一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统

文章编号:1002 0411(2006)02 0265 05一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统赵 泽,崔 莉(中国科学院计算技术研究所,北京 100080)摘 要:介绍了一种基于无线传感器网络技术的嵌入式远程医疗监护系统.首先,提出了以各种无线通信生理指标传感器形成一种可扩展的无线传感器网络的系统结构.然后,介绍在该系统结构中采用的无线生理指标传感器节点以及监护基站设备的设计.在本系统中,节点和基站设备所使用的近距离通信标准为802.15.4/Z igbee标准,同时本系统中的基站设备可以采用多种接入方式进行远距离数据传输,包括直接联入In ternet网络、使用G S M短消息通信方式或者通过mode m接入Internet网络.该系统可以应用于家庭以及医院病房,构成远程的家庭、社区以及医院的医疗监护系统.*关键词:无线传感器网络;远程医疗监护;802.15.4/Z i gbee中图分类号:T P393 文献标识码:BA R e mote H ealth Care Syste m Based onW ireless Sensor Net w orksZ HAO Ze,CU I Li(In stit u t e of Co mpu ti ng T e chnolo gy,Ch inese Acad e m y of S cie n ces,B ei j i ng100080,Ch i na)Ab stract:A n embedded re m ote hea lt h care syste m based on w ireless sensor net w ork techno l ogy is established.F irstl y,a new syste m architecture is proposed wh i ch i ntroduces a scalab le w ireless senso r ne t w ork w ith a v ariety o fw ireless physi o log i ca l senso r nodes.T hen t he desi gns of severa lw ireless physio l og i ca l sensor nodes and the care base stati on are presented.W ireless comm un i cati on bet w een the senso r nodes and the care base stati on is rea lized w it h IEEE802.15.4/Z i gbee standard,and t he care base station and the remo te centra l server a re connected i n one of t he fo llow i ng w ays,i ncl uding compu ting ne t w ork,G S M s hort m essages and te l ephone m odem.The syste m can be used at hom e o r in hospita ls to form a re m ote hea lth care syste m a m ong ho m e,comm un it y and hospita.lK ey words:w ire less senso r net wo rk;remo te hea lt h care;802.15.4/Z i gbee1 简介(Introduction)医疗监护仪器目前可以分为两类,一类是指在医院内由职业医生或专业技术人员使用的专门仪器,对病人进行生理指标的监护;另一类是在普通人员的家庭内或者户外,在医生的指导下,由病人本人或者家属使用远程医疗监护系统对病人进行监护,所得到的生理指标将及时传送给相关医生.目前,医院所使用的监护方法,大多使用固定的医疗监护仪,连接设备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号的传递.复杂的设备,众多的连线,会造成病人心理上的压力和紧张情绪,可能会影响病人身体状况,使得诊断所得到的数据与真实情况有一定差距,给病人和医护人员都带来不便,可能会影响对病情的正确诊断. 为了使经常需要测量生理指标的人员(比如慢性病人或者老年患者等)能够在家中在随意运动的状态下测量某些常规指标,目前国际上对远程医疗的关注越来越强[1~5].本文设计出一种新的网络式监护装置及系统,目的是利用高频率的无线多通道数据传输方式,传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息,减少监护设备与医疗传感器之间的连线,使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间,在获得较准确的测量指标的同时,免除病人在家庭与医院之间奔波的劳苦.同时,在医院病房内建立无线监测网络,很多项测试可以在病床上完成,能够极大地方便病人就诊,并加强医院的现代化信息管理和工作效率.另外,远程监护系统还可以扩展,使远离医院等医护机构的病员也随时能够得到必要的医疗监第35卷第2期2006年4月 信息与控制Info r ma ti on and Contro lV o.l35,N o.2A pr.,2006*收稿日期:2006-01-20护,并且在必要的时候得到远程医生的咨询指导,比如我国农村的缺医少药地区.