(yī)學(xué)信息和醫(yī)療服務(wù)。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天,它已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)交流中一道亮麗的風(fēng)景線。遠(yuǎn)程醫(yī)療

3、主要應(yīng)用在臨床會診、檢查、診斷、監(jiān)護(hù)、指導(dǎo)治療、醫(yī)學(xué)研究、交流、醫(yī)學(xué)教育和手術(shù)觀摩等方面。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)作為遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中的一部分,是將采集的被監(jiān)護(hù)者的生理參數(shù)與視頻、音頻以及影像等資料通過通信網(wǎng)絡(luò)實時傳送到社區(qū)監(jiān)護(hù)中心,用于動態(tài)跟蹤病態(tài)發(fā)展,以保障及時診斷、治療1近年來,隨著生物醫(yī)學(xué)傳感器的小型化、信息處理及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和普及,無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研制成為熱點。筆者設(shè)計出一種新的網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)護(hù)裝置及系統(tǒng),目的是利用高頻率的無線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式,傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護(hù)控制儀器之間的信息,減少監(jiān)護(hù)設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線,使被監(jiān)護(hù)人能夠擁有較多的自由活動空間,在獲得較準(zhǔn)確的測量指標(biāo)的

4、同時,免除患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時,在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),多項測試項目可以在病床上完成,能夠極大地方便病人就診,并加強醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和工作效率。隨著當(dāng)今社會老年人口的劇增,醫(yī)療資源中監(jiān)護(hù)的作用更加突出。醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀器目前可分為兩類,一類是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器,對病人進(jìn)行生理指標(biāo)的監(jiān)護(hù);另一類是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶外,在醫(yī)生的指導(dǎo)下,由患者本人或其家屬使用遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對其進(jìn)行監(jiān)護(hù),所得生理指標(biāo)將及時傳送給相關(guān)醫(yī)生。目前,醫(yī)院所使用的監(jiān)護(hù)系統(tǒng),大多是建立在線纜連接的基礎(chǔ)上,往往體積和功耗大,不便于攜帶,且要求在患者身邊使用,限制了患者和醫(yī)

5、護(hù)人員的行動,增加了他們的負(fù)擔(dān)和風(fēng)險,已經(jīng)越來越不適應(yīng)當(dāng)今實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測患者重要生命特征參數(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)需求。為了使經(jīng)常需要測量生理指標(biāo)的人員(比如慢性病人或者老年患者等)能夠在家中在隨意運動的狀態(tài)下測量某些常規(guī)指標(biāo),人們對遠(yuǎn)程醫(yī)療的關(guān)注度越來越強21󰀁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,系統(tǒng)由監(jiān)護(hù)基站設(shè)備和ZigBee傳感器節(jié)點構(gòu)成一個微型監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點上使用中央控制器對需要監(jiān)測的生命指標(biāo)傳感器進(jìn)行控制并采集數(shù)據(jù),通過ZigBee無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備,并由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上,通過Internet網(wǎng)絡(luò)可

6、以將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心,由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計觀察,提供必要的咨詢服務(wù),實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。在救護(hù)車中的急救人員還可通過GPRS實現(xiàn)將急救病人的信息實時傳送,以利于醫(yī)院搶救室及時做好準(zhǔn)備工作。醫(yī)療傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需要而設(shè)置,因此該系統(tǒng)具。收稿日期:2007-12-11.:(,第30卷󰀁第3期石道生,等:基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)395圖3󰀁處理器單元該監(jiān)護(hù)傳感器的工作原理為,首先由控制單圖1󰀁遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖元發(fā)出開始監(jiān)測某項生理參數(shù)的指令,然后通過無線數(shù)據(jù)通信單元把指令發(fā)給生理信息與數(shù)據(jù)采集單元,對人

