無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療中的應(yīng)用

4 醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括處理模塊、傳感器模塊和無線收發(fā)模塊以及電源供電模塊。
傳感器模塊用來進(jìn)行外部傳感器信號的感知、采集、轉(zhuǎn)換。是整個節(jié)點(diǎn)真正與外部信號量接觸的模塊。然而，醫(yī)用傳感器是以生命體為測量對象。尤其是人體，可以說是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)，各生理變量間存在著高度的相關(guān)性而且不易接近。所以醫(yī)用傳感器要從眾多的現(xiàn)象中取出預(yù)測生理量，得出可靠而有意義的測量數(shù)據(jù)，同時(shí)又要確保被測對象的安全。
由于人體參數(shù)大多是微弱信號，一般只有幾mV級別，甚至更低，并且存在多種噪聲(測量環(huán)境噪聲、儀器與人體摩擦噪聲以及儀器本身噪聲等)、工頻干擾(由測量環(huán)境周圍存在50 Hz的電磁場引起的)以及各種雜音等不利因素。因此，在具體醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，加入模擬電路處理模塊，該模塊一般包括以下幾個部分：放大電路、濾波電路、陷波電路以及模數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換電路等。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中放大電路一般采用多級放大(三級或四級)，末級放大電路除了有放大功能外一般還具有電平提升功能；濾波電路：應(yīng)滿足電路簡潔、合理的截止頻率、靈活方便的調(diào)節(jié)高低通截止頻率等要求，合理的濾掉信號中的高頻與低頻干擾；陷波電路：目前廣泛采用對稱性雙T阻容有源陷波器或用集成開關(guān)電容器件以及非對稱阻容網(wǎng)絡(luò)陷波器等?？傊?，模擬電路處理模塊主要對采集到的信號進(jìn)行放大、濾波、陷波等處理，去除信號中的噪音、干擾，提取出有用信號。
處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)整個節(jié)點(diǎn)的設(shè)備控制、任務(wù)分配與調(diào)度、數(shù)據(jù)整合與傳輸?shù)?。目前處理器模塊中使用較多的是Atmel公司的AVR系列單片機(jī)、TI公司的MSP430超低功耗處理器、Motorola公司和Renesas公司的處理器以及作為32位嵌入式處理器的ARM單片機(jī)。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，必須編程實(shí)現(xiàn)處理器模塊對傳感模塊采集控制、A／D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)以及控制無線通信模塊的收發(fā)。
無線收發(fā)模塊用于節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。在無線領(lǐng)域應(yīng)用較多的無線收發(fā)模塊為Chipcon公司的CCl000、CC2420、CC2430。常用的無線通信技術(shù)有：IEEE 802．1lb、IEEE 802．15．4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA(紅外線)等。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)大多采用IEEE 802．15．4(ZigBee)、藍(lán)牙來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)與基站之間的數(shù)據(jù)通信。
電源模塊為節(jié)點(diǎn)提供能量，是整個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)模塊。然而，受節(jié)點(diǎn)體積限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量非常有限。因此，在整個節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，以低功耗、高精度為主要要求，采取一系列有效的措施來節(jié)省能量。另外，醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)不能頻繁更換電池，影響人的正常生活。所以，所設(shè)計(jì)的醫(yī)療節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有較長的生命周期。

5 醫(yī)療無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)存在的挑戰(zhàn)
盡管無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組建醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)方面有其獨(dú)有優(yōu)勢，但應(yīng)用到實(shí)際醫(yī)療中還存在以下挑戰(zhàn)：
(1)動態(tài)組網(wǎng)與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動性管理：當(dāng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)擴(kuò)展到社區(qū)、城市甚至全國時(shí)，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，并且監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)與基站都具有一定的移動性。因此，必須設(shè)計(jì)一種合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾斫Y(jié)構(gòu)以及節(jié)點(diǎn)移動性管理方法。
(2)數(shù)據(jù)完整性與數(shù)據(jù)壓縮：節(jié)點(diǎn)有時(shí)需要長達(dá)24小時(shí)的監(jiān)測人體參數(shù)，節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)量大，而節(jié)點(diǎn)的存儲容量小，常采用壓縮算法來減少數(shù)據(jù)的存儲與傳輸量。然而，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的壓縮算法開銷太大不適合傳感器節(jié)點(diǎn)。另外，壓縮算法不能損壞原始數(shù)據(jù)，否則會造成對病人的錯誤診斷。
(3)數(shù)據(jù)安全性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用自組織方式組網(wǎng)，容易受到攻擊，此外，病人的信息需要保密。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力相當(dāng)有限，傳統(tǒng)的安全和加密技術(shù)都不適用。因此，必須設(shè)計(jì)一種適合傳感器節(jié)點(diǎn)的加解密算法。

6 總結(jié)與展望
隨著技術(shù)的發(fā)展，無線醫(yī)療傳感器節(jié)點(diǎn)逐漸向多參數(shù)、智能化、微型化、低功耗等方向發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也將逐漸被實(shí)際應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。發(fā)展與組建具有智能化的病房與社區(qū)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是當(dāng)今國內(nèi)外醫(yī)療發(fā)展的趨勢。