本文其它部分内容如下,第二部分介绍系统的体系结构;第三部分介绍系统中所使用的基站设备的设计方法;第四部分介绍系统中所使用的医疗传感器节点的设计方法;第五部分介绍系统中基站和节点无线通信;最后为实验验证和结论.2 系统结构(Syste m structure)本文提出了一种基于无线传感器网络技术的远程医疗监护系统,提出了一种新的可扩展的多层次网络式体系结构及实现方法,即由监护基站设备和无线专用传感器节点构成一个微型监护网络.传感器节点上使用中央控制器对所需要监测的生命指标传感器进行控制来采集数据,通过无线通信方式将数据发送至监护基站设备,并由该基站装置将数据传输至所连接的PC 或者其他网络设备上,通过I n ter net 网络可以将数据传输至远程医疗监护中心,由专业医疗人员对数据进行统计观察,提供必要的咨询服务,实现远程医疗.图1中描述了该远程医疗监护系统的体系结构图,系统中包括监护基站设备以及一系列医疗监护网络的医疗传感器节点.图1 监护系统结构示意图F i g .1 Struct ure o f the healt h care syste m在本文所设计的系统中,医疗传感器节点被用来测量各种人体生理指标,比如体温、血压、脉搏、血糖、血氧等,传感器还可以对某些医疗设备的状况或者治疗过程情况进行动态监测.所获得的数据信息通过无线通信的方式被传输到医疗监护基站设备上.我们将这类家庭基站或病房基站设计为手持型的设备,基站设备可以将收到的传感器数据信息进行保存和处理并将数据显示在该设备的LCD 液晶显示屏上,而且可以根据需要选择采用多种方式进行远程数据传输通信,比如通过和PC 相连接的RS 232接口、通过GS M 短消息或者通过m ode m 接入远程以太网的方式接入远程网络,传送到远程端的信息将由远程端的监护中心或者医院管理中心的专业医疗人员进行统计与分析,并及时对病人进行信息反馈、提出忠告和建议等. 医疗传感器节点可以根据不同的需要而设置,因此该系统具有极大的灵活性和扩展性.同时,将该系统接入Inter net 网络,可以形成更大的社区医疗监护网络、医院网络乃至整个城市和全国的医疗监护网络,如图2所示.图2 远程医疗监护网络示意图F ig .2 Structure o f the re m ote health care net wo rk3 监护基站设备设计(D esign of the healt h care base station)图3所示是本文设计的医疗监护基站设备的结构框图.本系统主要实现的功能是采集并显示测试得到的数据信息,同时将数据信息进行适当存储和网络转发,因此本系统中的监护基站设备被设计成一种手持设备,同时监护基站设备可以和系统中的多个传感器节点进行通信以完成数据的采集和显示等功能.在使用过程中,监护基站设备通过无线信道向传感器节点发送控制命令来启动传感器节点,传感器节点接收到命令后进行相应的数据采集动作,采集人体生理指标数据,采集结束后通过无线通信的方式将数据返回到监护基站,由监护基站进行进一步的显示、存储等操作.必要时,监护基站设备可以通过网络将数据传输到远程服务器端.医疗监护基站设备主要包括:处理器、存储器、人机交互模块、通信模块接口等几个部分.医疗监护266 信 息 与 控 制 35卷设备的主处理器采用了T I 公司的M SP430系列的低功耗处理器,该系列处理器具有超低功耗、处理速度高、接口丰富等特点,非常适合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式设备.人机交互接口包括用户输入指令的键盘以及显示数据结果和操作过程的LCD 显示屏两个部分.图3 监护基站设备结构框图F i g .3 Structure o f the care base station为了增强系统的适用性和兼容性,监护基站设备上设计了多种通信模块接口,其中包括RS 232接口、m ode m 接口模块、GS M 短消息接口模块和射频接口模块.其中射频接口模块用于和系统内无线传感器节点进行近距离通信,其他通信接口用于和主机服务器进行通信.例如,在家中没有Interne t 网络接入的情况下,用户可以使用m ode m 模块接入电话线进行拨号,将数据传输至服务器端.在户外没有其他连接方式的情况下,用户可以使用GS M 短消息的方式,将数据传输至服务器端.当处于医院或者社区医疗中心的服务器端接收到监护基站设备所发送来的数据信息的时候,则可以对数据进行存储以及必要的分析,医生则可以根据这些数据进行相应的判断和处理.对于在家中使用的医疗监护设备,用户还可以根据需要,通过RS 232接口,将设备连接在家中的PC 机上,这样,就可以将监护基站设备的数据传输至计算机中,进行更灵活的管理,家庭成员可以根据数据自己判断被监护人员的身体状况,同时也可以将数据传输到主服务器上,由专业医疗人员进行分析与管理.图4所示为本工作开发的监护基站设备的硬件照片.监护基站设备在正常工作状态下使用电池进行供电,因此在设计过程中尤其注意了低功耗的管理与控制.在不工作的时刻,系统会进入低功耗以及休眠状态来节省系统能量.图4 监护基站设备硬件电路F i g .4 T he hea lt h care base stati on hard w are4 监护传感器节点设计(Design of the healt h care sensor nodes)医疗无线传感器节点主要功能为采集人体生理指标数据,或者对某些医疗设备的状况或者治疗过程情况进行动态监测,并通过射频通信的方式,将数据传输至监护基站设备.如图5所示,医疗传感器节点主要包括4部分:处理器部分、数据存储部分、传感器模块和RF 射频通信部分.处理器部分根据低功耗和处理能力的需要,采用了T I 公司的M SP430系列单片机.存储器部分主要用于存储传感器所采集的临时数据,在处理器将数据传输之后,传感器节点内不做数据的大量存储.