医疗传感器系统

医疗传感器系统（共8篇）

医疗传感器系统 篇1

引言

当今社会是科技带动生产生活的社会, 在科技日新月异的今天, 人们从单纯的关心自身的物质生活质量到更关心自己的身体状况。在医疗水平日益进步的今天, 人们的物质生活得到极大的满足后, 人们对健康更加的重视, 所以对医疗服务的科技性、及时性、高端化等方面提出了更高的要求, 这就催生了将无线传感器网络技术应用于传统的医疗监控系统中, 建立了新一代的基于无线传感器网络的远程医疗监护系统。这个系统改变了传统的医疗监护系统的一些局限性, 提高了医疗监护系统的灵活性, 是一个质的飞越。

1 我国远程医疗监控系统的发展现状

远程医疗是指一种借助于现代化的通讯手段并结合现代计算机技术和医疗技术所进行的远程会诊、远程治疗、远程手术、远程咨询、远程监护和检测等的医疗手段, 其关键点是用电信号将信息从一个地方传输到另外一个地方。远程医疗技术包括计算机技术、通信技术、多媒体技术和医疗技术, 涉及的技术面很广, 是一门多学科结合的前沿科学[1]。

欧美各国早在多年前就已投入大量的资金在研究远程医疗监控的应用中, 但是我国开始研究起步比较晚, 目前正属于开发阶段, 并未完全的应用到基础医疗的监控系统中去。据资料分析, 我国最早的远程医疗活动是广州远洋航运公司自1986年对远洋货轮船员急症患者进行了电报跨海会诊。所以我国具有现代意义的远程医疗活动是在20世纪80年代开始兴起的。现在全球的人口老龄化已经非常严重, 这就对我们的医疗卫生系统提出了更严峻的考验。由于我国的研究起步较晚, 资金投入的较少, 所以远程医疗还没有得到普及。

2 无线传感器网络技术的构成

无线传感器网络是一种无基础设施的网络, 无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成, 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统, 其目的是协作地感知, 采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息, 并发送给观察者。无线传感器网络通常包括传感器节点、转发节点和汇聚节点。大量的传感器节点分布在要监控的区域内, 在所监控的区域内, 传感器节点采集感兴趣的资料, 沿着已经建立好的路径传输回来, 在传输的过程中, 可能会被多个转发节点接收, 经过处理后传输到汇聚节点, 最后汇聚节点会把收集到的数据传送到网关节点进行集中处理。

无线传感器网络是远程医疗监护系统的重要组成部分, 了解无线传感器网络的基本工作原理, 对于我们研究远程医疗监护系统有着重要的作用。

3 基于无线传感器网络的医疗监控系统的需求分析

3.1 系统的需求

基于无线传感器网络的医疗监控系统与传统的医疗监控系统有着很大的优越性。现在医院普遍采取固定的医疗监控仪器, 通过数据线等把患者和仪器连接起来, 并把需要的信息输入到电脑中, 最后做出分析与诊断。a.这种传统的医疗监控系统在很大程度上束缚了患者的自由, 而基于无线传感器网络的医疗监控系统可以尽最大所能让患者可以自由移动, 不影响平时的学习生活。b.传统的医疗监控系统得到结果的恶过程非常慢, 而基于无线传感器网络的医疗监控系统可以即时的把患者的生理参数做出分析后进而以最快的速度反馈到患者那里, 可以使患者在第一时间了解自己的生理参数。这样更有利于医生和患者共同来探讨病情等问题。c.传统的医疗监控系统得到的结果有时要需要医生们的分析最后确定治疗计划, 而无线传感器网络的医疗监控系统全是智能化的, 只要生理参数一到, 立刻进行评估, 最后形成预警机制, 完全不需要人为的干预, 更显示出科技的强大动力。

3.2 总体设计

基于无线传感器网络的医疗监控系统是由体域网、本地网关和远程监护中心三部分构成。基于无线传感器网络的医疗监控系统主要是围绕生理参数的采集、传输、转换、处理、响应这几个方面。首先, 体域网对生理参数进行采集, 采集到生理参数之后, 把生理参数传送到本地网关。本地网关对接收到的生理参数帧进行解析, 对生理参数进行数据格式的转换, 然后把转换的生理参数发送到监护中心。监护中心对生理参数信息作进一步的处理, 包括初步验证和生理参数评估。生理参数评估会对生理参数进行异常检查, 与系统的生理参数指标进行比对, 从而得出生理参数是否正常的结论。生理参数评估的结果反馈到本地网关, 如果出现了异常, 本地网送就会进行处理。通过监控中心的监视控制窗口, 可以人为干预体域网的动作。[2]

目前运用最为广泛数据库结构主要有两种:一种是集中式数据库结构, 另一种是分布式数据库结构。集中式数据库是指数据的集中存储、集中处理的一种数据库结构, 所有的数据都存储在一台电脑上, 所有数据库访问都由一个管理端口来处理。分布式数据库则采用数据分散的方法, 把数据库分成多个, 建立在多台计算机上, 数据库之间可以相互通信, 在逻辑上是一个整体。[3]

在本系统中包括医生的信息、患者的信息、医院的信息、监控设备的信息、病人监控的参数信息、医生治疗的方法信息等。

4 远程医疗监护系统发展面临的困难

由于人们对医疗水平要求的提高, 远程医疗监护系统应运而生, 并以较快的速度发展着, 但是依然面临较多的困难。a.医疗费用较高。我国是一个地大物博的国家, 有相当大的一部分生活在农村和山区, 这些地区由于离城市中心较远, 看病不便, 更需要远程医疗监控系统, 但是由于医疗费用较高, 超出了人们所能支付的能力, 所以不能得到广泛的应用。b.生活在城市中的人们大都比较忙碌, 对自己的健康状况关注的也较少。如何向他们普及远程医疗监控系统这项技术也是一项任重道远的工作。

总结

随着社会的快速发展, 人们的生活质量得到显著提高的今天, 人们的健康状况被提升到一个新的高度。科技的日新月异, 是基于无线传感器网络的医疗监控系统得到的快速的发展。已经从理论阶段完成了向实践阶段的过渡, 我相信在不久的将来, 这项技术一定会得到更大的发展, 为我国的卫生事业做出巨大的贡献。

参考文献

[1]刘向阳.无线通信技术在医疗领域的应用[J].中国医疗器械信息, 2005, 11.

[2]谭国模.无线移动网络多参数远程监护系统的研究[D].重庆:重庆大学, 2006, 4.

[3]屈景怡.远程医疗系统的研究与实现[D].西安:西北工业大学, 2003, 3.

医疗传感器系统 篇2

关键词:航标;遥控遥测;无线传感器网络

中图分类号:U6;TP3 文献标志码:A文章编号:16717953(2009)04002903

Navigation Mark Telemetering and Telecontrol System Based on Wireless Sensor Networks

WANG Baoren ZHANG Yuchao SU Hongquan2

(1.Dalian Department of Aids to Navigation Tianjin MSA Dalian 116001,China;2.Information Science and Technology College,Dalian Maritime University Dalian 116001,China)

Abstract: Aiming at shortcomings of available navigation marks and it's management procedure, a method of navigation mark telemetering and telecontrol system based on wireless sensor networks was proposed. The technology and parameters needed by this system were analyses, system structure and transmission protocol of wireless sensor networks were proposed. This system can collect the working information, hydrology and meteorology information of navigation mark, remote control navigation mark. The simple and low cost network nodes ensure a vast application for the system.

