來源： 百度文庫
將無線感測器網路引入醫療監護系統，提出了一種由ZigBee感測器和無線局域網構成的遠端醫療監護系統的體系結構和具體實現方法。系統中，節點和基站設備所使用的近距離通信標準為802. 15. 4 /ZigBee標準，收集病患者的各類資訊，實現病患者在家中進行遠端醫療監護，並及時將病患情況反映給醫生及其家屬，以應對病患者可能的突發情況，在獲得準確的測量指標的同時，免除患者在家庭與醫院之間奔波的勞苦。
遠端醫療是資訊技術與醫學相結合的產物，它使用遠端通訊和電腦多媒體技術為患者提供醫學資訊和醫療服務。在資訊技術高速發展的今天，它已經成為醫學交流中一道亮麗的風景線。
遠端醫療主要應用在臨床會診、檢查、診斷、監護、指導治療、醫學研究、交流、醫學教育和手術觀摩等方面。遠端醫療監護系統作為遠端醫療系統中的一部分，是將採集的被監護者的生理參數與影像、音訊等資料，通過通信網路即時傳送到社區監護中心，用於動態跟蹤病態發展，以保障及時診斷、治療。隨著當今社會老年人口的劇增，醫療資源中監護的作用更加突出。
醫療監護儀器目前可分為兩類，一類是指在醫院內由職業醫生，或專業技術人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標的監護；另一類是在普通人員的家庭內或者戶外，在醫生的指導下，由患者本人或其家屬，使用遠端醫療監護系統對其進行監護，所得生理指標將及時傳送給相關醫生。
目前，醫院所使用的監護系統，大多是建立線上纜連接的基礎上，往往體積和功耗大，不便於攜帶，且要求在患者身邊使用，限制了患者和醫護人員的行動，增加了他們的負擔和風險，已經越來越不適應當今即時、連續、長時間地監測患者重要生命特徵參數的醫療監護需求。為了使經常需要測量生理指標的人員（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下，測量某些常規指標，人們對遠端醫療的關注度越來越強。
近年來，隨著生物醫學感測器的小型化、資訊處理及無線資料傳輸技術的快速發展和普及，無線醫療監護系統的研製成為熱點。因此設計出一種新的網路式監護裝置及系統，目的是利用高頻率的無線多通道資料傳輸方式，傳遞醫療感測器與監護控制儀器之間的資訊，減少監護設備與醫療感測器之間的連線，使被監護人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準確的測量指標的同時，免除患者在家庭與醫院之間奔波的勞苦。同時，在醫院病房內建立無線監測網路，多項測試專案可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，並加強醫院的現代化資訊管理和工作效率。
1 系統結構
遠端醫療監護系統的體系結構圖如圖1 所示，系統由監護基站設備和ZigBee感測器節點，構成一個微型監護網路。感測器節點上使用中央控制器，對需要監測的生命指標感測器，進行控制並採集資料，通過ZigBee無線通訊方式，將資料發送至監護基站設備，並由該基站裝置將資料傳輸至所連接的PC，或者其他網路設備上，通過Internet網路可以將資料傳輸至遠端醫療監護中心，由專業醫療人員對資料進行統計觀察，提供必要的諮詢服務，實現遠端醫療。
在救護車中的急救人員，還可通過GPRS實現將急救病人的資訊即時傳送，以利於醫院搶救室及時做好準備工作。醫療感測器節點可以根據不同的需要而設置，因此該系統具有極大的靈活性和擴展性。同時，將該系統接入Internet網路，可以形成更大的社區醫療監護網路、醫院網路，乃至整個城市和全國的醫療監護網路。
圖1 遠端醫療監護系統結構圖
系統中包括無線個人網路（wireless person2al area network，WPAN ） 、ZigBee網路以及一系列醫療監護網路的醫療感測器節點。本系統具有良好的擴展性，例如醫護人員在急救途中，或在其他醫院，可以分別利用WLAN /UMTS閘道，和互聯網與系統進行資訊交互。
2 監護感測器節點
2. 1 監護感測器的組成及工作原理
醫療無線感測器節點主要功能，為採集人體生理指標資料，或對某些醫療設備的狀況，以及治療過程情況，進行動態監測，並通過射頻通信的方式，將資料傳輸至監護基站設備。
醫療感測器節點框圖如圖2 所示，主要包括醫療感測器模組、ZigBee 通信模組、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、記憶體、AD 轉換、測試帶和數位顯示幕5 部分。根據低功耗和處理能力的需要，採用TI公司的MSP430 系列單片機，記憶體部分主要用於儲存感測器所採集的臨時資料，在處理器將資料傳輸之後，感測器節點內不做資料的大量儲存。
圖2 醫療感測器節點框圖
圖3 處理器單元
