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簡(jiǎn)介 醫療監護儀器目前可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是指在醫院內由職業(yè)醫生或專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員使用的專(zhuān)門(mén)儀器，對病人進(jìn)行生理指標的監護;另一類(lèi)是在普通人員的家庭內或者戶(hù)外，在醫生的指導下，由病人本人或者家屬使用遠程醫療監護系統對病人進(jìn)行監護，所得到的生理指標將及時(shí)傳送給相關(guān)醫生。目前，醫院所使用的監護方法，大多使用固定的醫療監護儀，連接設備將傳感器探頭連接在病人與監護設備之間進(jìn)行信號的傳遞。復雜的設備，眾多的連線(xiàn)，會(huì )造成病人心理上的壓力和緊張情緒，可能會(huì )影響病人身體狀況，使得診斷所得到的數據與真實(shí)情況有一定差距，給病人和醫護人員都帶來(lái)不便，可能會(huì )影響對病情的正確診斷�！ � 為了使經(jīng)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(dòng)的狀態(tài)下測量某些常規指標，目前國際上對遠程醫療的關(guān)注越來(lái)越強。本文設計出一種新的網(wǎng)絡(luò )式監護裝置及系統，目的是利用高頻率的無(wú)線(xiàn)多通道數據傳輸方式，傳遞醫療傳感器與監護控制儀器之間的信息，減少監護設備與醫療傳感器之間的連線(xiàn)，使得被監護人能夠擁有較多的自由活動(dòng)空間，在獲得較準確的測量指標的同時(shí)，免除病人在家庭與醫院之間奔波的勞苦。同時(shí)，在醫院病房?jì)冉o(wú)線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )，很多項測試可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫院的現代化信息管理和工作效率。另外，遠程監護系統還可以擴展，使遠離醫院等醫護機構的病員也隨時(shí)能夠得到必要的醫療監護，并且在必要的時(shí)候得到遠程醫生的咨詢(xún)指導，比如我國農村的缺醫少藥地區。 本文其它部分內容如下，第二部分介紹系統的體系結構;第三部分介紹系統中所使用的基站設備的設計方法;第四部分介紹系統中所使用的醫療傳感器節點(diǎn)的設計方法;第五部分介紹系統中基站和節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信;最后為實(shí)驗驗證和結論。 系統結構 本文提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的遠程醫療監護系統，提出了一種新的可擴展的多層次網(wǎng)絡(luò )式體系結構及實(shí)現方法，即由監護基站設備和無(wú)線(xiàn)專(zhuān)用傳感器節點(diǎn)構成一個(gè)微型監護網(wǎng)絡(luò )。傳感器節點(diǎn)上使用中央控制器對所需要監測的生命指標傳感器進(jìn)行控制來(lái)采集數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式將數據發(fā)送至監護基站設備，并由該基站裝置將數據傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò )設備上，通過(guò)In2ternet網(wǎng)絡(luò )可以將數據傳輸至遠程醫療監護中心，由專(zhuān)業(yè)醫療人員對數據進(jìn)行統計觀(guān)察，提供必要的咨詢(xún)服務(wù)，實(shí)現遠程醫療�！ � 圖1中描述了該遠程醫療監護系統的體系結構圖，系統中包括監護基站設備以及一系列醫療監護網(wǎng)絡(luò )的醫療傳感器節點(diǎn)。 
在本文所設計的系統中，醫療傳感器節點(diǎn)被用來(lái)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療設備的狀況或者治療過(guò)程情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監測。所獲得的數據信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式被傳輸到醫療監護基站設備上。我們將這類(lèi)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(jìn)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(jìn)行遠程數據傳輸通信，比如通過(guò)和PC相連接的RS2232接口、通過(guò)GSM短消息或者通過(guò)modem接入遠程以太網(wǎng)的方式接入遠程網(wǎng)絡(luò )，傳送到遠程端的信息將由遠程端的監護中心或者醫院管理中心的專(zhuān)業(yè)醫療人員進(jìn)行統計與分析，并及時(shí)對病人進(jìn)行信息反饋、提出忠告和建議等。 醫療傳感器節點(diǎn)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(shí)，將該系統接入Internet網(wǎng)絡(luò )，可以形成更大的社區醫療監護網(wǎng)絡(luò )、醫院網(wǎng)絡(luò )乃至整個(gè)城市和全國的醫療監護網(wǎng)絡(luò )，如圖2所示。
監護基站設備設計 圖3所示是本文設計的醫療監護基站設備的結構框圖。本系統主要實(shí)現的功能是采集并顯示測試得到的數據信息，同時(shí)將數據信息進(jìn)行適當存儲和網(wǎng)絡(luò )轉發(fā)，因此本系統中的監護基站設備被設計成一種手持設備，同時(shí)監護基站設備可以和系統中的多個(gè)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行通信以完成數據的采集和顯示等功能。在使用過(guò)程中，監護基站設備通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道向傳感器節點(diǎn)發(fā)送控制命令來(lái)啟動(dòng)傳感器節點(diǎn)，傳感器節點(diǎn)接收到命令后進(jìn)行相應的數據采集動(dòng)作，采集人體生理指標數據，采集結束后通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式將數據返回到監護基站，由監護基站進(jìn)行進(jìn)一步的顯示、存儲等操作。必要時(shí)，監護基站設備可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸到遠程服務(wù)器端�！�
醫療監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(gè)部分。醫療監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(diǎn)，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(hù)輸入指令的鍵盤(pán)以及顯示數據結果和操作過(guò)程的LCD顯示屏兩個(gè)部分。 為了增強系統的適用性和兼容性，監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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行近距離通信，其他通信接口用于和主機服務(wù)器進(jìn)行通信。例如，在家中沒(méi)有Internet網(wǎng)絡(luò )接入的情況下，用戶(hù)可以使用modem模塊接入電話(huà)線(xiàn)進(jìn)行撥號，將數據傳輸至服務(wù)器端。在戶(hù)外沒(méi)有其他連接方式的情況下，用戶(hù)可以使用GSM短消息的方式，將數據傳輸至服務(wù)器端。當處于醫院或者社區醫療中心的服務(wù)器端接收到監護基站設備所發(fā)送來(lái)的數據信息的時(shí)候，則可以對數據進(jìn)行存儲以及必要的分析，醫生則可以根據這些數據進(jìn)行相應的判斷和處理。對于在家中使用的醫療監護設備，用戶(hù)還可以根據需要，通過(guò)RS-232接口，將設備連接在家中的PC機上，這樣，就可以將監護基站設備的數據傳輸至計算機中，進(jìn)行更靈活的管理，家庭成員可以根據數據自己判斷被監護人員的身體狀況，同時(shí)也可以將數據傳輸到主服務(wù)器上，由專(zhuān)業(yè)醫療人員進(jìn)行分析與管理。圖4所示為本工作開(kāi)發(fā)的監護基站設備的硬件照片。