Key words: navigation mark;telemetering and telecontrol;wireless sensor networks

航标^[1]是保障船舶航行安全重要设施,对于海上运输、国防安全、渔业发展等都有重要作用。目前,我国航标的管理主要还是人工维护,需要定期巡检、定期维护。这种航标管理模式有很多弊端:实时性差、可靠性和效率低下,费用较高且存在一定的安全隐患。

国际航标协会(International Association of Marine Aids to Navigation and Lighthouse Authorities, IALA)已经开始了电子航标服务信息系统研究的推进工作,其目的是依托AIS、ECDIS、Internet等技术,自动向船舶提供对航行安全和海上环境保护至关重要的实时信息的新助航体系^[2]。该系统需要实时采集航标的信息,通过AIS或Internet发布。目前已经有很多关于AIS在航标管理和信息发布应用的研究。但是AIS系统应用于航标管理还存在很多的问题,如信息冗余、占用通信信道、成本高贵等缺点。因此,需要研究一个高可靠性,高效费比的航标管理系统。

无线传感器网络是由大量的随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点组成,节点间可以通过自组织的方式构成网络。每个节点根据需要可以内置多种传感器测量所在的周边环境参数,如温度、湿度、风向和位置等,通过网络的方式汇集数据,并在网络之间或通过上层网络传输给用户。无线传感器具有可靠性高,冗余度好,扩展性强和成本低等特点,非常适用于航标的遥控遥测。本文提出将无线传感器应用与航标上,利于无线传感器的优点,可以将航标组成信息化、智能化的网络。

1 航标遥控遥测的关键技术

航标分为灯塔、灯桩、导标、立标、灯船、灯浮标等6个种类,主要设置在船舶往来频繁、水文地理复杂的水域及港口,为船舶指示航线、转向点、浅滩、暗礁、沉船和禁航区,因此,航标设备运行状态的好坏,将直接影响船舶的航行安全。作为航标管理部门希望能够实时了解航标的工作状态,及时发现故障并进行维修。对于重点大型设施(大型灯塔设备),往往采用人工值守的管理方法,可以及时的发现航标的故障,并进行维护。对于无人值守的航标,存在信息滞后的缺点,往往不能及时的发现故障。因此为了提高航标的助航效能,及时排解故障,降低航标的维护费用,需要建立先进的航标关系系统,及时了解航标的工作信息,发现故障,设置航标的工作参数。

1.1 典型航标的结构

如图1所示,是典型的无人值守航标的结构,主要部件包括主/备灯、雷达应答器、太阳能电池板、蓄电池组和电源控制箱等。对小型航标,只含有灯器,不含有雷达应答器等其他设备。

1.2 航标遥控遥测的参数

根据以上的航标结构,对航标的遥控遥测所需的参数如下:

遥测参数:

主/备灯参数:工作电压、电流、温度,换灯机状态,电机状态等

雷达应答器参数:工作电压、电流,自检信息等

太阳能电池:工作电压

蓄电池组:组电压、单体电压、充电电流、放电电流、剩余能量、温度等

环境传感器:位置,碰撞信息,温度,风向,洋流等

遥控参数:

主/备灯的开/关、切换,雷达应答器开/关,蓄电池的充/放电控制等

2 基于无线传感器的航标系统

2.1 无线传感器航标系统的节点设计

为了了满足航标遥测遥控系统的需要,航标的网络节点需要集成多种传感器和控制器。对于小型航标,只含有灯器,而不带雷达应答器,这样的节点就不需要雷达应答器的遥控遥测功能。对于某些处于重要位置的航标,希望能过监控潮汐、水分和气象等参数,那么就要求该节点添加相应的传感器。因此在无线传感器航标网络节点的设计中采用了总线结构,能够根据需要灵活的添加和删除网络的功能模块,满足不同种类航标的功能要求。如图2所示是单个航标网络节点的结构图。

2.2 无线传感器航标系统的网络结构

无线传感器网络^[3]的通信方式和组网方式采用多跳和对等的方式,网络拓扑结构与无线Ad Hoc网络相似,具有自组织、自适应和自治等特性,无线传感器网络可以协作的感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中的信息。为了减少电力消耗,传感器网络节点间通信采用短距通信,将信息传送至汇聚节点,由汇聚节点传送至管理中心,因此汇聚节点除了应该包括航标网络节点的功能外,还应增设GSM/CDMA/GPRS等通信模块。图3所示是无线传感器航标系统的网络结构。

2.3 无线传感器航标系统的路由协议的选择

路由是将信息从源点穿过网络传递到目的地节点的行为。路由技术是由路径的选择和数据报传递的两个功能组成,路由是实现通信的基础与保证。路径选择算法是实现路由的基础,其日的就是要在满足某些指标的前提下,选择一条从源节点到目的地的最佳路径。路由器是网络连接中选择路径的设备,路由器在

一个较为复杂的网络中起到了关键的作用。无线传感器网络中每一个节点都承担了路由器的角色。采用合理的路由算法,是为了在比较小的代价的前提下获取较好的设计目标。一般情况下,在设计路由算法的过程中要综合考虑的设计目标有:

1)最优化:要求路由算法能够得到选择最佳路径的能力。

2)简洁性:要求算法的软件和硬件的开销小,效率高。

3)鲁棒性:要求算法当无线网络处于比较恶劣环境时,仍然能够有效地工作。

4)快速性:要求算法能够快速收敛,从而能够快速地得到最佳路径,同时还要能防止路径循环等情况的发生。

5)灵活性:路由算法应该能够适应各种网络环境,对于新的网络环境无需特别的设计与设置。

无线传感器航标系统的特点如下:

1)每个航标的位置是相对固定的

2)在航标节点失效或新增加航标节点时,能重新建立路径,有一定的冗余度

3)能按需建立路径,节约航标节点的能量和网络资源

4)为了节约成本,含有能和管理中心通信的汇聚节点是固定的

针对无线传感器航标系统的路由协议要能够满足系统的特点。PEGSIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information System)^[4] 假定组成网络的传感器节点是同构且静止的。节点发送能量递减的测试信号,通过检测应答来确定离白己最近的相邻节点。通过这种方式,网络中的所有节点能够了解彼此的位置关系,进而每个几点依据白己的位置选择所属的聚类,聚类的首领参照位置关系优化出到汇聚节点的最佳链路。因为PEGASIS中每个节点都以最小功率发送数据分组,并有条件完成必要的数据融合,减小业务流量。因此,整个网络的功耗较小。将PEGSIS中的聚类首领的选择固定在某几个汇聚节点,然后确定的网络就可以满足无线传感器航标系统的要求。

3 系统特点

综上所述,无线传感器航标遥测遥控系统具有以下功能特点:

1)能够主动提供航标位置、状态等助航信息,航标节点具有遥测遥控终端的功能。

2)能够对航标工作状态和信息进行实时监控和跟踪,管理中心能够从GSM/CDMA/GPRS等公共网络通信系统获得航标信息。

3)系统采用自组织的管理方式,无需人工干预,能自动的添加和删除节点,重建网络,使得系统具有很强的可扩展性和稳定性。

4)系统不仅能提供航标信息,而且还可采集水文、海况的气象等信息和船舶通行状况的信息。

5)系统具有低复杂度、低功耗、低成本的特性。

4 结语

本文提出的基于无线传感器网络技术的电子航标系统,分析了航标遥控遥测系统所需的参数和功能,建立了无线传感器网络航标系统的结构,讨论了系统选择路由协议的要点。天津海事局大连航标处已经建立了AIS虚拟航标系统,将本系统与AIS虚拟航标系统相结合,可通过AIS系统向船舶提供航标位置信息和海上风力、风向、海水潮汐、浪高、海流流向等海况基础信息,保障船舶安全航行。

参考文献

[1] 王英志. 航标学[M].大连:大连海事大学出版社,1997:32-55.

[2] IALA. Aids to Navigation Guide (5th Edition)[M].Paris:IALA,2006: 27-98.

[3] 马祖长,孙怡宁,梅 涛. 无线传感器网络综述[J].通信学报,2004,25(4):114-124.

