無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用通信與信息工程學(xué)院 電子信息工程 B 導(dǎo)語(yǔ)或摘要 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）已成為當(dāng)今熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一，并廣泛的應(yīng)用于當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。本文主要想將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，從自己有限的知識(shí)中談一談對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的想法。比較倉(cāng)促，有很多不足，希望老師諒解。應(yīng)用背景無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是近年來(lái)得到迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了極其深刻的影響 ，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將

2、是現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)的融為一體，綜合了傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，已經(jīng)是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，引起了世界上許多國(guó)家軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，其引用前景十分廣闊?，F(xiàn)代醫(yī)學(xué)中，應(yīng)用到醫(yī)學(xué)傳感器的地方無(wú)處不在。醫(yī)學(xué)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(yīng)用。例如，在圖像處理、臨床化學(xué)檢驗(yàn)、生命體征參數(shù)的監(jiān)護(hù)檢測(cè)、呼吸、神經(jīng)、心血管疾病的診斷與治療等方面應(yīng)用十分普及。傳感器在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)設(shè)備中的普及，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也應(yīng)運(yùn)而生。包括遠(yuǎn)程健康管理、重癥病人或老齡人看護(hù)、生活支持設(shè)備、

3、病理數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與管理和緊急救護(hù)等。通過(guò)傳感器與傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作，醫(yī)護(hù)人員可以快速有效的了解病人的實(shí)時(shí)情況，做到對(duì)病人的有效治療，并且可以同時(shí)的掌握多個(gè)病人的病情，大大減少醫(yī)護(hù)人員的工作量。需求分析醫(yī)療監(jiān)護(hù)可以定義為通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)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(hù)中心，并作出相應(yīng)反饋的一個(gè)系統(tǒng)，所以我們可以將醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)看成三個(gè)部分：遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備（傳感器）、通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)護(hù)中心?？梢钥闯扇缦碌囊粋€(gè)結(jié)構(gòu)圖。1. 遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備 根據(jù)監(jiān)護(hù)對(duì)象和監(jiān)護(hù)目的的不同，遠(yuǎn)端監(jiān)護(hù)設(shè)備可以有很多種，按用途可以分為三類(lèi)：（1） 生理體征檢測(cè)設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備可以幫助醫(yī)生掌握對(duì)象的病情，并提供及時(shí)的醫(yī)療指導(dǎo)。

4、檢測(cè)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(cè)設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備主要是對(duì)特殊的病人的生活環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)并及時(shí)調(diào)節(jié)，如室溫、含氧量、濕度、無(wú)菌環(huán)境等。（3） 護(hù)理檢測(cè)設(shè)備，如癱瘓病人的尿檢測(cè)設(shè)備、可以降低護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。2. 通信系統(tǒng) 連接遠(yuǎn)端設(shè)備和監(jiān)護(hù)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(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）、非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線環(huán)路（ASDL）、光纖網(wǎng)（ATM）、微波通信、衛(wèi)星通信、無(wú)線蜂窩通信（移動(dòng)電話GSM）等。3. 監(jiān)護(hù)中心 監(jiān)護(hù)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(hù)人員集中場(chǎng)所，主要是處理出現(xiàn)問(wèn)題的患者，

5、并對(duì)傳感器的某些問(wèn)題做出反饋，如調(diào)節(jié)室溫、濕度，及時(shí)幫助患者、緩解癥狀?？傮w設(shè)計(jì)方案這個(gè)醫(yī)療監(jiān)護(hù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。該系統(tǒng)由監(jiān)護(hù)基站設(shè)備和ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。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(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)議自組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，再將采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)優(yōu)化后經(jīng)ZigBee無(wú)線電波傳輸給信息處理中心。 因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的數(shù)量巨大類(lèi)型眾多，而且還處在隨時(shí)變化的環(huán)境中，這就使它有著不同于普通傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特“個(gè)性”。（1）傳感器節(jié)點(diǎn)醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同的需要而設(shè)置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴(kuò)展性。