監護基站設備在正常工作狀態(tài)下使用電池進(jìn)行供電，因此在設計過(guò)程中尤其注意了低功耗的管理與控制。在不工作的時(shí)刻，系統會(huì )進(jìn)入低功耗以及休眠狀態(tài)來(lái)節省系統能量。 監護傳感器節點(diǎn)設計 醫療無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)主要功能為采集人體生理指標數據，或者對某些醫療設備的狀況或者治療過(guò)程情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監測，并通過(guò)射頻通信的方式，將數據傳輸至監護基站設備。如圖5所示，醫療傳感器節點(diǎn)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(shí)數據，在處理器將數據傳輸之后，傳感器節點(diǎn)內不做數據的大量存儲。在本文所設計的系統中，醫療傳感器模塊主要實(shí)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(chǎn)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(chǎn)的血壓測量模塊，血糖測量集成了TaiDoc公司所生產(chǎn)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)為血糖測量節點(diǎn)，圖6(b)為血壓測量節點(diǎn)，圖6(c)為血氧和脈搏測量節點(diǎn)。在本系統的設計中，無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)為傳感器擴展留出了豐富的接口，如果需要其它類(lèi)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(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，開(kāi)發(fā)相應的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節點(diǎn)直接加入到該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中。
無(wú)線(xiàn)通信設計 在醫院應用的醫療監護設備對電磁輻射的要求都很高。對于設備來(lái)講，輻射的電磁波既不能夠干擾其他設備正常工作，同時(shí)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(wú)線(xiàn)通信的家庭醫療設備在設計中必須對此方面進(jìn)行考慮�！� 在本系統中，所使用的射頻通信為全球公開(kāi)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(zhuān)門(mén)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(wú)線(xiàn)信號的工作強度進(jìn)行了控制，使得在正常狀態(tài)下，信號強度能夠滿(mǎn)足通信的需要而且不會(huì )有過(guò)多的浪費，一方面節省了系統的能量，另一方面也降低了無(wú)線(xiàn)通信過(guò)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(chǎn)的，是一款低功耗無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，尤其適合工作于低功耗、低電壓的無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足本系統射頻通信的需要。 實(shí)驗驗證 本系統在綜合測試過(guò)程中取得了初步的結果，傳感器采集數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道將數據發(fā)送至監護基站設備;監護基站設備將數據顯示在LCD顯示屏上，同時(shí)將數據通過(guò)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(xiàn)圖形的方式顯示出來(lái)。在實(shí)際應用中，可以根據這些曲線(xiàn)和數據對被監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(wù)器進(jìn)行管理和分析。圖7和圖8說(shuō)明了對被監測者的血氧狀況進(jìn)行監測并在監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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的可擴展的遠程醫療監護系統。該系統在家庭或者醫院病房的環(huán)境中建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò )，傳感器節點(diǎn)采集人體生理指標信息，或者動(dòng)態(tài)監測醫療儀器運行以及治療的過(guò)程，并且將信息傳輸到監護基站設備和服務(wù)器計算機。傳感器網(wǎng)絡(luò )系統可以通過(guò)監護基站設備以不同的方式連接到該遠程監控中心。系統具有高度的靈活性和可擴展性，可以廣泛應用于社區的遠程醫療和醫院病房監護的環(huán)境中。通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )可以構建遠程醫療信息網(wǎng)，不僅有利于發(fā)達地區的病人獲得保健服務(wù)，也有利于貧困地區的病人獲得必要的醫療服務(wù)。在未來(lái)的工作中，將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該系統的軟件和硬件，以提高穩定性和實(shí)用性，同時(shí)也將根據特殊的需要定制開(kāi)發(fā)上層管理軟件以及完善醫療監護管理平臺軟件。 參考文獻 1. Maglaveras N Citizen health system:telehealth homecare 2003 2. Mitchell S L.Morris J N.Park P S Terminal care for persons with advanced dementia in the nursing home and home care settings 2004(6) 3. 陳春曉.衡彤.劉建業(yè).葛一楠 XE1201 在無(wú)線(xiàn)中央監護系統中的應用 [期刊論文] -四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報2002(2) 4. 周瑋寧.施榮.沈連豐 基于藍牙技術(shù)的無(wú)線(xiàn)醫療監護系統 [期刊論文] -現代電子技術(shù)2004(1) 5. 諸強.王學(xué)民.胡賓.王明時(shí) 無(wú)線(xiàn)遠程醫療系統 [期刊論文] -北京生物醫學(xué)工程2004(3) 作者：趙澤 崔莉 （中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所,北京,100080） 來(lái)源：信息與控制 2006 35(2) |
