10.远程监护

基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计远程监护概述远程监护的研究背景和意义医疗监测原理与系统设计思想无线监护传感器节点的设计系统设计方案一、远程监护概述远程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。远程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。远端监控设备监护中心通信网络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。二、远程监护的研究背景和意义1.研究背景电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展为我们的生活带来了便利，也为医疗体系的发展带来了新的机遇。如何将信息技术应用于医疗，一直是世界各发达国家的重点发展目标，欧美许多国家正积极推动医疗信息基础建设(HealthCareInformationInfrastructure,HCII)，我国也推出了金卫医疗网络工程等项目，目的在于集成信息科学、计算机技术和通信应用技术于医疗卫生领域的高科技产业，优化医疗保健服务，加速实施我国医院管理及医疗卫生事业现代化建设的进程。2.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。2.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: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。3.国内外相关研究远程医疗的发展水平是不平衡的，美国和欧洲要领先其它国家很多。他们起步早，国家投入大，远程医疗的支撑技术成熟。国外的发展状况总体上是比较先进的，主要应用是远程会诊和治疗，其次是战时急救。远程医疗中的一些子系统发展水平较高，比如医院的信息化系统(HIS)和电子病历(EPR)以及图片存档及通信系统(PACS)等技术非常成熟。3.国内外相关研究国内从事远程监护技术研究单位主要有:清华大学生物医学工程系第三军医大学附属大坪医院野战外科研究所第五研究室台湾的长庚大学电机工程研究所国立中正大学电机工程研究所3.国内外相关研究清华大学白净教授领导的研究小组对家庭护理与远程医疗，社区保健工程进行了研究，其研制的家庭贴心小护士系统为国内外首创，系统由家庭监护器和医院控制台构成，监护仪内设智能控制系统，可以实时遥测记录心电图和动态血压，可对心电图进行实时病类分析，发现异常心率时，自动经过电话线将心电图发送到医院监控台进行咨询。医院监控台可同时接收、显示多个家庭用户的心电图、血压数据，并可立即将诊断意见返回家中使用者。此外该研究组还对基于Internet的虚拟医疗数据采集器进行了研究。三、医疗监测原理与系统设计思想1.医疗监测原理重要生命参数的远程监护是年老体弱者口常监护的一个重要内容，检测的生理信息主要包括:体温、脉搏、血压、心率、心电图、呼吸、血气(氧分压和二氧化碳分压)、血氧饱和度、血糖等。这类生理参数在远程监护系统中一般要求无创或微创检测。本文以温度、脉搏、血压信号为采集对象，选择了简单方便的传感器和无创测量的方法。1.医疗监测原理选用一种快速测量脉搏的方法，采用光电转换的方法，在几秒中内测量每分钟的脉搏数。脉搏传感器选择透过型红外传感器。透过型脉搏传感器由小灯泡，光敏二极管、圆筒组成。在一个圆筒上挖两个小孔(两个孔与与圆筒截面的圆心在一条直线上)，一侧放小灯泡，另一侧放光敏二极管，当手指放入圆筒时，由于心脏压送血液的不同，手指上通过的血液流量也不同，血流量不同，其透光率也不同，光敏二级管对不同的透光率会有敏感的反映，通过的电流会随血液流量而变化，把电流的变化再转化为电压的变化，然后进行测量。脉搏传感器示意图光敏二极管红外发光二极管手指2.无线通信技术随着信息技术的不断发展和社会需求的口益增长，无线通信已经进入规模化发展的阶段，快速发展的无线通信已成为信息产业中最为耀眼的“亮点”，为各种潜在的工程技术提供了新的方法和手段，并成为推动社会发展的强劲动力。2.无线通信技术无线通信以其不需辐设明线、使用便捷等特点，展示出广阔的市场前景。无线通信技术正以较快的速度进入许多产品，它与有线相比主要具有成本低、携带方便和省去布线的烦恼等优点，特别适用于遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能片、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器控制、信息家电、无线232、无线422/485数据通信等领域。2.无线通信技术无线射频技术是在家庭区域内的任何地方，在电脑和电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。