基于WSN的醫(yī)院病人實(shí)時監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，大型醫(yī)院病人的日益增多，現(xiàn)有的病人病情監(jiān)護(hù)機(jī)制已經(jīng)不能滿足需要，因其不能實(shí)時對病人的狀況進(jìn)行監(jiān)護(hù)，造成耽誤救治、誤診時有發(fā)生。人們對醫(yī)療健康的關(guān)注和高質(zhì)量醫(yī)療服務(wù)的需求，使得基于WSN 技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)也越來越受到人們重視。ZigBee 技術(shù)在構(gòu)建智慧醫(yī)療無線傳感網(wǎng)絡(luò)時，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。能實(shí)時的獲取病人的生命特征數(shù)據(jù)，并通過智能終端設(shè)備，無線網(wǎng)絡(luò)向護(hù)士、醫(yī)生、控制中心實(shí)時傳輸。

1 Zigbee技術(shù)

Zigbee 技術(shù)近年來在無線傳感領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義了它的PHY 層和MAC層，ZigBee 聯(lián)盟制定了網(wǎng)絡(luò)層、安全和應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)，用戶可根據(jù)自己的應(yīng)用需求進(jìn)行應(yīng)用層開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)的工作頻段分為868MHz,915MHz 和2.4GHz 共3 個頻段。在通信上，采用CAMA/CA(免沖突多載波信道)接入方式，有效避免了無線電載波間的沖突;能實(shí)現(xiàn)密鑰長度為128 位的加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，確保了通信數(shù)據(jù)的安全保密性。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星形、樹形和網(wǎng)絡(luò)形，能實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)、多跳路由。滿足了醫(yī)院病人實(shí)時監(jiān)護(hù)的組網(wǎng)需求。

Zigbee 技術(shù)在組網(wǎng)時的特點(diǎn)：

① 低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2 節(jié)5 號干電池可支持1 個節(jié)點(diǎn)工作6~24 個月，甚至更長。

低成本：通過大幅簡化協(xié)議，降低了對通信控制器的要求，ZigBee 免協(xié)議專利費(fèi)，每塊芯片的價格大約為2 美元。

② 低速率：ZigBee 工作在20~250 kbps 的較低速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

③ 近距離：相鄰節(jié)點(diǎn)間的傳輸范圍一般介于10~100 m 之間，在增加RF 發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km.如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

④ 短時延：ZigBee 的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms .

⑤ 高容量：ZigBee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254 個子節(jié)點(diǎn);同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000 個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

⑥ 高安全：提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對稱密碼。

⑦ 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM) 頻段，2.4 GHz(全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲)。

2 系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的醫(yī)院病人實(shí)時監(jiān)護(hù)系統(tǒng)分為三層：病人所攜帶的各種傳感器構(gòu)成的感知層、Zigbee 技術(shù)構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)層、控制中心的應(yīng)用層(如圖1 所示)。

圖1 系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)病人攜帶無線監(jiān)護(hù)器(傳感器)和智能終端設(shè)備在醫(yī)院的病區(qū)和公共區(qū)域活動時，各種傳感器能實(shí)時記錄穩(wěn)定狀態(tài)、空間位置(定位)、心率、體溫、呼吸等人體生命特征數(shù)據(jù)，通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)上傳到控制中心，得到醫(yī)護(hù)人員的實(shí)時監(jiān)護(hù)。

無線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(控制中心)，適當(dāng)數(shù)目的路由器節(jié)點(diǎn)(路由)和大量的終端節(jié)點(diǎn)(手持智能終端)組成，如果地理空間較大的話，也可以多協(xié)調(diào)器組網(wǎng)。這種組網(wǎng)方式具有極好的靈活性，病人持有的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入相應(yīng)的路由區(qū)域都能自動組網(wǎng)。GPRS模塊給遠(yuǎn)離醫(yī)院的醫(yī)護(hù)人員能不間斷的監(jiān)護(hù)提供了可能。

若綜合考慮經(jīng)濟(jì)等方面因素，各種傳感器(數(shù)字脈搏傳感器、數(shù)字體溫傳感器、血壓傳感器、呼吸傳感器、數(shù)字三軸加速度傳感器、RSSI 定位傳感器)可部分設(shè)計在病人手持智能終端上，也可單獨(dú)設(shè)計成產(chǎn)品。手持智能終端預(yù)留接口，靈活選配使用。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

