簡介

        醫(yī)療監(jiān)護儀器目前可以分為兩類，一類是指在醫(yī)院內由職業(yè)醫(yī)生或專業(yè)技術人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標的監(jiān)護;另一類是在普通人員的家庭內或者戶外，在醫(yī)生的指導下，由病人本人或者家屬使用遠程醫(yī)療監(jiān)護系統對病人進行監(jiān)護，所得到的生理指標將及時傳送給相關醫(yī)生。目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護方法，大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護儀，連接設備將傳感器探頭連接在病人與監(jiān)護設備之間進行信號的傳遞。復雜的設備，眾多的連線，會造成病人心理上的壓力和緊張情緒，可能會影響病人身體狀況，使得診斷所得到的數據與真實情況有一定差距，給病人和醫(yī)護人員都帶來不便，可能會影響對病情的正確診斷。　　

        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(tài)下測量某些常規(guī)指標，目前國際上對遠程醫(yī)療的關注越來越強。本文設計出一種新的網絡式監(jiān)護裝置及系統，目的是利用高頻率的無線多通道數據傳輸方式，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護控制儀器之間的信息，減少監(jiān)護設備與醫(yī)療傳感器之間的連線，使得被監(jiān)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)院病房內建立無線監(jiān)測網絡，很多項測試可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫(yī)院的現代化信息管理和工作效率。另外，遠程監(jiān)護系統還可以擴展，使遠離醫(yī)院等醫(yī)護機構的病員也隨時能夠得到必要的醫(yī)療監(jiān)護，并且在必要的時候得到遠程醫(yī)生的咨詢指導，比如我國農村的缺醫(yī)少藥地區(qū)。

 系統結構

        本文提出了一種基于無線傳感器網絡技術的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統，提出了一種新的可擴展的多層次網絡式體系結構及實現方法，即由監(jiān)護基站設備和無線專用傳感器節(jié)點構成一個微型監(jiān)護網絡。傳感器節(jié)點上使用中央控制器對所需要監(jiān)測的生命指標傳感器進行控制來采集數據，通過無線通信方式將數據發(fā)送至監(jiān)護基站設備，并由該基站裝置將數據傳輸至所連接的PC或者其他網絡設備上，通過In2ternet網絡可以將數據傳輸至遠程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數據進行統計觀察，提供必要的咨詢服務，實現遠程醫(yī)療?！　?/p>

        圖1中描述了該遠程醫(yī)療監(jiān)護系統的體系結構圖，系統中包括監(jiān)護基站設備以及一系列醫(yī)療監(jiān)護網絡的醫(yī)療傳感器節(jié)點。

　　在本文所設計的系統中，醫(yī)療傳感器節(jié)點被用來測量各種人體生理指標，比如體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等，傳感器還可以對某些醫(yī)療設備的狀況或者治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測。所獲得的數據信息通過無線通信的方式被傳輸到醫(yī)療監(jiān)護基站設備上。我們將這類家庭基站或病房基站設計為手持型的設備，基站設備可以將收到的傳感器數據信息進行保存和處理并將數據顯示在該設備的LCD液晶顯示屏上，而且可以根據需要選擇采用多種方式進行遠程數據傳輸通信，比如通過和PC相連接的RS2232接口、通過GSM短消息或者通過modem接入遠程以太網的方式接入遠程網絡，傳送到遠程端的信息將由遠程端的監(jiān)護中心或者醫(yī)院管理中心的專業(yè)醫(yī)療人員進行統計與分析，并及時對病人進行信息反饋、提出忠告和建議等。

　　醫(yī)療傳感器節(jié)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網絡，可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護網絡、醫(yī)院網絡乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網絡，如圖2所示。

     圖3所示是本文設計的醫(yī)療監(jiān)護基站設備的結構框圖。本系統主要實現的功能是采集并顯示測試得到的數據信息，同時將數據信息進行適當存儲和網絡轉發(fā)，因此本系統中的監(jiān)護基站設備被設計成一種手持設備，同時監(jiān)護基站設備可以和系統中的多個傳感器節(jié)點進行通信以完成數據的采集和顯示等功能。在使用過程中，監(jiān)護基站設備通過無線信道向傳感器節(jié)點發(fā)送控制命令來啟動傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收到命令后進行相應的數據采集動作，采集人體生理指標數據，采集結束后通過無線通信的方式將數據返回到監(jiān)護基站，由監(jiān)護基站進行進一步的顯示、存儲等操作。必要時，監(jiān)護基站設備可以通過網絡將數據傳輸到遠程服務器端?！?/p>

　醫(yī)療監(jiān)護基站設備主要包括:處理器、存儲器、人機交互模塊、通信模塊接口等幾個部分。醫(yī)療監(jiān)護設備的主處理器采用了TI公司的MSP430系列的低功耗處理器，該系列處理器具有超低功耗、處理速度高、接口豐富等特點，非常適合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式設備。人機交互接口包括用戶輸入指令的鍵盤以及顯示數據結果和操作過程的LCD顯示屏兩個部分。

　　為了增強系統的適用性和兼容性，監(jiān)護基站設備上設計了多種通信模塊接口，其中包括RS-232接口、modem接口模塊、GSM短消息接口模塊和射頻接口模塊。其中射頻接口模塊用于和系統內無線傳感器節(jié)點進行近距離通信，其他通信接口用于和主機服務器進行通信。例如，在家中沒有Internet網絡接入的情況下，用戶可以使用modem模塊接入電話線進行撥號，將數據傳輸至服務器端。在戶外沒有其他連接方式的情況下，用戶可以使用GSM短消息的方式，將數據傳輸至服務器端。
 