6、在此舉幾個(gè)例子說(shuō)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(gòu)成。熱敏原件品種比較多，常見(jiàn)的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電阻及半導(dǎo)體熱敏電阻等。其中以半熱敏電阻為探測(cè)元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛。因?yàn)榘雽?dǎo)體電阻具有體積小，靈敏度高，且制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。所以用來(lái)設(shè)計(jì)體溫計(jì)和室溫計(jì)。2. 氣敏傳感器和氣敏原件 氣敏傳感器可以用來(lái)檢測(cè)氣體，也可以用半導(dǎo)體氣敏傳感器來(lái)檢測(cè)氣體含量，當(dāng)然，我們也可以用化學(xué)型的傳感器和生物型的傳感器來(lái)檢測(cè)氣體污染等，這些在醫(yī)療系統(tǒng)中都是被廣泛應(yīng)用的。其中，生物體中能夠選擇性的分辨出某種物質(zhì)的物質(zhì)有酶、抗體、組織細(xì)胞等，通過(guò)識(shí)別過(guò)程可與被檢測(cè)目標(biāo)結(jié)合成復(fù)

7、合物，可以有效的檢測(cè)出病人的病情。在這方面設(shè)計(jì)時(shí)選擇適合測(cè)定對(duì)象的識(shí)別物質(zhì)是極其重要的。3. 智能應(yīng)力傳感器 智能應(yīng)力傳感器具有測(cè)量、程控放大、轉(zhuǎn)換、處理、模擬量輸出、打印、鍵盤(pán)監(jiān)控以及通過(guò)串行口與上位微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信的功能。 對(duì)智能應(yīng)力傳感器進(jìn)行模塊化和結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)，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(hào)采集模塊完成各路信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)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(bǔ)償、信號(hào)處理、誤差修正及檢索查表等功能。故障診斷模塊對(duì)各應(yīng)力傳感器的信號(hào)進(jìn)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(duì)病人的情況進(jìn)行自動(dòng)

8、檢測(cè)。鍵盤(pán)輸入及顯示模塊查詢(xún)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(yīng)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(jī)完成打印任務(wù)。通信模塊主要控制RS-232串行通信和上位微機(jī)的通信。以溫度傳感器為例，設(shè)計(jì)一個(gè)只能應(yīng)力傳感器，原理圖如下：圖中，共有6路應(yīng)力傳感器和2路溫度傳感器，其中每一路應(yīng)力傳感器由4個(gè)應(yīng)變片構(gòu)成的全橋電路和前幾放大器組成，用于測(cè)量應(yīng)力大小。溫度傳感器用于測(cè)量環(huán)境溫度，對(duì)應(yīng)力傳感器進(jìn)行誤差修正。采用8031單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制單元。多路開(kāi)關(guān)根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的命令輪流選通各

9、個(gè)傳感器通道，0通道為溫度傳感器通道，16通道分別為6個(gè)應(yīng)力傳感器通道。程控放大器在單片機(jī)的控制下分別選擇不同的放大倍數(shù)對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行放大。通過(guò)智能應(yīng)力傳感器與個(gè)種傳感器的混合應(yīng)用，我們可以提高整個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)用性和智能性。（2）通信網(wǎng)絡(luò)WSN協(xié)議棧多采用五層協(xié)議：應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)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(duì)應(yīng)。另外，協(xié)議棧還應(yīng)包括能量管理器、拓?fù)涔芾砥骱腿蝿?wù)管理器。這些管理器使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠按照能源高效的方式協(xié)同工作，在節(jié)點(diǎn)移動(dòng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并支持多任務(wù)和資源共享。物理層提供簡(jiǎn)單但健壯的信號(hào)調(diào)制和無(wú)線收發(fā)技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、媒體訪問(wèn)和差錯(cuò)

