基于ZigBee技術(shù)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設計與實現(xiàn)
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遠程醫(yī)療是信息技術(shù)與醫(yī)學相結(jié)合的產(chǎn)物，它使用遠程通信和計算機多媒體技術(shù)為患者提供醫(yī)學信息和醫(yī)療服務。在信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，它已經(jīng)成為醫(yī)學交流中一道亮麗的風景線。
遠程醫(yī)療主要應用在臨床會診、檢查、診斷、監(jiān)護、指導治療、醫(yī)學研究、交流、醫(yī)學教育和手術(shù)觀摩等方面。遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)作為遠程醫(yī)療系統(tǒng)中的一部分，是將采集的被監(jiān)護者的生理參數(shù)與視頻、音頻以及影像等資料通過通信網(wǎng)絡實時傳送到社區(qū)監(jiān)護中心，用于動態(tài)跟蹤病態(tài)發(fā)展，以保障及時診斷、治療。隨著當今社會老年人口的劇增，醫(yī)療資源中監(jiān)護的作用更加突出。
醫(yī)療監(jiān)護儀器目前可分為兩類，一類是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標的監(jiān)護；另一類是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶外，在醫(yī)生的指導下，由患者本人或其家屬使用遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)對其進行監(jiān)護，所得生理指標將及時傳送給相關(guān)醫(yī)生。目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護系統(tǒng)，大多是建立在線纜連接的基礎上，往往體積和功耗大，不便于攜帶，且要求在患者身邊使用，限制了患者和醫(yī)護人員的行動，增加了他們的負擔和風險，已經(jīng)越來越不適應當今實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測患者重要生命特征參數(shù)的醫(yī)療監(jiān)護需求。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的狀態(tài)下測量某些常規(guī)指標，人們對遠程醫(yī)療的關(guān)注度越來越強。
近年來，隨著生物醫(yī)學傳感器的小型化、信息處理及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和普及，無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研制成為熱點。筆者設計出一種新的網(wǎng)絡式監(jiān)護裝置及系統(tǒng)，目的是利用高頻率的無線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護控制儀器之間的信息，減少監(jiān)護設備與醫(yī)療傳感器之間的連線，使被監(jiān)護人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準確的測量指標的同時，免除患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時，在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡，多項測試項目可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和工作效率。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)由監(jiān)護基站設備和ZigBee傳感器節(jié)點構(gòu)成一個微型監(jiān)護網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點上使用中央控制器對需要監(jiān)測的生命指標傳感器進行控制并采集數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設備，并由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡設備上，通過Internet網(wǎng)絡可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計觀察，提供必要的咨詢服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。在救護車中的急救人員還可通過GPRS實現(xiàn)將急救病人的信息實時傳送，以利于醫(yī)院搶救室及時做好準備工作。醫(yī)療傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需要而設置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴展性。同時，將該系統(tǒng)接入Internet網(wǎng)絡，可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡、醫(yī)院網(wǎng)絡乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡。
2 監(jiān)護傳感器節(jié)點
2.1 監(jiān)護傳感器的組成及工作原理
醫(yī)療無線傳感器節(jié)點主要功能為采集人體生理指標數(shù)據(jù)，或?qū)δ承┽t(yī)療設備的狀況以及治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護基站設備。
醫(yī)療傳感器節(jié)點框圖如圖2所示，主要包括醫(yī)療傳感器模塊、ZigBee通信模塊、處理器單元和電源4部分。處理器單元如圖3所示，主要分為CPU、存儲器、AD轉(zhuǎn)換、測試帶和數(shù)碼顯示屏5部分。根據(jù)低功耗和處理能力的需要，采用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數(shù)據(jù)，在處理器將數(shù)據(jù)傳輸之后，傳感器節(jié)點內(nèi)不做數(shù)據(jù)的大量存儲。