        當處于醫(yī)院或者社區(qū)醫(yī)療中心的服務器端接收到監(jiān)護基站設備所發(fā)送來的數據信息的時候，則可以對數據進行存儲以及必要的分析，醫(yī)生則可以根據這些數據進行相應的判斷和處理。對于在家中使用的醫(yī)療監(jiān)護設備，用戶還可以根據需要，通過RS-232接口，將設備連接在家中的PC機上，這樣，就可以將監(jiān)護基站設備的數據傳輸至計算機中，進行更靈活的管理，家庭成員可以根據數據自己判斷被監(jiān)護人員的身體狀況，同時也可以將數據傳輸到主服務器上，由專業(yè)醫(yī)療人員進行分析與管理。圖4所示為本工作開發(fā)的監(jiān)護基站設備的硬件照片。

　　監(jiān)護基站設備在正常工作狀態(tài)下使用電池進行供電，因此在設計過程中尤其注意了低功耗的管理與控制在不工作的時刻，系統會進入低功耗以及休眠狀態(tài)來節(jié)省系統能量。

監(jiān)護傳感器節(jié)點設計

        醫(yī)療無線傳感器節(jié)點主要功能為采集人體生理指標數據，或者對某些醫(yī)療設備的狀況或者治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數據傳輸至監(jiān)護基站設備。如圖5所示，醫(yī)療傳感器節(jié)點主要包括4部分:處理器部分、數據存儲部分、傳感器模塊和RF射頻通信部分。處理器部分根據低功耗和處理能力的需要，采用了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據，在處理器將數據傳輸之后，傳感器節(jié)點內不做數據的大量存儲。在本文所設計的系統中，醫(yī)療傳感器模塊主要實現了以下幾種功能，包括血氧、脈搏、血壓和血糖的測量等。其中，血氧和脈搏測量集成了上海貝瑞公司所生產的BCI血氧脈搏測量模塊;血壓測量集成了臺灣TaiDoc公司所生產的血壓測量模塊，血糖測量集成了TaiDoc公司所生產的血糖測量模塊。

        圖6顯示了這3種模塊的硬件電路照片。其中，圖6(a)為血糖測量節(jié)點，圖6(b)為血壓測量節(jié)點，圖6(c)為血氧和脈搏測量節(jié)點。在本系統的設計中，無線節(jié)點為傳感器擴展留出了豐富的接口，如果需要其它類型的生理指標數據，如體溫、心電等數據，則只需要將相應的傳感器接入預留的接口，就可以形成新的無線傳感器節(jié)點，開發(fā)相應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絡中。

無線通信設計

        在醫(yī)院應用的醫(yī)療監(jiān)護設備對電磁輻射的要求都很高。對于設備來講，輻射的電磁波既不能夠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(yī)院或者使用無線通信的家庭醫(yī)療設備在設計中必須對此方面進行考慮?！?/p>

        在本系統中，所使用的射頻通信為全球公開的免費214GHz的ISM頻段，采用的通信標準為802.15.4/Zigbee標準，該標準專門針對近距離高速數據傳輸，具有較高的數據糾錯和抗干擾能力。并且，系統對無線信號的工作強度進行了控制，使得在正常狀態(tài)下，信號強度能夠滿足通信的需要而且不會有過多的浪費，一方面節(jié)省了系統的能量，另一方面也降低了無線通信過程對于其他設備的干擾。

        本系統所設計的射頻通信裝置使用了以CC2420芯片為核心的射頻通信模塊。該芯片是美國Chipcon公司生產的，是一款低功耗無線收發(fā)芯片，尤其適合工作于低功耗、低電壓的無線通信設備中。該芯片工作在2.4GHz的免費ISM頻段，射頻收發(fā)符合IEEE802.15.4/Zigbee標準，能夠滿足本系統射頻通信的需要。

實驗驗證

        本系統在綜合測試過程中取得了初步的結果，傳感器采集數據，通過無線信道將數據發(fā)送至監(jiān)護基站設備;監(jiān)護基站設備將數據顯示在LCD顯示屏上，同時將數據通過RS2232接口傳輸到計算機中;計算機根據所獲得的數據在軟件中將數據以曲線圖形的方式顯示出來。在實際應用中，可以根據這些曲線和數據對被監(jiān)測者的健康狀況做出分析。如果在室外環(huán)境中，則可以使用GSM短消息的方式，將測量的數據發(fā)送至服務器進行管理和分析。圖7和圖8說明了對被監(jiān)測者的血氧狀況進行監(jiān)測并在監(jiān)護基站設備上以及在計算機上顯示數據的情況。
 
 

總結和展望

        本文介紹了一種基于無線傳感器網絡的可擴展的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統。該系統在家庭或者醫(yī)院病房的環(huán)境中建立一個無線傳感器網絡，通過該網絡，傳感器節(jié)點采集人體生理指標信息，或者動態(tài)監(jiān)測醫(yī)療儀器運行以及治療的過程，并且將信息傳輸到監(jiān)護基站設備和服務器計算機。傳感器網絡系統可以通過監(jiān)護基站設備以不同的方式連接到該遠程監(jiān)控中心。系統具有高度的靈活性和可擴展性，可以廣泛應用于社區(qū)的遠程醫(yī)療和醫(yī)院病房監(jiān)護的環(huán)境中。通過Internet網絡可以構建遠程醫(yī)療信息網，不僅有利于發(fā)達地區(qū)的病人獲得保健服務，也有利于貧困地區(qū)的病人獲得必要的醫(yī)療服務。在未來的工作中，將進一步開發(fā)該系統的軟件和硬件，以提高穩(wěn)定性和實用性，同時也將根據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)護管理平臺軟件。