3.1.1 病人手持智能終端

病人手持智能終端基于TI 公司的CC2530芯片開發(fā)，CC2530 芯片廣泛應(yīng)用在2.4-GHz IEEE 802.15.4系統(tǒng)、RF4CE 遙控制系統(tǒng)、ZigBee 系統(tǒng)、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)類電子和衛(wèi)生保健。CC2530 需要實(shí)現(xiàn)的功能以及外圍模塊主要有3 個部分：通過A/D 口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;控制無線RF 模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā);通過I/O 口相應(yīng)主機(jī)控制。傳感器采集的數(shù)據(jù)也可通過I/O 口與微處理器相連，通過RS232接口可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與PC 機(jī)的通信。

由于CC2530 芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔(如圖2)。其中，主時鐘晶振采用32mhz 無源晶振以及32.768khz時鐘晶振;無線RF 模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，天線使用50 歐鞭狀負(fù)極性天線。且將數(shù)字三軸加速度傳感器和RSSI 定位傳感器集成在智能終端上。

圖2 CC2530 外圍電路圖

3.1.2 路由

基于TI 公司的CC2530 芯片開發(fā)，采用高性能的工業(yè)級32 位通信處理器、工業(yè)級蜂窩無線模塊和ZigBee 模塊，以嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，同時提供RS232(或RS485/RS422)、以太網(wǎng)和ZigBee接口，可同時連接串口設(shè)備、以太網(wǎng)設(shè)備和ZigBee 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能和路由功能。

3.1.3 醫(yī)護(hù)人員手持智能終端

可采用ARM+WinCE 架構(gòu)，提供Zigbee、GPRS、藍(lán)牙、串口、USB 等多方式的網(wǎng)絡(luò)接口，集成化軟件服務(wù)平臺，方便醫(yī)護(hù)人員透明化的應(yīng)用。

3.1.4 控制中心

控制中心由CC2530 和PC 機(jī)構(gòu)成，CC2530 作為ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建立和管理。

病人的生命參數(shù)指標(biāo)和呼叫信息，通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到控制中心進(jìn)行集中顯示，并通過串口傳至PC 機(jī)進(jìn)行存儲以便進(jìn)行查詢。生命特征數(shù)據(jù)偏離了正常值而自動產(chǎn)生的報警信息會發(fā)至對應(yīng)醫(yī)護(hù)人員的手持設(shè)備上。

3.2 軟件設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)啟動流程圖

基于Zigbeer 技術(shù)能實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)功能，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(控制中心)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)在啟動時，能根據(jù)自身狀態(tài)自動組網(wǎng)或加入網(wǎng)絡(luò)(圖3)。

圖3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)啟動流程圖

3.2.2 傳輸生命特征數(shù)據(jù)原理

只要病人身上攜帶有無線監(jiān)護(hù)器，相應(yīng)傳感設(shè)備就能自動發(fā)出代表病人身份的信號和生命特征數(shù)據(jù)。

手持智能終端就將病人的身份信息發(fā)送到最近的路由節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心站，確認(rèn)身份后，病人當(dāng)前的生命特征數(shù)據(jù)(如體溫、心跳、血壓、呼吸狀態(tài)等)就會發(fā)送給控制中心。

3.2.3 數(shù)字三軸加速度平衡檢測算法

三軸加速度傳感器工作時，敏感元件將被測點(diǎn)的加速度信號轉(zhuǎn)換為成比例的電信號，進(jìn)入信號調(diào)整電路進(jìn)行放大調(diào)整、改善信號的信噪比，再進(jìn)入單片機(jī)，由軟件控制單片機(jī)內(nèi)的多路選擇器將3 個軸的信號分時輸入A/D 轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字信號，然后，RS422 接口串行輸出到上位機(jī)。