2.2 無線數(shù)據(jù)通信單元
在醫(yī)院里，所應用的醫(yī)療監(jiān)護設備對電磁輻射的要求很高。對于設備來講，輻射的電磁波既不能干擾其他設備正常工作，同時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(yī)院或者使用無線通信的家庭中使用的醫(yī)療設備，設計中必須對此進行充分考慮。
在本系統(tǒng)中，所使用的射頻通信為全球公開的免費2.4GHz的ISM頻段，采用的通信標準為802.15.4/ZigBee標準。它是一種低復雜度、低功耗和低成本的無線通信技術(shù)，可在10～75m范圍內(nèi)，以20～250kb/s的傳輸速率來傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)。它依據(jù)802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需少量能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳至另一個傳感器，因此，通信效率非常高。它可用普通干電池作電源，在一般情況下，可支持6～24個月，大大減少了頻繁更換電池的麻煩。
為降低成本，ZigBee標準中定義了兩種類型的設備：全功能設備（fullfunctiondevice,FFD）和簡化功能設備（reducedfunctiondevice,RFD）。
FFD可以在3種不同模式下工作：①個人網(wǎng)絡（personalareanetwork,PAN）協(xié)調(diào)者；②協(xié)調(diào)者；③設備。RFD作為從設備不需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，且只占用很少的資源。用一個FFD加上一個RFD就可組建一個最簡單的WPAN,其中FFD作為PAN協(xié)調(diào)者來執(zhí)行通信功能，因此，在任何一個星形網(wǎng)絡中都必須至少有一個FFD來作為PAN協(xié)調(diào)者。在本系統(tǒng)中，ZigBee設備通常以星形和網(wǎng)狀形兩種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)存在，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.3 生理信息與數(shù)據(jù)采集單元
系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器模塊主要實現(xiàn)以下幾種功能：體溫、血壓、血氧和血糖的測量等。其中，體溫測量集成了北京邁創(chuàng)公司所生產(chǎn)的YSI體溫探頭，血壓測量集成了邁創(chuàng)公司的KNM無創(chuàng)血壓測量模塊，血氧測量集成了邁創(chuàng)公司的SWS01血氧測量模塊。
無線節(jié)點為傳感器的擴展留出了豐富的接口，如果需要其他類型的生理指標數(shù)據(jù)，如體溫、心電等數(shù)據(jù)，則只需要將相應的傳感器接入預留的接口，形成新的無線傳感器節(jié)點，開發(fā)相應的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節(jié)點直接加入到該無線傳感器網(wǎng)絡中。
3 GPRS/UMTSWLAN網(wǎng)關(guān)
相對于WLAN高傳輸速率、低覆蓋范圍而言，GPRS/UMTS具有低傳輸速率和高覆蓋范圍的特點。本系統(tǒng)利用GPRS/UMTSWLAN網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)UMTS與WLAN之間的無縫連接。這樣使得配有UMTS和WLAN接口的設備可以自由地在這兩個網(wǎng)絡之間進行切換。
一般來說，WLAN和UMTS融合的方式有兩種：緊耦合和松耦合。在緊耦合體系中，WLAN網(wǎng)關(guān)直接連接到UMTS網(wǎng)絡。而在松耦合體系中，WLAN網(wǎng)關(guān)并不是直接連接到UMTS網(wǎng)絡中，而是通過Internet或是IP骨干網(wǎng)作為中介。在本系統(tǒng)中，利用松耦合體系來實現(xiàn)手持移動設備與UMTS網(wǎng)絡之間的通信。WLAN和UMTS的松耦合體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。
系統(tǒng)在綜合測試過程中取得了初步的結(jié)果，傳感器節(jié)點上的生命指標傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設備，并顯示在基站設備的LCD上。每個病人總的數(shù)據(jù)傳輸量在22～76kb/s之間（依據(jù)心電圖電極的數(shù)量而變化）,常用測量信號的頻率范圍和數(shù)據(jù)量如表1所示。由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡設備上，通過In2ternet網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至遠程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，提供必要的咨詢服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。如在救護車中，急救人員還可通過GPRS實現(xiàn)急救病人情況的實時傳送，以利于醫(yī)院搶救室及時做好準備工作。
所設計的一種新的網(wǎng)絡式監(jiān)護裝置及系統(tǒng)，可以減少監(jiān)護設備與醫(yī)療傳感器之間的連線，在獲得較準確的測量指標的同時，免除病人在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時，在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡，很多測試項目可在病床上完成，極大地方便病人就診。另外，本系統(tǒng)還具有高的靈活性和擴展性，通過Internet可以使遠離醫(yī)院等醫(yī)護機構(gòu)的病員也能隨時得到必要的醫(yī)療監(jiān)護和遠程醫(yī)生的咨詢指導。筆者將進一步開發(fā)該系統(tǒng)的軟件和硬件，以提高其穩(wěn)定性和實用性，同時也將根據(jù)特殊的需要定制開發(fā)上層管理軟件以及完善醫(yī)療監(jiān)護管理平臺軟件。
