醫(yī)療傳感器節(jié)點的設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）是一項綜合了傳感器技術(shù),、嵌入式計算技術(shù),、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù),、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)的新興技術(shù),，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用場景,。

隨著技術(shù)的發(fā)展，WSN（Wireless Sensor Network）將會在醫(yī)療實踐的許多方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。本文主要闡述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及監(jiān)護(hù)節(jié)點設(shè)計的一般原則,。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)布置大量傳感器節(jié)點,，節(jié)點間采用自組織方式進(jìn)行組網(wǎng)以及利用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，每個節(jié)點都具有數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)融合轉(zhuǎn)發(fā)雙重功能,。節(jié)點對本身采集到的信息和其它節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給它的信息進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合之后以相鄰節(jié)點接力傳送的方式傳送到基站,，然后通過基站以互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星等方式傳送給最終用戶,。

節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能單元,，具體應(yīng)用不同，節(jié)點的設(shè)計也不盡相同,。傳感器節(jié)點的基本組成模塊有：傳感單元,、處理單元、通信單元以及電源部分,。此外,，根據(jù)具體應(yīng)用要求可以添加功能單元，如：定位系統(tǒng),、移動系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等,。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療中的應(yīng)用情況

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用其自身的優(yōu)點（如低費用、簡便,、快速,、實時無創(chuàng)的采集患者的各種生理參數(shù)等等），使其在醫(yī)療研究,、醫(yī)院普通／ICU病房或者家庭日常監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域中有很大的發(fā)展?jié)摿?，是目前研究領(lǐng)域的熱點。

在病人身上放置用于檢測人體參數(shù)的微型傳感器節(jié)點,，可對病人的心率、血壓,、心電,、心音等生理參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實時監(jiān)測，并將信息匯總傳送給監(jiān)護(hù)中心,，進(jìn)行及時處理與反饋,；利用WSN長期收集被觀察者的人體生理數(shù)據(jù)，對了解人體健康狀況以及研究人體疾病都很有幫助,。此外,，在藥物管理和研制新藥品、血液管理等諸多方面,，也有其獨特的應(yīng)用,。總之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)提供了更加簡便,、低費用的實現(xiàn)手段,。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療體系結(jié)構(gòu)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由醫(yī)療傳感器節(jié)點、醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站（醫(yī)療SINK節(jié)點）以及社區(qū)／醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心這幾個部分組成,。

醫(yī)療傳感器節(jié)點與監(jiān)護(hù)基站組成個人／家庭或者病房無線傳感器網(wǎng)絡(luò),，多個這樣的網(wǎng)絡(luò)可以組成社區(qū)或整個醫(yī)院監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，甚至更大范圍的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng),。首先,，醫(yī)療傳感器節(jié)點采集人體生理參數(shù)，并對采集到參數(shù)簡單處理后,，通過無線通信的方式直接或者間接逐跳方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)交旧?。監(jiān)護(hù)基站對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理后轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)護(hù)中心，監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行分析處理,，并及時對病人進(jìn)行信息反饋,。監(jiān)護(hù)中心還可以采用多種方式（Internet，移動通信網(wǎng)絡(luò)等）進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,，與其它監(jiān)護(hù)中心共享信息,。

醫(yī)療傳感器節(jié)點的設(shè)計

醫(yī)療傳感器節(jié)點的基本結(jié)構(gòu)包括處理模塊、傳感器模塊和無線收發(fā)模塊以及電源供電模塊,。

傳感器模塊用來進(jìn)行外部傳感器信號的感知,、采集、轉(zhuǎn)換,。是整個節(jié)點真正與外部信號量接觸的模塊,。然而，醫(yī)用傳感器是以生命體為測量對象,。尤其是人體,，可以說是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)，各生理變量間存在著高度的相關(guān)性而且不易接近,。所以醫(yī)用傳感器要從眾多的現(xiàn)象中取出預(yù)測生理量,，得出可靠而有意義的測量數(shù)據(jù)，同時又要確保被測對象的安全,。