医疗传感器系统 篇3

无线传感器网络 (Wireless Sensor Networks, WSN) 作为物联网技术的重要组成部分, 集成了传感器、微机电系统和网络三大技术于一体, 能够通过各类集成化的传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息, 这些信息通过无线方式被发送, 并以自组多跳的网络方式传送到用户终端, 从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通[1]。无线传感器网络不需要事先架设通信基础设施, 具有组网灵活、抗毁性强、体积小、功耗低等特点, 在医疗领域发挥着不可替代的作用[2]。远程医疗监护、伤残救助、药物摄入监测、医疗资产管理等都离不开无线传感器网络。

1 无线传感器网络的体系结构

典型的无线传感器网络系统由传感器节点 (sensor node) 、汇聚节点 (sink node) 、互联网和任务管理节点等组成, 如图1所示。多个传感器节点随机部署在监测区域, 能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输, 在传输过程中监测数据可能被多个节点处理, 经过多跳后路由到汇聚节点, 最后通过互联网到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理, 发布监测任务以及收集监测数据[3]。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统, 由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作, 存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信, 交换控制信息和收发采集数据;电源模块为传感器节点提供运行所需能量。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强, 它连接传感器网络与Internet等外部网络, 实现两种协议之间的通信协议转换, 同时发布管理节点的监测任务, 并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点, 有足够的能量供给和更多的内存与计算资源, 也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

任务管理节点由各种面向应用的软件系统构成, 用户通过与应用程序的对话, 控制和监测传感器网络完成所需任务。

2 医疗领域无线传感器网络体系结构

医疗领域无线传感器网络体系结构如图2所示, 包括三个层次, 分别是感知层、中间层和应用层[4]。第一层是感知层, 它由佩戴在人体身上的传感器节点、植入人体的传感器节点、甚至是安装在医疗用具 (例如医疗设备、医用耗材、药品等) 上的传感器节点组成。第二层即中间层, 是具有完全功能设计的移动个人服务器或头节点, 进一步还包括汇聚节点或基站。它负责和外部网络进行通信, 并临时存储从第一层收集上来的数据。它以低能耗的方式管理各个传感器节点或设备, 接收和分析感知数据以及执行规定的用户程序。基站可以是资源相对丰富的移动电话, 能够上网的PDA或其他手持设备。佩戴在被测物体的网络节点个数不多时, 图2所示架构中头节点部分与汇聚节点/基站部分是合二为一的, 只有在第一层网络节点较多的情况下会存在多个头节点, 此时就需要一个汇聚节点或基站来负责收集由这些头节点发送的信息, 并作为路由器与外部网络进行连接。第三层即应用层, 是包括提供各种应用服务的远程服务器的外部网络, 通常由专门的服务器记录着从基站发送的数据, 医务人员通过与Internet连接的计算机查看服务器中病人电子医疗记录。应用层向用户提供的服务包括数据记录、趋势分析、病人生命体征报警等。

3 无线传感器网络在医疗领域的应用

3.1 医疗监护

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。无线传感器网络在医疗监护领域的应用使得这一矛盾得以解决。它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。可以说, 医疗监护是WSN在医疗领域最广泛的应用[5,6]。

WSN在医疗监护的典型应用是[7]: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。不同的传感器节点被用来测量人体生理指标, 比如心电、心率、心音、血氧、血压等。所获得的数据通过无线通信的方式被传输到医疗监护基站上 (相当于汇聚节点) , 医疗监护基站通常是PDA、微控制器电路板或者手机等。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。

3.2 运动状态探测

这类应用主要是监测老年人或者病人在家中的运动状态, 对异常运动状态 (比如摔倒所导致的意外伤亡事件) 进行预警。此外, 这类应用除了能够对人体坠落监测, 还能够对人体运动过程中姿势进行监测, 并且能够根据情况给病人长期的指导性训练, 这对帮助病人的康复理疗具有重要意义。

无线传感器网络在这个领域的典型应用[8,9]主要是在病人身上佩戴装有三坐标加速度计 (3-axes accelerometer) 的传感器, 它能够探测到病人的运动状态, 比如走路、跑步、休息或者是发生危险例如意外摔倒。基站是一个Mote[3], Mote相当于无线传感器汇聚节点, 可以收集信息并通过无线网络转播到个人电脑以便做后续数据处理。在个人电脑上, 病人的运动状态被实时的显示出来, 一旦发生危险, 监护人就能快速采取行动, 及时救助摔倒的病人。还有研究者通过探测人体姿势推算出人体运动状态[10,11], 例如Hip Guard[10]项目监测病人在髋关节手术后8~12周的恢复情况, 设计了一个无线传感器网络:传感器节点被集成在一条裤子上, 供病人穿戴。节点位置分别是:腰部、大腿部、小腿骨部和脚部。中控单元采集和处理传感器节点的数据, 当动过手术的髋关节部位位置移动或者做过手术的大腿负荷超过医生限制范围时候, 那条集成无线传感器网络的裤子就会通过声音或者震动报警, 提醒病人注意身体姿势。

3.3 感官丧失辅助

帮助感官丧失或者有缺陷的病人恢复知觉或者指导他们行为活动是无线传感器网络在医疗领域中的另一大应用热点。这类应用主要工作原理是将植入的传感器节点检测到的信息转化、反馈给人体, 以弥补病人某些器官功能的缺陷。

最典型的应用是近年来国内外热门研究项目:视觉假体。该类项目开发了一种人工视网膜以帮助盲人恢复部分视觉功能[12]。其方法是将包含微型传感器的传感器阵列芯片植入患者眼中成为视觉假体。体外的图像捕捉器捕获视觉信息并压缩编码之后, 通过无线射频发送到视觉假体使其产生刺激电流脉冲, 并通过微电极刺激视觉神经细胞, 使人产生视幻觉。另外, 研究者Wu等[13]为了帮助行动不便的老年人走路就将传感器嵌入到拐杖、步行器、轮椅等传统辅助工具中, 使之变成“智能拐杖”, 它能够感知病人运动情况, 比如:走、跑、停等动作, 以及周围环境, 比如路边平坦, 路面颠簸等。根据上述探测到的信息, 给予病人治疗训练和康复性方案。

3.4 药物摄入监测

基于无线传感器网络的药物摄入监测系统是为了帮助患者正确控制服药量, 减少忘记服药、药量过重或误食等状况发生, 还可以降低医务人员药物错配几率。典型的应用是Moh等[14]设计的药物摄入监测系统, 该系统由药物监测子系统、病人监测子系统和基站子系统组成。在药物监测子系统中, 药瓶上粘贴高频RFID标签以识别药物种类, 药物摄取量由嵌入药瓶的重量传感器计算获得。在另一端, 病人身上佩戴超高频RFID标签, 能与药瓶上的标签通讯, 形成病人监测子系统, 该子系统能够提醒病人服用正确的药物。最后, 基站子系统负责将数据传输至个人电脑, 在个人电脑上用户可以观测药物服用量和服用时间等信息。与此类似的研究还有i Cabli NET项目[15]和i Package项目[16]。

3.5 医疗资产管理

现今, 综合性医院医疗设备资产种类繁多, 管理复杂。要做到合理、充分利用医疗设备, 以及在全院范围内调配急救移动医疗设备, 就必须对医疗设备进行身份识别、实时定位、档案管理。

基于这种需求, Kim等[17]研发了一套基于无线传感器网络的医疗资产追踪系统, 它由移动节点、固定节点、网关、服务器组成。将可移动的传感器节点连接在被检测的医疗设备上, 通过串口提取设备身份信息;固定节点负责探测移动节点的位置并且在必要的时候对其监听和通讯, 移动节点的位置是根据固定节点三角测量法确定;网关负责将各个节点的数据传送给应用层的服务器, 应用层服务器作为数据库储存和处理数据并向用户提供应用程序接口, 管理人员可以通过以太网联接到服务器监控医疗资产。从文献检索情况看, 近年来, 利用无线传感器网络技术对医疗资产管理的应用比较少, 类似的应用还有文献18、19。相比于将WSN技术应用于医疗资产管理, RFID技术在资产管理领域应用更为普遍[20,21]。

RFID具有WSN所缺乏的物品标志能力, 但RFID不能对物品状态进行监测。如何使得RFID标签或者阅读器也具有多跳通信的能力以扩展RFID的工作范围;如何使得WSN网络具有RFID的标志能力, 并将WSN对物体状态与环境信息的监测能力赋予RFID系统, 是RFID与WSN技术在物联网下的协作方式的研究重点。

4 讨论与展望

无线传感器网络在医疗中的应用 篇4

无线传感器网络(Wireless Sensor Network)是一项综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等多种领域技术的新兴技术,该技术具有广泛的应用场景。

随着技术的发展,WSN(Wireless Sensor Network)将会在医疗实践的许多方面产生深远影响。本文主要阐述无线传感器网络医疗监护系统的体系结构以及监护节点设计的一般原则。

1 无线传感器网络的体系结构

典型的无线传感器网络结构如图1[1]。在监测区域内布置大量传感器节点,节点间采用自组织方式进行组网以及利用无线通信技术进行数据转发,每个节点都具有数据采集与数据融合转发双重功能。节点对本身采集到的信息和其它节点转发给它的信息进行初步的数据处理和信息融合之后以相邻节点接力传送的方式传送到基站,然后通过基站以互联网、卫星等方式传送给最终用户。