遠程醫(yī)療主要應用在臨床會診、檢查、診斷、監(jiān)護、指導治療、醫(yī)學研究、交流、醫(yī)學教育和手術(shù)觀摩等方面。遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)作為遠程醫(yī)療系統(tǒng)中的一部分，是將采集的被監(jiān)護者的生理參數(shù)與視頻、音頻以及影像等資料通過通信網(wǎng)絡實時傳送到社區(qū)監(jiān)護中心，用于動態(tài)跟蹤病態(tài)發(fā)展，以保障及時診斷、治療。隨著當今社會老年人口的劇增，醫(yī)療資源中監(jiān)護的作用更加突出。
醫(yī)療監(jiān)護儀器目前可分為兩類，一類是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標的監(jiān)護；另一類是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶外，在醫(yī)生的指導下，由患者本人或其家屬使用遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)對其進行監(jiān)護，所得生理指標將及時傳送給相關(guān)醫(yī)生。目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護系統(tǒng)，大多是建立在線纜連接的基礎上，往往體積和功耗大，不便于攜帶，且要求在患者身邊使用，限制了患者和醫(yī)護人員的行動，增加了他們的負擔和風險，已經(jīng)越來越不適應當今實時、連續(xù)、長時間地監(jiān)測患者重要生命特征參數(shù)的醫(yī)療監(jiān)護需求。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的狀態(tài)下測量某些常規(guī)指標，人們對遠程醫(yī)療的關(guān)注度越來越強。
近年來，隨著生物醫(yī)學傳感器的小型化、信息處理及無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和普及，無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研制成為熱點。筆者設計出一種新的網(wǎng)絡式監(jiān)護裝置及系統(tǒng)，目的是利用高頻率的無線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護控制儀器之間的信息，減少監(jiān)護設備與醫(yī)療傳感器之間的連線，使被監(jiān)護人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準確的測量指標的同時，免除患者在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時，在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡，多項測試項目可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和工作效率。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)由監(jiān)護基站設備和ZigBee傳感器節(jié)點構(gòu)成一個微型監(jiān)護網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點上使用中央控制器對需要監(jiān)測的生命指標傳感器進行控制并采集數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設備，并由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡設備上，通過Internet網(wǎng)絡可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計觀察，提供必要的咨詢服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。在救護車中的急救人員還可通過GPRS實現(xiàn)將急救病人的信息實時傳送，以利于醫(yī)院搶救室及時做好準備工作。醫(yī)療傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需要而設置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴展性。同時，將該系統(tǒng)接入Internet網(wǎng)絡，可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡、醫(yī)院網(wǎng)絡乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡。
圖1遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2 監(jiān)護傳感器節(jié)點
2.1 監(jiān)護傳感器的組成及工作原理
醫(yī)療無線傳感器節(jié)點主要功能為采集人體生理指標數(shù)據(jù)，或?qū)δ承┽t(yī)療設備的狀況以及治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護基站設備。
醫(yī)療傳感器節(jié)點框圖如圖2所示，主要包括醫(yī)療傳感器模塊、ZigBee通信模塊、處理器單元和電源4部分。處理器單元如圖3所示，主要分為CPU、存儲器、AD轉(zhuǎn)換、測試帶和數(shù)碼顯示屏5部分。根據(jù)低功耗和處理能力的需要，采用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數(shù)據(jù)，在處理器將數(shù)據(jù)傳輸之后，傳感器節(jié)點內(nèi)不做數(shù)據(jù)的大量存儲。
圖2 醫(yī)療傳感器節(jié)點框圖
圖3 處理器單元
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2.2 無線數(shù)據(jù)通信單元