由于人體參數(shù)大多是微弱信號,，一般只有幾mV級別，甚至更低,，并且存在多種噪聲（測量環(huán)境噪聲,、儀器與人體摩擦噪聲以及儀器本身噪聲等）、工頻干擾（由測量環(huán)境周圍存在50 Hz的電磁場引起的）以及各種雜音等不利因素,。因此,，在具體醫(yī)療傳感器節(jié)點設(shè)計中,，加入模擬電路處理模塊，該模塊一般包括以下幾個部分：放大電路,、濾波電路,、陷波電路以及模數(shù)（A／D）轉(zhuǎn)換電路等。在節(jié)點設(shè)計中放大電路一般采用多級放大（ {*} 或四級）,，末級放大電路除了有放大功能外一般還具有電平提升功能,；濾波電路：應(yīng)滿足電路簡潔、合理的截止頻率,、靈活方便的調(diào)節(jié)高低通截止頻率等要求,，合理的濾掉信號中的高頻與低頻干擾；陷波電路：目前廣泛采用對稱性雙T阻容有源陷波器或用集成開關(guān)電容器件以及非對稱阻容網(wǎng)絡(luò)陷波器等,?？傊M電路處理模塊主要對采集到的信號進(jìn)行放大,、濾波,、陷波等處理，去除信號中的噪音,、干擾,，提取出有用信號。

處理器模塊是傳感器節(jié)點的核心,，負(fù)責(zé)整個節(jié)點的設(shè)備控制,、任務(wù)分配與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)?。目前處理器模塊中使用較多的是Atmel公司的AVR 系列單片機,、TI公司的MSP430超低功耗處理器、Motorola公司和Renesas公司的處理器以及作為32位嵌入式處理器的ARM單片機,。在節(jié)點設(shè)計中,，必須編程實現(xiàn)處理器模塊對傳感模塊采集控制、A／D轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)以及控制無線通信模塊的收發(fā),。

無線收發(fā)模塊用于節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信,。在無線領(lǐng)域應(yīng)用較多的無線收發(fā)模塊為Chipcon公司的CCl000、CC2420,、CC2430。常用的無線通信技術(shù)有：IEEE 802.1lb,、IEEE 802.15.4（ZigBee）,、Bluetooth、UWB,、RFID,、IrDA（紅外線）等,。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)大多采用IEEE 802.15.4（ZigBee）、藍(lán)牙來實現(xiàn)節(jié)點以及節(jié)點與基站之間的數(shù)據(jù)通信,。

電源模塊為節(jié)點提供能量,，是整個無線傳感器節(jié)點的基礎(chǔ)模塊。然而,，受節(jié)點體積限制,，傳感器節(jié)點的能量非常有限。因此,，在整個節(jié)點設(shè)計中,，以低功耗、高精度為主要要求,，采取一系列有效的措施來節(jié)省能量,。另外，醫(yī)療傳感器節(jié)點不能頻繁更換電池,，影響人的正常生活,。所以，所設(shè)計的醫(yī)療節(jié)點應(yīng)該具有較長的生命周期,。

醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在的挑戰(zhàn)

盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組建醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)方面有其獨有優(yōu)勢,，但應(yīng)用到實際醫(yī)療中還存在以下挑戰(zhàn)：

動態(tài)組網(wǎng)與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點移動性管理：當(dāng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)擴展到社區(qū)、城市甚至全國時,，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大,，并且監(jiān)護(hù)節(jié)點與基站都具有一定的移動性。因此,，必須設(shè)計一種合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾斫Y(jié)構(gòu)以及節(jié)點移動性管理方法,。

數(shù)據(jù)完整性與數(shù)據(jù)壓縮：節(jié)點有時需要長達(dá)24小時的監(jiān)測人體參數(shù)，節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)量大,，而節(jié)點的存儲容量小,，常采用壓縮算法來減少數(shù)據(jù)的存儲與傳輸量。然而,，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的壓縮算法開銷太大不適合傳感器節(jié)點,。另外，壓縮算法不能損壞原始數(shù)據(jù),，否則會造成對病人的錯誤診斷,。

數(shù)據(jù)安全性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用自組織方式組網(wǎng)，容易受到攻擊,，此外,，病人的信息需要保密。然而,，傳感器節(jié)點計算能力相當(dāng)有限,，傳統(tǒng)的安全和加密技術(shù)都不適用,。因此，必須設(shè)計一種適合傳感器節(jié)點的加解密算法,。

總結(jié)與展望

隨著技術(shù)的發(fā)展,，無線醫(yī)療傳感器節(jié)點逐漸向多參數(shù)、智能化,、微型化,、低功耗等方向發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也將逐漸被實際應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域,。發(fā)展與組建具有智能化的病房與社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是當(dāng)今國內(nèi)外醫(yī)療發(fā)展的趨勢,。