10、控制；網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)路由生成與路由選擇；傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分；應(yīng)用層包括一系列基于監(jiān)測(cè)任務(wù)的應(yīng)用層軟件。醫(yī)療傳感器源信號(hào)要依靠電磁波傳輸必需要通過(guò)調(diào)制技術(shù)變成高頻信號(hào)，當(dāng)?shù)诌_(dá)接受端時(shí)，又通過(guò)解調(diào)技術(shù)還原成原始信號(hào)。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(hào)所用的基帶信號(hào)的模式不同而已（一為數(shù)字，一為模擬）。信號(hào)僅經(jīng)過(guò)調(diào)制是不行的，還需要進(jìn)行擴(kuò)頻。擴(kuò)頻，顧名思義，就是將待傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展的技術(shù)。它的好處是：增強(qiáng)了抗干擾能力，可進(jìn)行多地址通信，保密性提高。常見(jiàn)的擴(kuò)頻技術(shù)包括直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)以及線性調(diào)頻。在物理層面上，無(wú)線傳

11、感器網(wǎng)絡(luò)遵從的主要是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。依照此標(biāo)準(zhǔn)，物理層主要進(jìn)行如下工作：激活和去活無(wú)線收發(fā)器，檢測(cè)當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃了幾個(gè)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(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)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(chǎng)合。 依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議被稱(chēng)為Zigbee，其傳輸帶寬雖然沒(méi)有Wi-Fi和Blue Tooth大，但是能耗較低，非常適合在醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中使

12、用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。MAC層協(xié)議 信號(hào)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(gè)醫(yī)療傳感器的各個(gè)不同信號(hào)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(wèn)題了。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shí)協(xié)議（DE-MAC）和協(xié)調(diào)設(shè)備協(xié)議。S-MAC協(xié)議通過(guò)調(diào)配節(jié)點(diǎn)的休眠方式來(lái)有效地分配信道；DE-MAC則采用周期性監(jiān)聽(tīng)和休眠機(jī)制，避免空閑監(jiān)聽(tīng)和串音，其目的是減少能耗和增加網(wǎng)絡(luò)的生存周期；MD協(xié)議則能為大規(guī)模、低占空比運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)提供了不需要高精度時(shí)鐘的可靠通信。 總體來(lái)說(shuō)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議在分配信道的同時(shí)還

13、要保證系統(tǒng)的能耗最低。 關(guān)鍵技術(shù) 無(wú)線通信技術(shù)、能量收集技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)、低功耗技術(shù)、多跳自組織網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)管理技術(shù)和信息安全技術(shù)等。這里要提及的是無(wú)中心和自組網(wǎng)特性。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的地位都是平等的，沒(méi)有預(yù)先指定的中心，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式算法來(lái)相互協(xié)調(diào)，在無(wú)人值守的情況下，節(jié)點(diǎn)就能自動(dòng)組織起一個(gè)測(cè)量網(wǎng)絡(luò)。而正因?yàn)闆](méi)有中心，網(wǎng)絡(luò)便不會(huì)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)的脫離而受到損害。 存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)是處于不斷變化的環(huán)境中，它的狀態(tài)也在相應(yīng)地發(fā)生變化，加之無(wú)線通信信道的不穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟虼艘苍诓粩嗟卣{(diào)整變化，而這種變化方式是無(wú)人能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出來(lái)的。 傳輸能力的有限性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，雖然省去了布線的煩惱，但是相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)，低帶寬則成為它的天生缺陷。同時(shí)，信號(hào)之間還存在相互干擾，信號(hào)自身也在不斷地衰減，諸如此類(lèi)。不過(guò)因?yàn)閱蝹€(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不算大，這個(gè)缺點(diǎn)還是能忍受的。能量的限制。為了測(cè)量真實(shí)世界的具體值，各個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)密集地分布于待測(cè)區(qū)域內(nèi)，人工補(bǔ)充能量的方法已經(jīng)不再適用。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要儲(chǔ)備可供長(zhǎng)期使用的能量，或者自己從外汲取