节点是无线传感器网络的基本功能单元,具体应用不同,节点的设计也不尽相同。传感器节点的基本组成模块有:传感单元、处理单元、通信单元以及电源部分,节点的结构见图2[2]。此外,根据具体应用要求可以添加功能单元,如:定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。

2 无线传感器网络在医疗中的应用情况

无线传感器网络利用其自身的优点(如低费用、简便、快速、实时无创的采集患者的各种生理参数等等),使其在医疗研究、医院普通/ICU病房或者家庭日常监护等领域中有很大的发展潜力,是目前研究领域的热点。

在病人身上放置用于检测人体参数的微型传感器节点,可对病人的心率、血压、心电、心音等[3]生理参数进行远程实时监测,并将信息汇总传送给监护中心,进行及时处理与反馈;利用WSN长期收集被观察者的人体生理数据,对了解人体健康状况以及研究人体疾病都很有帮助。此外,在药物管理和研制新药品[4]、血液管理[5]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护系统提供了更加简便、低费用的实现手段。

3 基于无线传感器网络的医疗体系结构

基于无线传感器网络的医疗监护系统主要由医疗传感器节点、医疗监护基站(医疗SINK节点)以及社区/医院监护中心这几个部分组成。其监护体系如图3所示[6,7]。

医疗传感器节点与监护基站组成个人/家庭或者病房无线传感器网络,多个这样的网络可以组成社区或整个医院监护网络,甚至更大范围的远程医疗监护系统[7]。首先,医疗传感器节点采集人体生理参数,并对采集到参数简单处理后,通过无线通信的方式直接或者间接逐跳方式把数据传输到基站上。监护基站对数据进行进一步处理后转发给监护中心,监护中心进行分析处理,并及时对病人进行信息反馈。监护中心还可以采用多种方式(Internet,移动通信网络等)进行远程数据传输,与其它监护中心共享信息。

4 医疗传感器节点的设计

医疗传感器节点的基本结构如图2所示,包括处理模块、传感器模块和无线收发模块以及电源供电模块。

传感器模块用来进行外部传感器信号的感知、采集、转换。是整个节点真正与外部信号量接触的模块。然而,医用传感器是以生命体为测量对象。尤其是人体,可以说是世界上最复杂的系统,各生理变量间存在着高度的相关性而且不易接近。所以医用传感器要从众多的现象中取出预测生理量,得出可靠而有意义的测量数据,同时又要确保被测对象的安全。

由于人体参数大多是微弱信号,一般只有几mV级别,甚至更低,并且存在多种噪声(测量环境噪声、仪器与人体摩擦噪声以及仪器本身噪声等)、工频干扰(由测量环境周围存在50 Hz的电磁场引起的)以及各种杂音等不利因素。因此,在具体医疗传感器节点设计中,加入模拟电路处理模块,该模块一般包括以下几个部分:放大电路、滤波电路、陷波电路以及模数(A/D)转换电路等。在节点设计中放大电路一般采用多级放大(三级或四级),末级放大电路除了有放大功能外一般还具有电平提升功能;滤波电路:应满足电路简洁、合理的截止频率、灵活方便的调节高低通截止频率等要求,合理的滤掉信号中的高频与低频干扰;陷波电路:目前广泛采用对称性双T阻容有源陷波器或用集成开关电容器件以及非对称阻容网络陷波器等。总之,模拟电路处理模块主要对采集到的信号进行放大、滤波、陷波等处理,去除信号中的噪音、干扰,提取出有用信号。

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、任务分配与调度、数据整合与传输等。目前处理器模块中使用较多的是Atmel公司的AVR系列单片机、TI公司的MSP430超低功耗处理器、Motorola公司和Renesas公司的处理器以及作为32位嵌入式处理器的ARM单片机[8]。在节点设计中,必须编程实现处理器模块对传感模块采集控制、A/D转换的实现以及控制无线通信模块的收发。

无线收发模块用于节点之间的数据通信。在无线领域应用较多的无线收发模块为Chipcon公司的CC1000、CC2420、CC2430。常用的无线通信技术有:IEEE 802.11b、IEEE 802.15.4(ZigBee)、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA(红外线)等[8]。监护系统大多采用IEEE 802.15.4(ZigBee)[9]、蓝牙[10]来实现节点以及节点与基站之间的数据通信。

电源模块为节点提供能量,是整个无线传感器节点的基础模块。然而,受节点体积限制,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、高精度为主要要求,采取一系列有效的措施来节省能量。另外,医疗传感器节点不能频繁更换电池,影响人的正常生活。所以,所设计的医疗节点应该具有较长的生命周期。

5 医疗无线传感器网络监护系统存在的挑战

尽管无线传感器网络在组建医疗监护系统方面有其独有优势,但应用到实际医疗中还存在以下挑战:

(1) 动态组网与大规模网络中节点移动性管理:当监护系统扩展到社区、城市甚至全国时,其网络规模巨大,并且监护节点与基站都具有一定的移动性。因此,必须设计一种合适的网络拓扑管理结构以及节点移动性管理方法。

(2) 数据完整性与数据压缩:节点有时需要长达24小时的监测人体参数,节点所采集到的数据量大,而节点的存储容量小,常采用压缩算法来减少数据的存储与传输量。然而,传统数据的压缩算法开销太大不适合传感器节点。另外,压缩算法不能损坏原始数据,否则会造成对病人的错误诊断。

(3) 数据安全性:无线传感器网络节点采用自组织方式组网,容易受到攻击,此外,病人的信息需要保密。然而,传感器节点计算能力相当有限,传统的安全和加密技术都不适用。因此,必须设计一种适合传感器节点的加解密算法。

6 总结与展望

随着技术的发展,无线医疗传感器节点逐渐向多参数、智能化、微型化、低功耗等方向发展,无线传感器网络也将逐渐被实际应用于医疗领域。发展与组建具有智能化的病房与社区监护系统是当今国内外医疗发展的趋势。

参考文献

[1]Akyildiz l F.Wireless Sensor Networks:a Survey[J].Computer Networks,2002,38:393-422.

[2]Akyildiz I F,Su Weilian,Sankarasubramaniam Y,et al.A Survey on Sensor Networks[J].IEEE Communica-tions Magazine,2002,40(8):102-105.

[3]陈祝荣,刘守斌.基于无线传感器网络的多参数家庭监护系统[J].传感器与微系统,2009,28(2):72-74.

[4]李毅治,张月琳.无线传感器网络在医药学领域的应用[J].药学进展,2005(12):571-574.

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医疗传感器系统 篇5

近年来, CMOS工艺技术不断提高, CMOS图像传感器的应用也越来越广泛, 从数码产品扩展到工业、医疗、智能安防等领域[1]。CMOS图像传感器与传统电荷耦合设备CCD图像传感器相比, 具有高度灵活性、优异的静态和动态特性、高集成度等优点, 能满足工业、医疗等专业图像抓取应用的需要, 特别在医疗图像领域提供了创新性的解决方案[2]。

现有医疗影像产品主要采用光学成像技术和CCD成像技术, 但是这两项技术成本高、能耗高, 使传统医疗影像产品的应用受到很大限制。目前, 成本因素是医疗影像设备普及推广的最主要制约因素;而且, 成本高易造成产品多次性反复使用, 增大了交叉感染风险。所以, 医疗影像领域亟需低成本、低能耗、高质量的医疗影像产品, CMOS摄像模块 (CMOS camera module, CCM) 技术可有效弥补上述不足。

CMOS图像传感器及其在医疗领域的创新性应用已成为国内外学者的研究热点[3,4,5,6,7,8]。为研制一次性低成本电子内窥镜, CMOS图像传感器专家赛普拉斯利;用CMOS加工技术成功开发小型彩色图像传感器BOCA, 其面积仅有9 mm2, 由512×512个边长为6μm的方形像素组成, 该传感器高达58%的填充因子是其具备高感光度的有力保证。为发展低成本、低功耗、高集成度生物传感器系统, Ji Honghao等设计了基于CMOS图像传感器的有源像素传感器 (APS) 逻辑控制电路, 在此基础上制造微接触成像仪, 成功地应用于细胞检测[5]。Chih-Lin Lee等提出了高集成度、低功率、高分辨率的视觉恢复解决方案, 利用CMOS成像技术实现人工视网膜功能, 其最高分辨率可达4096像素、帧速为19.5帧/秒[6]。