7、體生理信號(體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等)進(jìn)行采集,最后通過無線數(shù)據(jù)通信單元將數(shù)據(jù)傳給控制和顯示單元中的信息處理模塊,一方面對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示,另一方面將結(jié)果數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫供檢索和回放。節(jié)點的核心是無線數(shù)據(jù)通信單元和生理信息與數(shù)據(jù)采集單元。2.2󰀁無線數(shù)據(jù)通信單元在醫(yī)院里,所應(yīng)用的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備對電磁輻射的要求很高。對于設(shè)備來講,輻射的電磁波既不能干擾其他設(shè)備正常工作,同時也應(yīng)具有一定的抗干擾能力,不受其他設(shè)備輻射出的電磁波干擾。因此,在醫(yī)院或者使用無線通信的家庭中使用的醫(yī)療設(shè)備,設(shè)計中必須對此進(jìn)行充分考慮。在本系統(tǒng)中,所使用的射頻通信為全球公開的免費2.4GHz的I

8、SM頻段,采用的通信標(biāo)準(zhǔn)為802.15.4/ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。它是一種低復(fù)雜度、低功耗和低成本的無線通信技術(shù),可在1075m范圍內(nèi),以20250kb/s的傳輸速率來傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信3-4有極大的靈活性和擴展性。同時,將該系統(tǒng)接入Internet網(wǎng)絡(luò),可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)中包括無線個人網(wǎng)絡(luò)(wirelessperson󰀁alareanetwork,WPAN)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)以及一系列醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療傳感器節(jié)點。本系統(tǒng)具有良好的擴展性,例如醫(yī)護(hù)人員在急救途

9、中或在其他醫(yī)院可以分別利用WLAN/UMTS網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)與系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。2󰀁監(jiān)護(hù)傳感器節(jié)點2.1󰀁監(jiān)護(hù)傳感器的組成及工作原理醫(yī)療無線傳感器節(jié)點主要功能為采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù),或?qū)δ承┽t(yī)療設(shè)備的狀況以及治療過程情況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,并通過射頻通信的方式,將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備。醫(yī)療傳感器節(jié)點框圖如圖2所示,主要包括醫(yī)療傳感器模塊、ZigBee通信模塊、處理器單元和電源4部分。處理器單元如圖3所示,主要分為CPU、存儲器、AD轉(zhuǎn)換、測試帶和數(shù)碼顯示屏5部分。根據(jù)低功耗和處理能力的需要,采用TI公司的MSP430系列單片機,存儲器部分主要用于存儲傳感器所采集的臨時數(shù)

10、據(jù),在處理器將數(shù)據(jù)傳輸之后,傳感器節(jié)點內(nèi)不做數(shù)據(jù)的大量存儲。這些傳感器只需少量能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳至另一個傳感器,因此,通信效率非常高。它可用普通干電池作電源,在一般情況下,可支持624個月,大大減少了頻繁更換電池的麻煩。為降低成本,ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種類型)圖2󰀁醫(yī)療傳感器節(jié)點框圖396武漢理工大學(xué)學(xué)報󰀂信息與管理工程版2008年6月簡化功能設(shè)備(reducedfunctiondevice,RFD)。FFD可以在3種不同模式下工作: 個人網(wǎng)絡(luò)(personalareanetwork,PAN)協(xié)調(diào)者;!協(xié)調(diào)者;設(shè)備。RFD作

11、為從設(shè)備不需要傳輸大量的數(shù)據(jù),且只占用很少的資源。用一個FFD加上一個RFD就可組建一個最簡單的WPAN,其中FFD作為PAN協(xié)調(diào)者來執(zhí)行通信功能,因此,在任何一個星形網(wǎng)絡(luò)中都必須至少有一個FFD來作為PAN協(xié)調(diào)者5言,GPRS/UMTS具有低傳輸速率和高覆蓋范圍的特點。本系統(tǒng)利用GPRS/UMTSWLAN網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)UMTS與WLAN之間的無縫連接。這樣使得配有UMTS和WLAN接口的設(shè)備可以自由地在這兩個網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行切換。一般來說,WLAN和UMTS融合的方式有兩種:緊耦合和松耦合6。在緊耦合體系中,WLAN網(wǎng)關(guān)直接連接到UMTS網(wǎng)絡(luò)。而在松耦合體系中,WLAN網(wǎng)關(guān)并不是直接連接到UMTS網(wǎng)絡(luò)