該監護感測器的工作原理為，首先由控制單元發出開始監測某項生理參數的指令，然後通過無線資料通信單元，把指令發給生理資訊與資料獲取單元，對人體生理信號（體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等）進行採集，最後通過無線資料通信單元，將數據傳給控制和顯示單元中的資訊處理模組，一方面對接收到的資料進行處理和顯示，另一方面將結果資料存入資料庫供檢索和重播。節點的核心是無線資料通信單元，和生理資訊與資料獲取單元。
2. 2 無線資料通信單元
在醫院裡，所應用的醫療監護設備對電磁輻射的要求很高。對於設備來講，輻射的電磁波既不能干擾其他設備正常工作，同時也應具有一定的抗干擾能力，不受其他設備輻射出的電磁波干擾。因此，在醫院或者使用無線通訊的家庭中使用的醫療設備，設計中必須對此進行充分考慮。
在本系統中，所使用的射頻通信為全球公開的免費2. 4 GHz的ISM頻段，採用的通信標準為802. 15. 4 /ZigBee標準。它是一種低複雜度、低功耗和低成本的無線通訊技術，可在10～75 m範圍內，以20 ～250 kb / s的傳輸速率來傳輸醫療資料。
它依據802. 15. 4標準，在數千個微小的感測器之間相互協調實現通信。這些感測器只需少量能量，以接力的方式，通過無線電波將資料從一個感測器，傳至另一個感測器，因此，通信效率非常高。它可用普通乾電池作電源，在一般情況下，可支援6～24個月，大大減少了頻繁更換電池的麻煩。
為降低成本，ZigBee標準中定義了兩種類型的設備：全功能設備（ full function device， FFD）和簡化功能設備（ reduced function device， RFD ） 。
FFD可以在3 種不同模式下工作： ①個人網路（personal area network ， PAN）協調者； ②協調者；③設備。RFD作為從設備不需要傳輸大量的資料，且只佔用很少的資源。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協調者來執行通信功能，因此，在任何一個星形網路中都必須至少有一個FFD 來作為PAN協調者。在本系統中， ZigBee設備通常以星形和網狀形兩種網路結構存在，其網路拓撲結構如圖4所示。
圖4 ZigBee網路拓撲結構圖
星形網路結構的通信，是以FFD作為PAN協調者完成與設備之間的通信，在該網路中PAN協調者的功能是初始化網路、中止和路由資訊。星形網路廣泛應用於自動化家居、個人醫療監護系統和醫院病房等小區域。
2. 3 生理資訊與資料獲取單元
系統中，醫療感測器模組主要實現以下幾種功能：體溫、血壓、血氧和血糖的測量等。
無線節點為感測器的擴展留出了豐富的介面，如果需要其他類型的生理指標資料，如體溫、心電等資料，則只需要將相應的感測器接入預留的介面，形成新的無線感測器節點，開發相應的嵌入式控制及處理軟體，就可以將節點直接加入到該無線感測器網路中。
3 GPRS /UM TSWLAN閘道
相對於WLAN 高傳輸速率、低覆蓋範圍而言， GPRS/UMTS具有低傳輸速率和高覆蓋範圍的特點。本系統利用GPRS/UMTSWLAN閘道實現UMTS與WLAN 之間的無縫連接。這樣使得配有UMTS和WLAN 介面的設備，可以自由地在這兩個網路之間進行切換。
一般來說，WLAN 和UMTS融合的方式有兩種：緊耦合和鬆耦合。在緊耦合體系中，WLAN閘道直接連接到UMTS網路。而在鬆耦合體系中，WLAN閘道並不是直接連接到UMTS網路中，而是通過Internet或是IP骨幹網作為仲介。在本系統中，利用鬆耦合體系來實現手持行動設備與UMTS網路之間的通信。WLAN和UMTS的鬆耦合體系結構如圖5所示。
圖5 WLAN和UMTS的松耦合體系結構
4 實驗驗證
系統在綜合測試過程中取得了初步的結果，感測器節點上的生命指標感測器採集到的資料，通過ZigBee無線通訊方式，將資料發送至監護基站設備，並顯示在基站設備的LCD上。每個病人總的資料傳輸量在22～76 kb / s之間（依據心電圖電極的數量而變化） ，常用測量信號的頻率範圍和資料量如表1所示。
由該基站裝置將資料傳輸至所連接的PC，或者其他網路設備上，通過In2ternet網路將資料傳輸至遠端醫療監護中心，由專業醫療人員對資料進行統計分析，提供必要的諮詢服務，實現遠端醫療。如在救護車中，急救人員還可通過GPRS實現急救病人情況的即時傳送，以利於醫院搶救室及時做好準備工作。
表1 常用測量信號的頻率範圍和資料量
5 結 論
所設計的一種新的網路式監護裝置及系統，可以減少監護設備與醫療感測器之間的連線，在獲得較準確的測量指標的同時，免除病人在家庭與醫院之間奔波的勞苦。同時，在醫院病房內建立無線監測網路，很多測試專案可在病床上完成，極大地方便病人就診。
另外，本系統還具有高的靈活性和擴展性，通過Internet可以使遠離醫院等醫護機構的病員也能隨時得到必要的醫療監護和遠端醫生的諮詢指導。
0 comments:
張貼留言