本文首先阐述CMOS图像传感器组成及特点, 在此基础上介绍基于CMOS传感器的电子内窥镜原理、结构, 最后介绍COMS图像传感器在医疗领域的应用, 深入分析利用CMOS图像传感器技术开发的一次性可视腹腔穿刺器和一次性可视人流系统。

1 CMOS 图像传感器

目前, 市场上主流图像传感器包括CCD和CMOS两种。过去30年, CCD广泛应用于图像传感及捕捉, 该类型传感器噪声较低, 可提供良好的图像质量。但是, CCD图像传感器是电荷耦合器件, 需连续将图像数据从一个像素传送到另一个像素, 需要多个工作电压、外部时钟和精密的驱动、选择电路, 功耗大, 占据空间大。因此, CCD图像传感器的性能、灵活性、功耗等方面无法满足医疗器械及产品图像捕捉需求。

CMOS图像传感器的频谱范围宽、动态范围大、功耗小、供电电压低、电路简单易于集成、图像抓取功能灵活、系统集成度较高等特点, 为电子图像捕捉技术创造了新的应用领域。

CMOS图像传感器是典型的固体成像传感器, 其组成如图1所示, 由像素单元阵列、行选择器、列选择器、时序控制逻辑、A/D转换器、数据总线输出接口、控制接口等部分组成, 通常集成在同一块硅片上。该芯片还可集成其他数字信号处理电路, 如自动曝光量控制、非均匀补偿、白平衡处理、黑电平控制、伽玛校正等, 甚至集成具有可编程功能的DSP器件, 形成图像处理系统。CMOS图像传感器工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出等。

2 基于 CMOS 传感器的电子内窥镜

电子内窥镜是新一代可视医疗产品, 它将微型图像传感器装在内窥镜顶部代替光学镜头, 通过电缆或光纤传输图像信息。电子内窥镜与光纤内窥镜类似, 有角度调节旋钮、充气及充水孔、钳道孔、吸引孔和活检孔等。图2是普通电子内窥镜的末梢布局图。

CMOS电子内窥镜的工作原理如图3所示, 照明光源通过滤色片, 变成单色光, 单色光通过导光纤维直达电子内窥镜前部, 再通过照明镜头照在受检体的器官粘膜。器官粘膜反射光信号至非球面镜头, 形成受检部位的光图像, CMOS图像传感器接收光图像, 将此光图像转换成电信号, 再由信号线传至视频处理系统, 经信号处理 (去噪、储存、再生) , 显示在监控屏幕上。CMOS电子内窥镜可得到高清晰度图像, 没有视野黑点弊端, 易于获得病变观察区信息。

3 应用实例

CMOS图像传感器具有高分辨率、低噪声、低暗电流等特点, 成为应用越来越广泛的低成本传感器件。在医疗领域, CMOS图像传感器的应用包括电子内窥镜检查、一次性医疗产品监控、“药丸中的相机”等。下面分别介绍一次性可视腹腔穿刺器、一次性可视人流系统2个应用实例。

3.1 一次性可视腹腔穿刺器

在现代腹腔镜手术中, 配套管穿刺是建立腹腔镜观察通道及手术器械通道不可或缺的步骤。一次性可视腹腔穿刺器, 包括穿刺套管、内置摄像模组及光源穿刺针。在光源的照明下, CMOS摄像模组可以从穿刺针透明罩顶部将穿刺头进入腹腔过程的图像传输到显示装置, 即穿刺的过程及穿刺针进入腹腔的状况可以直观地从显示装置中观察, 也可与医院的腹腔镜工作站配套使用。该腹腔穿刺器为一次性使用, 避免交叉感染, 保证使用的安全性。图4是一次性可视腹腔穿刺器。

3.2 一次性可视人流系统

人工流产又称人流, 是指用手术方式终止妊娠。手术方法包括钳刮术和负压吸引术等, 前者是用卵圆钳将子宫内的胚胎组织夹出来, 对女性伤害较大;后者是用一根中空吸管利用负压将子宫内的胚胎吸出来, 该方法操作简便, 手术时间短, 流产效果好。但是, 由于负压吸引术是盲吸, 易造成疼痛、术时子宫出血、子宫穿孔、宫颈裂伤等, 同时由于使用负压, 易使蜕膜组织随血液逆流入腹腔, 而造成子宫内膜异位症。

传统负压吸引术无法在可视条件下观察术中情况, 需要一种可视装置的辅助, 以降低手术风险。目前有一种超导可视无痛人流术, 在B超准确定位和先进麻醉技术下, 进行负压吸宫术, 比传统负压吸引术更准确, 可减少痛楚, 对子宫内膜损伤小, 有效避免漏吸及其它并发症的发生。但由于采用体外B超定位, 该方法有一定局限性, 对于早孕或宫腔异位等情况的患者并不适用。

一次性可视人流系统整体设计如图5所示。一次性吸引头前端安装CMOS图像传感器 (如图6所示) , 可用于实时监视术中情况。CMOS图像传感器采集图像信息, 通过柔性线路板 (FPC) 信号线将信息传送到后端工作台显示, 工作台可以是具有显示、打印功能的标准式配置, 也可以是仅有显示功能的轻巧便携式配置。FPC信号线通过图7所示双腔管中一个腔体连接到工作台, 吸引信道在双腔体另外一个腔体中, 以满足医疗器械标准的要求。

通过一次性可视人流系统, 医生在可视情况下对患者实施人流手术。通过吸管前端的CMOS图像传感器, 可顺利寻找附着在子宫内壁上的孕囊及蜕变组织, 在明确位置进行吸引操作, 无需大面积刮宫, 损伤仅为微创, 手术更为快捷、安全, 降低医患风险。同时, 由于可视功能辅助, 从根本上降低了对医生手术技能要求。

本系统的吸引头选用符合医疗器械标准的塑料材质, 价格低廉, CMOS图像传感器成本也较低, 可实现一次性吸引头产品设计, 从根本上杜绝二次感染的发生。

传统内窥镜式人流系统工作台, 需配备一台CCD影像处理系统和一台内窥镜冷光源系统, 整套系统笨重且连接不便。本一次性可视人流系统与其相比, 降低了成本、能耗, 操作简便。

4 结语

1) CMOS图像传感器具有高分辨率、高集成度、功耗小和低成本等优势, 在医疗器械专业图像传感领域得到越来越广泛和深入的应用, 能够为客户提供多功能可视产品技术解决方案。

2) 基于CMOS传感器的电子内窥镜直接从位于内窥镜顶部的微型CMOS图像传感器采集图像信息, 经传输处理后获得高清晰度图像, 更易观察和获得病变区信息。

3) 采用CMOS图像传感器的一次性可视医疗产品, 增加了手术过程的可视性, 达到直观、安全、快捷的效果;同时可避免多次使用的交叉感染, 保证使用的安全性。

参考文献

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医疗传感器系统 篇6

全球移动医疗市场急速升温, 中国能分享到几成蛋糕?