12、中,而是通過Internet或是IP骨干網(wǎng)作為中介。在本系統(tǒng)中,利用松耦合體系來實現(xiàn)手持移動設(shè)備與UMTS網(wǎng)絡(luò)之間的通信。WLAN和UMTS的松耦合體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。在本系統(tǒng)中,ZigBee設(shè)備通常以星形和網(wǎng)狀形兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的通信是以FFD作為PAN協(xié)調(diào)者完成與設(shè)備之間的通信,在該網(wǎng)絡(luò)中PAN協(xié)調(diào)者的功能是初始化網(wǎng)絡(luò)、中止和路由信息。星形網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于自動化家居、個人醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)和醫(yī)院病房等小區(qū)域。2.3󰀁生理信息與數(shù)據(jù)采集單元系統(tǒng)中,醫(yī)療傳感器模塊主要實現(xiàn)以下幾種功能:體溫、血壓、血氧和血糖的測量等。其中,體溫測量集成了北京邁創(chuàng)公

13、司所生產(chǎn)的YSI體溫探頭,血壓測量集成了邁創(chuàng)公司的KNM無創(chuàng)血壓測量模塊,血氧測量集成了邁創(chuàng)公司的SWS01血氧測量模塊。無線節(jié)點為傳感器的擴展留出了豐富的接口,如果需要其他類型的生理指標(biāo)數(shù)據(jù),如體溫、心電等數(shù)據(jù),則只需要將相應(yīng)的傳感器接入預(yù)留的接口,形成新的無線傳感器節(jié)點,開發(fā)相應(yīng)的嵌入式控制及處理軟件,就可以將節(jié)點直接加入到該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。圖5󰀁WLAN和UMTS的松耦合體系結(jié)構(gòu)4󰀁實驗驗證系統(tǒng)在綜合測試過程中取得了初步的結(jié)果,傳感器節(jié)點上的生命指標(biāo)傳感器采集到的數(shù)據(jù),通過ZigBee無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護(hù)基站設(shè)備,并顯示在基站設(shè)備的LCD上。每個

14、病人總的數(shù)據(jù)傳輸量在2276kb/s之間(依據(jù)心電圖電極的數(shù)量而變化),常用測量信號的頻率范圍和數(shù)據(jù)量如表1所示。由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上,通過In󰀁ternet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心,由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,提供必要的咨詢服務(wù),實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。如在救護(hù)車中,急救人員還可通過GPRS實現(xiàn)急救病人情況的實時傳送,3󰀁GPRS/UMTSWLAN網(wǎng)關(guān)第30卷󰀁第3期石道生,等:基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)表1󰀁常用測量信號的頻率范圍和數(shù)據(jù)量397參數(shù)無創(chuàng)血壓有創(chuàng)血壓心電

15、圖血氧體溫參數(shù)范圍1.353.0kPa1.353.0kPa0.54.0mV80%99%3241#信號頻率范圍/Hz6050250/電極300.1A/D轉(zhuǎn)換比特率/kb/s1.4401.20018.000(三電極)1.4000.0025󰀁結(jié)󰀁論所設(shè)計的一種新的網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)護(hù)裝置及系統(tǒng),可以減少監(jiān)護(hù)設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線,在獲得較準(zhǔn)確的測量指標(biāo)的同時,免除病人在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時,在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),很多測試項目可在病床上完成,極大地方便病人就診。另外,本系統(tǒng)還具有高的靈活性和擴展性,通過Internet可以使遠(yuǎn)離醫(yī)院等醫(yī)護(hù)機構(gòu)的病員也能隨時得

16、到必要的醫(yī)療監(jiān)護(hù)和遠(yuǎn)程醫(yī)生的咨詢指導(dǎo)。筆者將進(jìn)一步開發(fā)該系統(tǒng)的軟件和硬件,以提高其穩(wěn)定性和實用性,同時也將根據(jù)特殊的需要定制開發(fā)上層管理軟件以及完善醫(yī)療監(jiān)護(hù)管理平臺軟件。參考文獻(xiàn):1󰀁鄧󰀁蕊.依托寬帶信息網(wǎng)絡(luò)家庭疾病監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的初步研究J.生物醫(yī)學(xué)工程與臨床,2003,7(3):138-140.2󰀁高振海,劉亞軍,徐新喜.遠(yuǎn)程醫(yī)療裝備及其車載系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀J.醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2003,24(9):22-23.3󰀁PAKSUNIEMIM,SORVOJAH,ALASAARELAE,eta.lWirelesssensoranddatatra

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