在醫(yī)院里，所應用的醫(yī)療監(jiān)護設備對電磁輻射的要求很高。對于設備來講，輻射的電磁波既不能干擾其他設備正常工作，同時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(yī)院或者使用無線通信的家庭中使用的醫(yī)療設備，設計中必須對此進行充分考慮。
在本系統(tǒng)中，所使用的射頻通信為全球公開的免費2.4GHz的ISM頻段，采用的通信標準為802.15.4/ZigBee標準。它是一種低復雜度、低功耗和低成本的無線通信技術(shù)，可在10～75m范圍內(nèi)，以20～250kb/s的傳輸速率來傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)。它依據(jù)802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需少量能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳至另一個傳感器，因此，通信效率非常高。它可用普通干電池作電源，在一般情況下，可支持6～24個月，大大減少了頻繁更換電池的麻煩。
為降低成本，ZigBee標準中定義了兩種類型的設備：全功能設備（fullfunctiondevice,FFD）和簡化功能設備（reducedfunctiondevice,RFD）。
FFD可以在3種不同模式下工作：①個人網(wǎng)絡（personalareanetwork,PAN）協(xié)調(diào)者；②協(xié)調(diào)者；③設備。RFD作為從設備不需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，且只占用很少的資源。用一個FFD加上一個RFD就可組建一個最簡單的WPAN,其中FFD作為PAN協(xié)調(diào)者來執(zhí)行通信功能，因此，在任何一個星形網(wǎng)絡中都必須至少有一個FFD來作為PAN協(xié)調(diào)者。在本系統(tǒng)中，ZigBee設備通常以星形和網(wǎng)狀形兩種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)存在，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖
2.3 生理信息與數(shù)據(jù)采集單元
系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器模塊主要實現(xiàn)以下幾種功能：體溫、血壓、血氧和血糖的測量等。其中，體溫測量集成了北京邁創(chuàng)公司所生產(chǎn)的YSI體溫探頭，血壓測量集成了邁創(chuàng)公司的KNM無創(chuàng)血壓測量模塊，血氧測量集成了邁創(chuàng)公司的SWS01血氧測量模塊。
無線節(jié)點為傳感器的擴展留出了豐富的接口，如果需要其他類型的生理指標數(shù)據(jù)，如體溫、心電等數(shù)據(jù)，則只需要將相應的傳感器接入預留的接口，形成新的無線傳感器節(jié)點，開發(fā)相應的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節(jié)點直接加入到該無線傳感器網(wǎng)絡中。
3 GPRS/UMTSWLAN網(wǎng)關(guān)
相對于WLAN高傳輸速率、低覆蓋范圍而言，GPRS/UMTS具有低傳輸速率和高覆蓋范圍的特點。本系統(tǒng)利用GPRS/UMTSWLAN網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)UMTS與WLAN之間的無縫連接。這樣使得配有UMTS和WLAN接口的設備可以自由地在這兩個網(wǎng)絡之間進行切換。
一般來說，WLAN和UMTS融合的方式有兩種：緊耦合和松耦合。在緊耦合體系中，WLAN網(wǎng)關(guān)直接連接到UMTS網(wǎng)絡。而在松耦合體系中，WLAN網(wǎng)關(guān)并不是直接連接到UMTS網(wǎng)絡中，而是通過Internet或是IP骨干網(wǎng)作為中介。在本系統(tǒng)中，利用松耦合體系來實現(xiàn)手持移動設備與UMTS網(wǎng)絡之間的通信。WLAN和UMTS的松耦合體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 WLAN和UMTS的松耦合體系結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)在綜合測試過程中取得了初步的結(jié)果，傳感器節(jié)點上的生命指標傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設備，并顯示在基站設備的LCD上。每個病人總的數(shù)據(jù)傳輸量在22～76kb/s之間（依據(jù)心電圖電極的數(shù)量而變化）,常用測量信號的頻率范圍和數(shù)據(jù)量如表1所示。由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡設備上，通過In2ternet網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至遠程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，提供必要的咨詢服務，實現(xiàn)遠程醫(yī)療。如在救護車中，急救人員還可通過GPRS實現(xiàn)急救病人情況的實時傳送，以利于醫(yī)院搶救室及時做好準備工作。
所設計的一種新的網(wǎng)絡式監(jiān)護裝置及系統(tǒng)，可以減少監(jiān)護設備與醫(yī)療傳感器之間的連線，在獲得較準確的測量指標的同時，免除病人在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時，在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡，很多測試項目可在病床上完成，極大地方便病人就診。另外，本系統(tǒng)還具有高的靈活性和擴展性，通過Internet可以使遠離醫(yī)院等醫(yī)護機構(gòu)的病員也能隨時得到必要的醫(yī)療監(jiān)護和遠程醫(yī)生的咨詢指導。筆者將進一步開發(fā)該系統(tǒng)的軟件和硬件，以提高其穩(wěn)定性和實用性，同時也將根據(jù)特殊的需要定制開發(fā)上層管理軟件以及完善醫(yī)療監(jiān)護管理平臺軟件。
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