2012中国移动医疗产业大会近日在京举行, 来自国家相关主管部门、三大运营商及相关医疗厂商的逾200位代表参加了此次盛会, 就移动医疗的政策指导、应用现状、发展难题等多方面问题展开了“跨界”讨论。

我国已具备移动医疗发展基础

卫生部统计信息中心主任孟群指出, 卫生事业的发展受到了政府和社会各界的高度关注, 按照国际统计惯例, 实现95%以上的医疗保障覆盖就可认为是全覆盖。根据2011年最新的统计数据, 我国已经在2011年实现了医疗保障的全覆盖。

为更切实地了解远程医疗的应用情况, 记者采访了北京蓝卫通科技有限公司的副总经理韩素芳。他指出, 远程医疗能为患者和行业发展带来诸多益处:一是能让地处偏远地区的患者享受到专家的诊疗, 解决我国医疗资源不足、分布不均等问题;二是通过远程医疗可以将小的病痛筛查至当地就诊, 免去了患者外出就医的大笔费用;三是方便专家与地方医生间的交流和学习, 起到了一定的帮带作用;四是提升了专家在专病专医上的效率, 使我国的专家资源得到高效利用。

国内运营商打响应用“卡位战”

在行业信息化需求上升和3G网络快速发展的拉动下, 移动医疗应用也得到了长足发展。

记者了解到, 早在2010年10月, 中国移动就和英国剑桥大学联合开展了“移动医疗”应用发展研究项目, 结合剑桥大学的跨学科专家资源和中国移动“移动医疗”领域最新实践, 历时4个多月最终完成了研究报告。实践方面, 中国移动和贵州省共建的新型农村合作医疗信息管理系统, 得到世界卫生组织总干事陈冯富珍高度评价:“这种创新手段, 可打造成为农村医疗卫生信息化发展的‘贵州模式’, 在全国乃至世界范围内进行推广, 更好地造福民众。”

与会的中国联通代表则表示, 多年前, 除了简单的手机预约挂号外, 运营商想不到更多的行业应用。但近些年, 地方运营商上报的应用案例完全超出了想象, 去年中国联通的医疗行业应用上万个, 服务的用户更是过千万。

除医护人员的移动办公、120急救调度等移动应用外, 更多面向个人用户的健身娱乐、健康管理、慢性病管理等方面的应用正在被开发和推广。运营商代表介绍, 他们与产业的结合还不够紧密, 希望通过与相关企业的联合, 更深层次地渗入医疗行业信息化的市场, 开放现有的优势资源, 更好地为行业发展做贡献。

标准、平台不统一是首要问题

虽然移动医疗的前景被专家和厂商一致看好, 但在实际发展中, 仍有诸多问题需要解决。

中国移动研究院的专家指出, 移动医疗产业主要面临以下几方面的问题:一是传感器标准不统一, 没有一个统一的接入应用平台。目前, 高通已经成立了Qualcomm life来解决统一平台的问题, 但国内尚无企业或组织来开展这方面的工作。二是患者数据信息的采集受制于患者个人的观念障碍, 对信息充分共享下的快速诊疗造成了影响。三是产业链垂直发展下各模块的接口问题, 也是困扰移动医疗更快、更广发展的主要问题之一。四是数字认证等安全管理的缺失, 使医护及病患的信息等面临着亟待解决的安全问题。

随着移动医疗从行业应用走向个人应用, 更多的问题将暴露出来, 这就需要相关企业和管理机构站高一步、看远一点, 做好产业的顶层设计和发展规划, 从而保证这一市场健康、可持续的发展。

精彩观点

第一、移动医疗领域的信息化建设要充分利用国家在“十二五”统筹布局新一代移动通讯网、下一代互联网等信息基础设施及加强云计算服务平台建设, 实施宽带中国战略的有利条件, 推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范。

第二、大力支持移动医疗服务创新, 如手机预约挂号、移动小额支付、医疗和药品信息、移动视频探视、远程诊断、移动医疗保险等, 进而探索智慧医疗的实现途径。

第三、积极规范引导移动医疗服务产业的发展, 各方需要不断自我调整, 寻找新业态中的专业化分工地位和利益共享的合作机制。

一、准确认识和把握移动医疗发展的趋势, 推动我国移动医疗产业的健康的发展。

二、深耕移动医疗与健康技术应用的服务, 移动医疗和健康业务可以服务多个环节, 从日常健康知识的普及到普通疾病的急救以及入院治疗护理, 这既是巨大的市场机遇也是挑战。

三、加大深层次合作与交流, 探讨合作共赢的业务发展模式。应该加深产业链间的合作与交流, 各取所长, 资源与技术互补, 就像今天的会议主题, 创新、智能、服务共赢, 以创新为目的, 以服务为宗旨, 以共赢为目标。

卫生部已经制订了卫生事业发展的“十二五”规划, 我们叫“35212工程”, 国家、省、地市建立三级信息平台, 公共卫生、医疗服务、医疗保障、医疗监管、基本药物等几大业务系统;建立卫生信息的专网, 加强信息标准体系和信息安全体系的建设, 同时加强电子签名隐私保护、信息安全和标准工作。

整个来说, 移动医疗在卫生行业已经得到了很好的应用, 但是它在整体规划、管理、布局包括一些相关的业务规范、信息安全、标准和组织管理上, 还面临着一些挑战, 需要今后进一步加强。

中国电信已经在移动医疗以下几个领域做了探索:

一是探索健康管理。今天的移动设备其实不仅仅是一个通信设备, 加了很多传感的东西, 可以测温度、心电等很多生命体征。我们这几年其实一直和医疗器械设备商、健康服务提供者在合作探索。

二是无线数字医疗。过去的医院里的医疗管理信息系统是通过PC固定设备提供的, 我们把3G、WiFi和手机、PAD结合起来, 使现在医院的应用服务变得真正“动”起来了。

三是协同工作平台。现在大医院会延伸到社区医院甚至更远的点, 医院内部也有很多会诊。电信有一个协同通信平台, 可以把医院信息系统和各种各样通信媒体、通信手段与信息整合在一起, 形成一个医院的协同工作平台。

另外, 还有区域医疗信息平台、基层医疗信息系统、远程医疗、预约挂号、新农合应用系统, 等等。

在未来医院的应用里, 最重要的是通过云计算构筑医患一体的移动医疗平台, 解决医疗机构内部到民众、家庭这么一个大的平台, 实现大家统一通信的医疗应用。

医疗传感器系统 篇7

当前很多国家都面临着人口老龄化的问题,我国老龄化速度更居全球之首。目前,中国60岁以上老年人约有1.69亿,预计2050年中国60岁以上老年人将达31%。“421”(即一对夫妇赡养4位老人、生育1个子女)的家庭大量出现,“空巢老人”在各大城市平均比例已达30%,个别大中城市甚至已超过50%。这对老年人独居及医疗保健服务提出了严峻挑战。无线传感网技术可以通过连续监测提供丰富的背景资料并做出预警响应,不仅有望解决这一问题,还可大大提高医疗的质量和效率。

无线传感网(wireless sensor network,WSN)集合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术,由大量传感器节点通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统,具有数据的实时采集、监督控制和信息共享与存储传输等功能,能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,处理后的信息通过无线方式发送并以自组多跳的网络方式传输给监测者[1]。

WSN的便携和不可见性,易于部署和扩展,可实时并随时连线,可重新配置和自组织性[2]等特点使其在智慧医疗中有着广泛的应用前景,不仅有望解决老年人独居问题,还可以用于婴幼儿监护,认知障碍者、残疾人以及慢性病者的医疗护理。

2 无线传感网在智慧医疗中的应用形式

2.1 体域网

体域网(body aear network,BAN)是附着在人体的一种无线传感器网络,其传感器节点既可佩戴在身上,也可植入体内,采集如温度、血糖、血压、心电图等重要生理信号,记录人体活动或运动信息,提供某种方式的自动疗法控制。

体域网需要低能耗低传输能量的无线技术。现今大多数无线医疗系统采用Zig Bee(IEEE 802.15.4)、WLANs、Bluetooth(IEEE 802.15.1)、医学植入通信服务(medical implant communications service,MICS)、无线医疗遥测服务(wireless medical telemetry service,WMTS)等。其中,MICS的频带为402~405MHz,可进行传感器节点间短距离(10 m内)信号传输,避免其他无线电设备产生的干扰,是最适于医学传感器节点的频段之一。WMTS常用作远距离无线通信(>100 m)的中间节点,是无线遥测最常用的频段(608~614 MHz,1 395~1 400 MHz,1 429~1 432 MHz)。Yuce M等[3]用MICS频段设计了一种植入式体域网系统,该系统由传感器节点、中央控制器(CCU)以及医疗中心的接收站组成,具有低能耗、连续传输数据的功能,通过无线通信的方式来实现诊断和治疗。该系统传感器节点负责获得人体原始数据,通过第一个连接,即使用MICS频段将数据处理结果传输到CCU。CCU的主要功能是收集来自传感器节点的数据,将数据重新打包,通过第二种连接因特网或者ISM频段(2.4 GHz)将数据传输到接收站。接收站通过用户图形界面(GUI)可以显示所有接收到的数据,并将这些数据储存到医院数据库系统中。CCU安放于患者腰上,以便患者自由移动。对一个不便移动的患者来说,CCU可安置在屋内10 m范围内的地方。它充当从传感器节点处获得数据的储存功能。它与计算机连接,显示实时信息,并将数据记录在数据库。储存的信息能通过邮件定期发送到医院的数据库中。

