远程医疗监护系统设计

1

2 基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计 摘要：本文介绍了一种基于无线传感网络技术的嵌入式远程医疗监护系统。首先，以各

种无线通信生理指标传感器为核心，设计了一种可扩展的基于无线传感器网络的监护系统体系结构模型。介绍了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要点。对无线传感网络的常用组网技术进行了探讨，并Zigbee协议作为节点和基站设备所使用的近距离通信标准，建立了系统网络拓扑结构模型。进一步讨论了联入Internet网络或者通过modem接入Internet网络的可行性。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：无线传感网络 ，远程医疗监护，Zigbee

1 绪论 无线传感器网络是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络，其应用前景广阔。 Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术如蓝牙技术、射频技术等,Zigbee技术将是最低功耗和成本的技术。 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。随着社会老龄化的加剧，解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题。一些突发性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常护理、孕妇、胎儿、婴儿、幼儿的保健也需3

远端监控设备 监护中心

要长期的家庭监护。由于我国医疗资源紧缺，研究基于公用网络的家庭医疗监护，建立小区医疗网络，利用远程医疗监护系统可以提高医疗服务水平，减轻病人负担。以往的解决方案是采用有线方式或简单的无线数据发射接收方式。被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入，系统没有扩展性，成本高。Zigbee 技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案。Zigbee节点有几十米的覆盖范围，且可以增加路由节点，扩展覆盖范围，因此适用于家庭住宅。同时由于生理监护信号的数据传输流量不大，传输速率为250kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求。Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络，相对具有低功耗和低成本的特点。 Zigbee无线传感器网络的上述特点使其在个人生理信号监测和远程家庭监护方面将有很好的应用前景。本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上，对其在移动监护的应用进行了研究。 1.1分布式远程医疗监护系统简介 远程医疗监护技术是近年来远程医疗中的一个研究热点，也是一个相对薄弱的环节，欧美各国一直致力于对远程监护的研究，我国近年来也开始推动其发展。远程监护可以定义为通过通信网络将远端的生理信息和医学信号传送到监护中心进行分析并给出诊断意见的一种技术手段，因此远程医疗监护系统一般包括三个部分:监护中心、远端监护设备和联系两者的通信网络。简化远程监护系统结构如下： 通信网络

图1.1远程监护系统结构图 1．远端监护设备 根据监护对象的和监护目的不同，远端监护设备有多种类型，按用途可分为三类:一类为生理参数检测和遥测监护系统，这类设备的使用范围最为广泛，能帮助医生掌握监护对象的病情并提供及时的医疗指导。检测的生理信息主要包括:心电图、脑电图、心率、血压、脉搏、呼吸、血气、血氧饱和度、体温、血糖等。第二类为日常活动监测设备，如监护对象的坐卧行走等活动状态和监护对象的日常生活设施使用情况，主要应用于儿童、老年人和残疾人。第三类是用于病人护理的检测设备，如瘫痪病人尿监测设备，可以降低护理人员的劳动强度。

2．监护中心 监护中心可以位于急救中心、社区医院、中心医院或其它医护人员集中的场所，其功4

能为接收远端监护设备传送的医学信息，为远地患者提供多种医疗服务。 3．通信系统

连接远端监护设备和监护中心的通信方式主要包括:程控电话(PSTN)、交互电视、综合服务数字网(ISDN )、非对称数字用户线环路(ASDL)、光纤网(ATM )、微波通信、卫星通信、无线蜂窝通信(移动电话GSM)等。 远程监护的支撑技术包括:传感器技术、医学遥测技术、电子技术、通信技术、计算机技术及信息学等多个方面。

1.2远程监护的研究意义

科学研究和医疗保健的需求、信息技术的飞速发展，都推动着远程监护技术的进步，发展远程监护技术具有重要的意义: ①缩短医生和患者之间的距离，为患者提供及时救助，减少患者或医务人员的路途奔波。对患者的重要生理参数实施远程监护，不仅可以辅助治疗，还能在患者病情突然恶化时报警。 ②对自理能力较差的老年人和残疾人的日常生活状态实施远程监护，不仅 能提高医护人员的护理水平和患者的生活质量，还可以评估监护对象的独立生活能力和健康状况。 ③远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心理压力，提高了诊断的准确性。 ④对健康状况进行监护，可以发现疾病的早期症状，从而达到保健和预防疾病的目的。 ⑤先进的医学支持系统为通信和信息领域中的新技术提供了一个进行评测的平台，如虚拟环境、智能传感器和辅助医生的决策系统等。

2 医疗监测原理与系统设计思想 本系统由监护基站设备和Zigbee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Zigbee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Internet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。在救护车中的急救人员还可通过GPRS实现将急救病人情况的实时传送，以利于医院抢救室及时地做好准备工作。该远程医疗监护系统的体系结构如图2-1所示。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Internet网络，可以形成更大5

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。 其他医院WLANZigBeeSensor

GPRS

医疗设备医生病人

医院信息中心家庭监护

图2-1 远程监护系统体系结构

系统中包括WPAN (Wireless Personal Area Network) Zigbee网络以及一系列医疗监护网络的医疗传感器节点。本系统还具有良好的扩展性。例如:医护人员在急救途中或是在其他医院可以分别利用WLAN/UMTS网关和互联网与系统进行信息交互。 3监护系统硬件设计 3.1传感器节点设计关键技术 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。医疗传感器节点框图和处理器单元如图3-1所示。 医疗传感器模块 CPU ZigBee通信模块

电源

电源 图3-1 医疗传感器节点框图 6

医疗传感器节点主要包括4 部分：生理信息与数据采集单元、无线数据通信单元、处理器单元、电源。处理单元主要分为五个部分：CPU、存储器、AD 转换、测试带和数码显示屏。根据低功耗和处理能力的需要，可以采用TI 公司的MSP430 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；用ADC12 和DAC12 对测试带传过的模拟信号进行转换。工作原理：首先由控制单元发出开始监测某项生理参数的指令，然后通过无线数据通信单元把指令发给生理信息与数据采集单元对人体生理信号（体温、血压、脉搏、血氧等，本文主要是体温信号）进行采集后通过无线数据通信单元将数据传给控制和显示单元中的信息处理模块控制和显示单元，一方面对接收到的数据进行处理和显示，另一方面将结果数据存人数据库供检索和回放。节点的核心是无线数据通信单元和生理信息与数据采集单元。以下简要介绍这两个单元： 3.1.1无线数据通信单元 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，在医院或者使用无限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，所使用的射频通信采用的通信标准为802.15.4/Zigbee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可以使用以CC2420芯片为核心的射频通信模块。该芯片是美国Chipcon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2.4GHz的免费ISM频段，射频收发符合IEEE802.15.4/Zigbee标准，能够满足本系统射频通信的需要。无线传感器节点的结构框图如图3-2所示。