在本文所设计的系统中,图5 传感器节点结构框图F i g .5 Structure of t he sensor node医疗传感器模块主要实现了以下几种功能,包括血氧、脉搏、血压和血糖的测量等.其中,血氧和脉搏测量集成了上海贝瑞公司所生产的BCI 血氧脉搏测量模块;血压测量集成了台湾Tai D oc 公司所生产的血压测量模块,血糖测量集成了Ta i D oc 公司所生产的血糖测量模块.图6显示了这3种模块的硬件电路照片.其中,图6(a)为血糖测量节点,图6(b)为血压测量节点,图6(c)为血氧和脉搏测量节点.在本系统的设计中,无线节点为传感器扩展留出了丰富的接口,如果需要其它类型的生理指标数据,如体温、心电等数据,则只需要将相应的传感器接入预留的接口,就可以形成新的无线传感器节点,开发相应的嵌入式控制及处理软件,就可以将节点直接加入到该无线传感器网络中.2672期 赵 泽等:一种基于无线传感器网络的远程医疗监护系统(a)血糖测量节点(b)血压测量节点(c) 血氧和脉搏测量节点图6 传感器节点F i g .6 Senso r nodes5 无线通信设计(Design of w ireless co m m unication)在医院应用的医疗监护设备对电磁辐射的要求都很高.对于设备来讲,辐射的电磁波既不能够干扰其他设备正常工作,同时也应具有一定的抗干扰能力,不受其他设备辐射出的电磁波干扰.因此,在医院或者使用无线通信的家庭医疗设备在设计中必须对此方面进行考虑.在本系统中,所使用的射频通信为全球公开的免费2 4GH z 的IS M 频段,采用的通信标准为802 15 4/Z i g bee 标准,该标准专门针对近距离高速数据传输,具有较高的数据纠错和抗干扰能力.并且,系统对无线信号的工作强度进行了控制,使得在正常状态下,信号强度能够满足通信的需要而且不会有过多的浪费,一方面节省了系统的能量,另一方面也降低了无线通信过程对于其他设备的干扰.本系统所设计的射频通信装置使用了以CC2420芯片为核心的射频通信模块.该芯片是美国Ch i p con 公司生产的,是一款低功耗无线收发芯片,尤其适合工作于低功耗、低电压的无线通信设备中.该芯片工作在2 4GH z 的免费I S M 频段,射频收发符合I EEE 802 15 4/Zi g bee 标准,能够满足本系统射频通信的需要.6 实验验证(Experi m ental validation)本系统在综合测试过程中取得了初步的结果,传感器采集数据,通过无线信道将数据发送至监护基站设备;监护基站设备将数据显示在LCD 显示屏上,同时将数据通过RS 232接口传输到计算机中;计算机根据所获得的数据在软件中将数据以曲线图形的方式显示出来.在实际应用中,可以根据这些曲线和数据对被监测者的健康状况做出分析.如果在室外环境中,则可以使用GSM 短消息的方式,将测量的数据发送至服务器进行管理和分析.图7和图8说明了对被监测者的血氧状况进行监测并在监护基站设备上以及在计算机上显示数据的情况.图7 在监护基站LCD 显示屏上显示的血氧浓度测量曲线以及测量数值F i g.7 B l ood oxygen concentra ti on testi ng curv e and va l ued i sp l ayed on the base sta ti on LCD screen图8 在远程PC 机上显示由监护基站设备传输的血氧浓度测量曲线及数据F i g .8 B lood oxyg en concentrati on m easure m ent curveand va l ues shown on t he re m o te PC7 总结和展望(Conclusions and future work)本文介绍了一种基于无线传感器网络的可扩展268 信 息 与 控 制 35卷的远程医疗监护系统.该系统在家庭或者医院病房的环境中建立一个无线传感器网络,通过该网络,传感器节点采集人体生理指标信息,或者动态监测医疗仪器运行以及治疗的过程,并且将信息传输到监护基站设备和服务器计算机.传感器网络系统可以通过监护基站设备以不同的方式连接到该远程监控中心.系统具有高度的灵活性和可扩展性,可以广泛应用于社区的远程医疗和医院病房监护的环境中.通过Inter net网络可以构建远程医疗信息网,不仅有利于发达地区的病人获得保健服务,也有利于贫困地区的病人获得必要的医疗服务.在未来的工作中,将进一步开发该系统的软件和硬件,以提高稳定性和实用性,同时也将根据特殊的需要定制开发上层管理软件以及完善医疗监护管理平台软件.感谢(A cknow l e dge m ent)本工作得到 中科院百人计划 以及 中科院知识创新基金 的支持.在工作过程中得到苗勇的大力支持,在此一并感谢.参 考 文 献(R eferences)[1] M aglaveras N.C itizen healt h s yste m:tel eh ealt h ho m ecare[J].Studies i n H eal th Technology and Infor m ati cs,2003,92:117~125.[2] M itchell S L,M orris J N,Park P S,et al.Ter m i nal care f orpersons w it h advan ced de m en tia i n the nu rs i ng h o m e and ho m ecare s etti ngs[J].J ou rnal of Palliati veM ed ici ne,2004,7(6):808~816.[3] 陈晓春,衡彤,刘建业,等.XE1201在无线中央监护系统中的应用[J].四川工业学院学报,2002,21(2):28~30. 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