体域网植入性传感器节点需解决生物相容性以及避免体内环境对传感器的影响等问题。Liao等[4]开发了一种植入性葡萄糖在线监测光纤传感器,可以插在患者体内长达几周时间。其主要部件由大小和柔韧度与头发相似的植入性光纤构成,此光纤细且轻,具有良好的机械稳定性、化学稳定性和生物相容性,非常适用于医疗设备。

体域网佩戴式传感器节点需要解决移动性和便携性等问题。佩戴式传感器节点形式多种多样,有腕带式[5]、臂袋式[5]、胸带式[5]、夹克式[6]等。

Lee等[7]研究了一种检测皮肤电活动(EDA)和脉搏跳动情况的佩戴式传感器手套,该手套通过互联网实时传输和显示。EDA检测系统由导电纤维线、EDA传感器、信号采集模块、模拟电路板以及个人计算机组成。其中信号采集模块通过导电纤维线连接到传感器手套上;模拟电路板检测、过滤信号,完成模数转换并传输到个人计算机;个人计算机显示皮肤电活动信号处理结果并进行反馈。皮肤阻抗信号是皮肤表层电流的变化而引起的电阻抗改变。皮肤阻抗响应(SIR)信号是皮肤阻抗的交流分量,阻抗位准(SIL)反映皮肤阻抗的总体变化。苏醒状态下,SIR值低,阻抗响应间的距离(IRI)短;昏昏欲睡时,IRI和SIL值均增大;进入睡眠状态时,SIL值非常高且无SIR信号。因此,通过SIR和SIL间的关系即可以监测被检者的睡眠情况。

2.2 个人区域网

个人区域网(personal area network,PAN)主要监测被监测者周围环境的变化。利用传感器节点以及移动装置检测周围声音、压力、温度、光强、湿度的变化,提供丰富的情境信息,从而达到监护的目的。

当前研发的无线“个人助理”装置可支持血糖仪、胰岛素泵、持续型葡萄糖传感器。有了这种装置,通过用户界面即可控制这些医疗器件,获得情境感知数据。模块化、可扩展性、新功能易集成性是该系统需要重点研究的内容。

MAC层能源效率也是个人区域网需要重点解决的课题。MAC协议意在通过强调预防能耗来源(如碰撞、空闲监听、电源超支)提高能源使用效率。高分辨率的传感器设备将耗费更多的能量。Chen等人[8]提出一个变量控制系统,通过优化测量分辨率来减少能耗。

3 传感网在智慧医疗护理中的应用实例

3.1 健康情况的监测

健康情况的监测是传感网在智慧医疗护理领域研究最广泛的领域。常见的监测项目有心电图、脉搏、血氧饱和度、体温、心率、血压。目前研究的焦点是如何捕捉数据并发送到远程护理中心。Mobi Health项目[9]整合了手机、手表等穿戴式传感器设备,不断测量、传输生理数据给健康服务提供者,当发生意外事件时,提供快速和可靠的远程协助。Code Blue项目[10]是哈佛大学开发的一种软硬件平台。硬件部分包括微型脉动血氧计、双引线心电图、运动分析传感器板,软件架构基于发布/订阅路由框架。Code Blue的目的在于以ad hoc方式为无线医疗装置提供协调和通信。在此基础上,开发了检测心率、氧饱和度、心电图等移动身体传感器,提供诸如温度、运动和周围环境等信息。

Zhou等人[11]提出一种用于无线医疗监护的三层传感器网络。第一层提供如血氧饱和度、心率/脉搏和血压等医学传感器。这些医学传感器通过网关节点形成一个由自组织协议或手动配置识别的星型网络。第二层提供可靠的传输。如果患者在家里,其生理数据将通过布设在居住地最近的无线节点进行传输。这些节点不仅以多跳的方式通过因特网将数据传递到个人计算机,还提供如温度,患者在紧急情况下的视频或图片等背景资料。该系统的第三层负责远程医疗中心生理数据的汇总分析,并通过移动电话、PDA或Web服务器将数据反馈给患者。

Sibrecht Bouwstra等[6]设计了一种夹克式传感器,用来监测新生儿健康情况。这种智能夹克通过了临床实验,可用来实时监测新生儿的心电图。

文献[12]设计了一种可以监视新生儿状况的婴儿手套。这个手套由2个整合的置于新生儿上身的传感器板组成,包含一个温度传感器和若干电极,用来监视婴儿的体温、脉搏和水化作用。该装置是由2个微粒组成,其中一个微粒连接到婴儿的衣服,收集来自传感器的关键标志物信息,通过无线传输到另一个微粒;另一个微粒再与基站的计算机连接,进行数据处理。一旦关键标志物的水平高于某一阈值,将会立即警示看护者。

3.2 活动或运动情况的监测

摔倒是65岁以上老年人意外死亡的主要原因。由于隐私等问题,人们逐渐从隐蔽式摄像头转向加速度计、回转器等运动传感器进行身姿和步态的监测研究,预防摔倒,并对此行为进行及时处理。Purwar A等人[13]研究了一种典型的运动传感系统。该系统使用单一的三轴加速度计,通过信号处理技术,识别运动行为。“微尘”基站收集加速度计的数据,并将其分程传递到服务器进行数据处理。这种移动“微尘”如果戴在胸部而不是系在腕上,将可获得81%的运动检测准确率。如何辨别跳跃、快速坐在椅子上等类似于跌倒的运动行为是目前研究的另一项课题。Wang等人[14]设计了另一种摔倒检测系统,该系统将加速度计安放在头部位置,使用特定算法来区分摔倒和日常行为。这种算法可区分8种摔倒姿势和7种站、坐、躺、行走、跳跃、上下楼梯、慢跑日常行为。此算法主要寻找身体接触地面的初始时间以及身体处于静止状态的时间差别,通过这种差别来判断是否摔倒。

新生儿不正确的睡眠姿势致死率是婴儿猝死综合征(SIDS)致死率的12.9倍。文献[12]提出了一种Sleep Safe原型,用来监测新生儿睡眠情况。这种装置使用了三轴加速度计,用来判断婴儿的睡眠姿势,如仰卧、侧卧及俯卧,一旦出现后2种情况,将通过基站将警告发送给看护者。

3.3 药物用量和饮食情况的监测

老年人、慢性病患者以及认知障碍者常常不能按时、按量服药,因此,对用药量进行监测非常必要。Moh等人[15]将传感网和射频识别技术(RFID)相结合,用来控制老年人的用药量。该系统包括3个部分:(1)药物监测子系统。使用高频(HF)RFID标签技术进行药瓶的识别,使用质量计识别患者药品用量。该系统能够识别患者的取药时间、取药种类和取药量。(2)患者监控子系统。通过患者身上的超高频(UHF)RFID标签进行患者的识别和定位,该子系统能够提醒患者只取必需药品。(3)基站子系统。将数据传递到基站的个人计算机上。基站的软件包括模拟显示患者的用户图形界面(GUI),提示吃药时间并维护患者与药品微尘节点间的相互作用。i Cabi NET方案[16]使用智能RFID包装技术,通过切断RFID集成电路的电流来记录药丸的使用情况。i Cabi NET可接入家居网络,通过家居网络使用RFID阅读器监控药物摄入量。该系统可监测用户购买的药物,并通过智能家电,如电视机提示患者药物用法和用量。作为替代方案,可将i Cabi NET集成到蜂窝式网络或普通电话网络,以提醒患者正确服药。

Pang等人[17]开发了名为i Package的智能包装原型,该系统能够进行远程摄入药物监控和重要生理信号监测。i Package与RFID连接不同,它通过分层材料(CDM)膜及控制电路来实现药物剂量的控制。CDM薄膜由3层箔膜构成,底部为铝层,顶部和中间黏合剂层为电化学环氧树脂。当加在底层和顶层的电压高于某一临界值时,将在中间层发生电化学反应。当施加电压一定时间时,环氧树脂层将被破坏并剥