以Z 軸對應(yīng)人體直立時的垂直軸，X 軸對應(yīng)人體的前后向水平軸，Y 軸對應(yīng)人體左右側(cè)向水平軸， X、Y、Z 軸相互正交，任意空間方向上的矢量變化均可以分解成X、Y、Z 三個方向上的分量變化，在直角坐標(biāo)系下從人體由直立狀態(tài)變?yōu)榻舆M(jìn)水平狀態(tài)、人體較長時間處于接近水平狀態(tài)、加速度的變化速度較快三個方面，通過閾值來判斷是否發(fā)生跌倒。

3.2.4 RSSI 定位算法

根據(jù)定位機(jī)制不同，定位算法總體上可分為2 類：

① 基于測量距離(range-based)的定位算法，通過測量節(jié)點(diǎn)間的距離或角度信息使用三邊測量、三角測量或最大似然估計定位法計算節(jié)點(diǎn)位置，其定位精度較高，比較常用的測距技術(shù)有RSSI、TOA、TDOA 和AOA.

② 不需要測距算法(range-free)，利用節(jié)點(diǎn)間的鄰近關(guān)系和連通性實(shí)現(xiàn)定位的算法，定位精度較低，如DV-hop 算法、GPS-less LCO 算法等。

3.2.5 醫(yī)護(hù)人員手持智能終端系統(tǒng)設(shè)計

醫(yī)護(hù)人員智能終端系統(tǒng)選用帶有觸屏的ARM9 開發(fā)板，內(nèi)置Windows CE 6.0 操作系統(tǒng)，用。NET 編寫的用戶界面程序。主要實(shí)現(xiàn)如下功能：

病人信息查詢：通過觸摸屏進(jìn)行瀏覽，可查詢出病人的名稱、入院時間、病情、診斷信息等。

用藥提醒：提醒病人按時服藥。

服務(wù)呼叫：對突發(fā)的情況，提供呼叫服務(wù)功能。

治療記錄：病人治療過程在線記錄。

4 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

4.1 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)(模塊)組網(wǎng)測試

本實(shí)驗(yàn)基于文中(圖1)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用病人手持智能終端外接溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、發(fā)送，輔助器材(如電吹風(fēng))產(chǎn)生不同的溫度值，控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：(×表數(shù)據(jù)丟失)。

表1 網(wǎng)絡(luò)測試數(shù)據(jù)表

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在80 米范圍內(nèi)，本網(wǎng)絡(luò)能正確的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)通信距離接近100 米時，會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。因此，在構(gòu)建WSN 時，應(yīng)保證相鄰路由節(jié)點(diǎn)間的距離不應(yīng)大于160 米。在Zigbee 模塊沒有增加RF 發(fā)射功能時，節(jié)點(diǎn)間距離在100 米以內(nèi)最穩(wěn)定。

表2 智能終端傳感測試數(shù)據(jù)表

4.2 病人手持智能終端性能測試

由于病人手持智能終端可外接的傳感器較多，本實(shí)驗(yàn)只選取手持智能終端上集成的數(shù)字三軸加速度傳感器進(jìn)行性能測試。

測試過程由6 個志愿者協(xié)助，攜帶樣機(jī)就向前跌倒、向后跌倒、向左跌倒、向右跌倒四個姿勢進(jìn)行，控制中心進(jìn)行相關(guān)信息的獲取。

從這個實(shí)驗(yàn)中可以看出基于CC2530+數(shù)字三軸加速度傳感器的解決方案能夠有效地對跌倒?fàn)顟B(tài)進(jìn)行檢測。當(dāng)然，這里只是一個簡單的實(shí)驗(yàn)方案，對于其它的傳感器同樣需要進(jìn)行更加全面、有效和長期的實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該解決方案的可靠性。

5 總結(jié)

無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能使醫(yī)院和醫(yī)護(hù)人員實(shí)時的掌握病人信息、生命特征數(shù)據(jù)，及時響應(yīng)實(shí)發(fā)事件(如跌倒、走失、呼救等)、人性化的管理病人。同時，病人能自由組合的使用各種傳感監(jiān)護(hù)器監(jiān)護(hù)自身的各種生命參數(shù)指標(biāo)，對治療的效果和進(jìn)程明晰，能緩解治療情緒，有利于治療，該系統(tǒng)有著廣泛的實(shí)用性和社會需求。