目前已有一些公司可以提供一系列的数字信号单片射频收发器，这一类芯片的迅速发展为工程技术人员提供了多种选择。3.系统设计思想本文借助于无线传感网络技术，提出一种应用于医院家庭的人体健康参数无线监测系统的设计思想。无线传感网络技术是在家庭区域内的任何地方，在电脑和电子设备之间实现无线数字通信的一种构想。本系统的设计和实现是采用了模块化设计的思想。从功能模块上该系统可分为:数据采集模块、无线收发模块和通用串行总线接口传输模块。系统的硬件结构由两部分组成:一部分是数据采集和无线数据发射电路;另一部分是无线数据接收和通用串行总线接口电路。无线传感网络脉搏传感器PC机无线收发模块温度脉搏血压心电图无线传感网络脉搏传感器PC机无线收发模块温度脉搏血压心电图无线传感网络脉搏传感器PC机无线收发模块温度脉搏血压心电图intenet远程监护中心无线传感网络与远程监护示意图无线模块嵌入式系统脉搏传感无线节点血氧传感无线节点心电传感无线节点无线发射模块控制器串口网络接口模块Internet系统的总硬件结构四、无线监护传感器节点的设计1.无线传感器节点结构框图无线传感器网络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。其节点主要包括5部分:中央处理器模块(CPU)、无线数据通信模块、传感器、A/D转换及相关调理电路、电源模块。监护传感器节点结构传感器及相关调理电路A/D转换处理器模块无线数据通信模块电源模块2.无线监护传感器节点的硬件设计处理器模块硬件系统包括：处理器模块(16位单片机MSP430F149、存储器及外围芯片)、A/D转换模块、串行端口、存储器模块。3.通用模拟信号处理接口在实际电路应用中，模拟信号采集是一个重要环节。通用模拟信号处理接口能够处理一些标准电压和电流信号(0~5V,1~10V,0~10mA,4~20mA)，同时能够将微信号及差分信号做出精确的转换。该设计采用了MSP430F149中的1路12位A/D转换、Mrcrochip公司的可编程增益放大器(ProgrammableGainAmplifierAGP)MCP6S28及简单的滤波保护电路来采集8路模拟信号，4.电源处理部分采用3V/100mA输出转换芯片NCP500SN30T1。从成本、效率、性能方面采用NCP500为系统提供3V是比较不错的选择。NCP500的应用电路十分简单，它工作时仅需要二个作输入、输出电压退祸降噪的陶瓷电容器或者担电容，Vin和Vout的输入和输出滤波电容器应当选用宽范围、低等效串联电阻(ESR)的担电容，使LDO在零到满负荷的全部量程范围内具有良好的稳压效果。5.Zigbee无线数据通信模块(1)2.4GHz无线收发芯片CC2420CC2420是Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4规范的2.4GHz射频芯片，已经被用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络的Zigbee设备和产品。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于Zigbee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18µmCBIOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。zigbeeZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。6.预留人机界面由于无线传感器网络节点对功耗要求比较高，在平台设计中不推荐增加丰富的人机界面，一般设计中只留有几个按键和LED状态显示。由于上位机软件还未得以开发完全，为了调试方便采用16个按键和LCD显示，接口可以随意插拔，主要用于初期设置参数，在具体工作时则不使用，当上位机软件开发完毕后，可以通过串口或无线的方式进行参数设置。五、系统设计方案1.医院监护网络体系方案医院监护系统由有线网络(局域网)和无线网络两部分组成，如图所示。患者身上佩戴的Zigbee终端与邻近的Zigbee接入点建立无线链路和逻辑连接，将采集到的生理信息数据(体温、脉搏、血压等)发送到AP(AccessPoint)。AP通过医院的局域网，将数据转发到监护服务器上，由服务器端的软件对数据进行分析和处理。医院无线监护系统结构监护服务器APAP病房4病房3信息中心Zigbee芯片传感器和单片机局域网APAP病房1病房2工作流程:AP上电后立即尝试连接局域网上的服务器，服务器的IP和端口号以及AP的网络配置都写在配置文件中，用户可以手动修改，连接成功后进入就绪状态。如果有携带Zigbee移动监护设备的患者进入AP的覆盖区域，Zigbee移动监护设备将会查询到AP并与之建立ACL链路，AP接受连