·医疗卫生装备·2011年5月第32卷第5期Chinese Medical Equipment Journal·Vol.32·No.5·May·2011落。因此,带有CDM密封膜的i Package只能通过特殊的控制设备才能打开,从而可实现剂量控制。

Body Media公司设计了一款名为“Health Wear Armband”的运动传感器来计算能量消耗,从而进行饮食控制[6]。这种传感器可以感知从皮肤到周围环境间的温度梯度、机械活动以及皮肤阻抗,与PC相连,充当个人助手。

3.4 日常活动的监测

T.van Kasteren等[18,19]根据观测老年人日常活动,建立了传感器即时读数分析模型的方法,并将这些方法应用到可视化监视和声音分析上。该方案使用一系列如接触开关、压垫这样的简单传感器,根据多传感器的信息融合,即可判断居住者的行为,从而可以对老年人健康状况,如老年痴呆症等进行检测。因为系统不使用摄像机,比较容易得到患者及其家属的认可。

Hou JC团队[20]开发了一套无线个人独居助理系统,该系统具有感知、定位、监控、无线通信以及事件数据处理能力,提供日常活动提醒帮助、生理功能非植入性检测、与远程保健公司、临床医生进行实时通信,以实现老年人独居生活。该团队还特别为无线个人独居助理系统配置了一个低能耗的小装置(包括RFID阅读器和蓝牙医学装置),以进行服务质量考核;为无线个人独居助理系统装备了超声和RFID技术,以实时追踪人和物体的活动;使用手机作为无线调制解调器和局部智能数据的收集和获取工具,普及无线个人独居助理系统。

4 结语

医疗传感器系统 篇8

汽车越来越多的走入平常人家, 为满足不同阶层的用车人士对汽车的不同, 汽车的配置也各不相同。但不论是何级别的汽车都需要依靠汽车电子系统实现汽车的功能控制。而汽车传感器是汽车电子控制系统的信息源和关键部件, 也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。目前, 一辆一般级别的小型汽车就安装了大约几十只到上百只传感器, 而配置高的豪华型汽车上的传感器数量更多达二百余个, 并且传感器的类型也呈现多样性的特点。

在发动机控制系统中, 所采用的传感器按功能可分: (1) 温度传感器; (2) 压力传感器; (3) 位置和转速传感器; (4) 流量传感器; (5) 气体浓度传感器; (6) 爆震传感器等。按控制部位不同, 传感器又可分 (1) 底盘控制传感器, 主要用于变速控制系统、悬架控制系统, 动力转向系统, 制动防抱死系统等底盘部件的控制。 (2) 车身控制传感器, 主要用于提高汽车在行驶过程中的安全性、可靠性以及乘车的舒适性等。车身传感器主要有:自动空调系统的温度传感器、湿度传感器、风量传感器、日照传感器等;安全气囊系统中的加速度传感器;门锁控制的车速传感器;亮度自动控制的光传感器等。在配备有GPS/GIS (全球定位系统/地理信息系统) 的高配汽车上, 还应用有导航用的传感器:汽车行驶方向的罗盘传感器、陀螺仪、车速传感器和方向盘转角传感器等。

传感器的工作状态能很好的反映出汽车的行驶状况。在日常用车过程中, 要合理、安全的驾驶车辆, 就必须对汽车所用传感器有足够的认识, 并能对传感器输出信号的正确的状态有识别的能力。这对于具备专业技术的实践经验丰富的测量人员都较难达到的要求, 对一般的用车大众人群更是非常苛刻的。因此为了满足大众人群的需要, 提高汽车电器故障诊断时间, 快速、精确地测定汽车各类传感器的好坏及工作精度, 设计一种具有综合性、易操作性、智能化的检测系统是解决这一突出矛盾的办法。

2 检测系统的结构设计

传感器主要是通过敏感元器件将被测的物理量转化为电量输出的器件。因此在汽车传感器的检测中, 需要获取的信号均为电量信号。而传感器存在着多样性, 并且没有统一的标准, 即使是检测同样的物理量, 还是会存在着一定的差异性。汽车传感器综合检测系统要满足这种测试的特性单一的考虑某一种传感器设备不完全的, 但要全部满足不同车系的要求也是非常困难的。因此考虑采用模块化的组合方式, 将不同传感器检测相同的环节, 例如系统的主电路、气动控制系统、后台支撑软件等作为公用的资源, 作为系统的主体构架。根据传感器检测方式及输出方式的不同归纳整理, 形成附属于主体构架的分支模块。主体构架与分支模块之间采用现在普遍采用的即插即用的标准化接口方式完成电气连接, 并可以实现按需选择的分支模块的拆除、更换及扩展。其结构简图如图1所示。

3 检测信号的处理

汽车所用传感器的输出信号一般有以下几种: (1) 开关量输出信号;即输出的信号为“0”或“1”的开关量。 (2) 数字型输出信号;即输出的信号为计数式或代码式的信号量。 (3) 模拟量输出信号;即输出的信号是电流或电压的形式。

在这三种输出信号中, 开关量和数字型的输出信号可以直接引入计算机系统, 显示出传感器的检测结果。模拟量一般需要利用万用表或示波器等设备检测出其结果, 在信号处理时不易操作。

根据信号的特点, 为了统一将信号整理由计算机输出, 将从传感器采集到的信号根据信号的不同形式进行前置处理, 实现信号的放大或完成A/D模式转换等, 后输入到计算机里进行数据的综合处理, 也方便后继的显示或打印需要。其一般原理如图2所示。

4 系统的软件支撑

不同的传感器其测试的原理具有共性, 但细化还是存在着差异性。因此在综合的测量平台上, 要实现对不同传感器的测量还需要与各种传感器相匹配的测试软件作为支撑, 在一定的使用范围内能根据被测对象的不同, 所用传感器的不同适当的进行调整, 以满足最终的测量需要, 并保证获得正确的测量结果。

解决的方法是通过软件设计时, 在设计自定义了脚本文件, 包含各种端口分配信息、测试内容和测试步骤, 结果处理等信息, 软件按照这个脚本文件执行操作。针对不同传感器的测试提供对应的脚本文件, 即可解决软件的复用问题。为了提高测试系统的智能化和易操作性, 在软件设计时, 针对系统中拥有各种不同的传感器件, 设计了识别功能, 使软件系统能够自动识别被测传感器类型, 并且可根据识别结果自动调用与传感器相匹配的测试程序, 以此保证测量的高效率及可靠性。

此外, 软件系统还包括了其他的支撑模块以完成硬件控制驱动、传感器安装测试、性能测试、测试信号处理显示和测试过程监控等任务。在设计软件系统时, 采用了以主程序为主干, 子程序为辅的树状结构。树状结构其逻辑关系清晰, 具有高调节性和适应性, 可方便的调整或增删其他的分支子程序, 以适应传感器的多样性。

5 综合测试系统的误差因素分析

传感器是接收信号的主要器件, 处于测量的最前端, 传感器的性能好坏影响整个测试系统。对于传感器来说, 性能指标主要分静态指标和动态指标, 在测试系统中, 动态影响较大, 主要是随机误差为主: (1) 在综合测试系统集成了多种电器元件, 当它们工作的时候相互之间会产生电磁干扰信号, 对于此类干扰信号可以通过电路的改善来降低电磁的干扰。 (2) 设备的机械振动引起系统测量结果误差, 对于机械振动所引起的误差通过分析在工作过程中会产生较大振动的振源, 对其采用阻尼系统来降低工作时的振感, 以提高测量的结果的正确性。 (3) 信号数模转换造成的测量结果误差, 对于这部分数据误差, 主要通过对数据的分析查找误差规律, 通过数学模式处理纠正测量的数据误差。

6 结束语

汽车测试系统的设计对常用汽车传感器的检测具有较强的适应性和可靠性, 对系统可能产生的测量误差进行了有效的预防与后置处理, 保证整个测量过程的正确性。测试系统的设计模式能够为进一步提升汽车传感器的测试系统智能性提供有益的参考。

参考文献

[1]武长河, 高洪一.汽车检测与诊断技术[M].北京:北京交通大学出版社, 2008.

[2]沈继刚, 施美雅, 刘宇虹.应用计算机技术的车用传感器检测系统设计[J].拖拉机与农用运输车, 2005, (2) :57-58.