医疗传感器应用现状和设计挑战
时间:2019-04-12 13:26:36 来源:斗牛牛下载 作者:匿名


无线传感器网络(Network Sensor Network)是一种集传感器技术,嵌入式计算技术,现代网络和无线通信技术以及分布式信息处理技术于一体的新兴技术。它有广泛的应用场景。

随着技术的发展,WSN(无线传感器网络)将对医疗实践的诸多方面产生深远的影响。本文主要介绍了无线传感器网络医疗监控系统的体系结构和监控节点设计的一般原则。

无线传感器网络架构

监控区域内布置有大量传感器节点,节点以自组织方式组织,数据通过无线通信技术转发。每个节点都具有数据采集和数据融合与转发的双重功能。该节点对自身收集的信息和其他节点转发给它的信息进行初步数据处理和信息融合,然后通过相邻节点的中继传输将其发送给基站,然后传输到终端。用户通过因特网,卫星等通过基站。

节点是无线传感器网络的基本功能单元。具体应用不同,节点设计也不尽相同。传感器节点的基本组件是:传感单元,处理单元,通信单元和电源单元。此外,可根据具体应用要求添加定位系统,移动系统和电源自供电系统等功能单元。

无线传感器网络在医疗中的应用

无线传感器网络利用自身的优势(例如低成本,简单,快速,实时无创收集患者的各种生理参数等),使其可用于医学研究,医院/ICU病房或日常家庭监控。巨大的发展潜力是当前研究领域的热门话题。

用于检测人体参数的微传感器节点被放置在患者身上,并且可以实时远程监测诸如心率,血压,心电图,心音等的生理参数,并且将该信息集中地发送到监测及时处理和反馈的中心;无线传感器网络长期收集被观察者的人体生理数据,有助于了解人体健康状况,研究人体疾病。此外,它在药物管理和新药开发,血液管理等诸多方面也有其独特的应用。总之,无线传感器网络为未来的远程医疗监控系统提供了更简单,成本更低的实施方案。基于无线传感器网络的医疗架构

基于无线传感器网络的医疗监控系统主要由医疗传感器节点,医疗监控基站(医疗SINK节点)和社区/医院监控中心组成。

医疗传感器节点和监控基站形成个人/家庭或病房无线传感器网络,并且多个这样的网络可以形成社区或整个医院监控网络,或甚至更大范围的远程医疗监控系统。首先,医疗传感器节点收集人体的生理参数,并且在对所收集的参数进行简单处理之后,通过无线通信将数据直接或间接地发送到基站。监控基站进一步处理数据并将其转发到监控中心。监控中心执行分析和处理,并及时反馈患者。监控中心还可以使用各种方法(互联网,移动通信网络等)进行远程数据传输,并与其他监控中心共享信息。

医疗传感器节点设计

医疗传感器节点的基本结构包括处理模块,传感器模块和无线收发器模块,以及电源模块。

传感器模块用于感测,获取和转换外部传感器信号。它是整个节点与外部信号量实际接触的模块。然而,医疗传感器由活体测量。特别是人体可以说是世界上最复杂的系统,各种生理变量之间存在高度相关性,不容易接近。因此,医疗传感器应从大量现象中取出预测的生理量,并获得可靠而有意义的测量数据,同时确保待测物体的安全性。

由于人体参数多为弱信号,一般只有几mV级,甚至更低,并且有各种噪声(测量环境噪声,仪器和人体摩擦噪声和仪器本身噪声等),工频干扰(测量环境周围有50个)不利因素,如Hz电磁场)和各种噪声。因此,在特定医疗传感器节点的设计中,增加了模拟电路处理模块,该模块一般包括以下部分:放大电路,滤波电路,陷波电路和模拟数字(A)/D)转换电路。在节点设计中,放大电路一般采用多级放大(三级或四级)。除了放大功能之外,末级放大电路通常还具有电平升压功能;滤波电路应满足电路简单合理的截止频率和灵活性。方便调整高通和低通截止频率等要求,合理滤除信号中的高频和低频干扰;陷波电路:目前广泛使用的对称双T RC有源陷阱或集成开关电容器件和非对称电阻器容量网络陷阱等。简而言之,模拟电路处理模块主要对收集的信号进行放大,滤波,陷波等,去掉信号中的噪声和干扰,并提取有用的信号。处理器模块是传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制,任务分配和调度,数据集成和传输。目前,大多数处理器模块被Atmel的AVR系列微控制器,TI的MSP430超低功耗处理器,摩托罗拉和瑞萨处理器以及ARM微控制器用作32位嵌入式处理器。在节点设计中,处理器模块必须被编程为实现感测模块的获取控制,A/D转换的实现以??及无线通信模块的发送和接收。

无线收发器模块用于节点之间的数据通信。广泛用于无线领域的无线收发器模块是Chipcon Corporation的CCl000,CC2420和CC2430。常用的无线通信技术是:IEEE 802.11b,IEEE 802.15.4(ZigBee),蓝牙,UWB,RFID,IrDA(红外)等。大多数监控系统使用IEEE 802.15.4(ZigBee)和蓝牙来实现节点与节点和基站之间的数据通信。

电源模块为节点提供能量,并且是整个无线传感器节点的基本模块。然而,由于节点体积限制,传感器节点的能量非常有限。因此,在整个节点设计中,以低功耗和高精度为主要要求,采取一系列有效措施来节约能源。另外,医疗传感器节点不能频繁更换电池,影响人们的正常生活。因此,设计的医疗节点应具有较长的生命周期。

医疗无线传感器网络监控系统面临的挑战

尽管无线传感器网络在建立医疗监控系统方面具有独特的优势,但以下挑战仍适用于实际医疗应用:

大规模网络和大规模网络中节点的动态移动性:当监控系统扩展到社区,城市甚至整个国家时,其网络规模巨大,监控节点和基站都具有一定的移动性。因此,有必要设计合适的网络拓扑管理结构和节点移动性管理方法。

数据完整性和数据压缩:节点有时需要长达24小时才能监控人体参数。节点收集的数据量很大,而节点的存储容量很小。压缩算法通常用于减少数据的存储和传输。然而,传统数据的压缩算法太昂贵而不适合传感器节点。另外,压缩算法不能破坏原始数据,否则会导致患者的错误诊断。数据安全性:无线传感器网络节点以自组织方式组织,易受攻击。此外,患者信息需要保密。然而,传感器节点具有有限的计算能力,并且传统的安全和加密技术不适合。因此,必须设计适用于传感器节点的加密和解密算法。

总结和展望

随着技术的发展,无线医疗传感器节点正朝着多参数,智能化,小型化和低功耗的方向逐步发展,无线传感器网络将逐步应用于医疗领域。智能病房和社区监测系统的开发和建立是国内外医学发展的趋势。