无线传感器网络在医疗事业中的应用

1无线传感器网络在医疗事业中的应用摘要在医疗事业方面，无线传感器网络以其低功耗、低成本、方便携带、数据传输快捷等特性多用于对病人生理数据的远程监测，对药品、医疗设备使用情况的管理和监控，对病人和医护人员的跟踪定位以及对病房环境的管理等。一、引言近年来伴随着传感器技术、微电子技术以及嵌入式计算技术和无线通通信技术等方面的不断发展和融合，研制开发一些具有感知能力、计算能力和通信能力的微小型传感器技术也日渐成熟。无线传感器网络（wirelesssensornetwork,WSN）就是由许多密集分布在一定监控区域的传感器节点，通过无线通信的方式构成的一个多跳的自组织网络系统。无线传感器网络号称是将物理世界和信息技术连接起来的“纽带”，用途极其广泛。现如今已在军事领域、农业领域、环保监测领域、工业领域、智能家具领域、空间和海洋探索等领域中得到了广泛的应用。随着科技的进步，无线传感器网络已展现出越来越大的影响力，不难看出它具有改造社会的潜力。美国《商业周刊》就曾认为无线传感器网络是全球未来四大高新技术之一。2003年，麻省理工学院（MIT）的《技术评论》（TechnologyReview）杂志也指出在改变世界的十大新兴技术中，智能无线传感器网络名列第一。当然，现如今无线传感器网络的地位也验证了这一点。在医疗事业方面，无线传感器网络以其低功耗、低成本、方便携带、数据传输快捷等特性多用于对病人生理数据的远程监测，对药品、医疗设备使用情况的管理和监控，对病人和医护人员的跟踪定位以及对病房环境的管理等。二、无线通信协议的比较与选择目前有多种主流无线通信协议（见表1），这些传输协议都有各自的优势和特点。但就总体而言，现如今无线传感器网络技术主要使用ZigBee协议。ZigBeeUWBWiFiBluetooch标准IEEE802.15.4IEEE802.15.3aIEEE802.11a.bSIG功耗很低特别低较高较低速率/（b/s）250K100M-1G11M500K-1M传输距离/m20010m左右室内5010频段/Hz2.4G3.1-10.6G2.4G2.4G组网特点结点多，功耗低，支持树状meshAd-hoc或mesh组网Ad-hoc网络Ad-hoc网络，节点少（7）成本/$320153.8表1ZigBee是近年来兴起的无线网络技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本等，主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4的标准，在多个传感器节点之间相互协调实现通信，每个传感器只需要很少的能量，以接力的形式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个2传感器，通信效率较高。相对于其他无线通信技术来说，ZigBee将是最低成本和功耗的技术，其低数据速率和通信范围较小的特点，决定了ZigBee技术适合用于数据流量较小的业务。三、无线传感器网络的体系结构无线传感器网络与传统的无线网络（如WLAN）有着不同的设计理念，传统的无线网络是在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的利用率，而无线传感器网络的大部分节点都是静止的。（一）、传统的无线传感器网络整体结构如图1所示，一个典型的无线传感器网络主要由传感器节点、无线传输信道、汇聚节点、因特网或无线通信网络和信息处理中心（用户）等部件组成。在监控区域内分布大量节点，节点收集到的数据沿相邻节点逐跳传输，通过自组织方式形成网络，经多跳路由后到汇聚节点，最后经Internet网络到达管理节点，用户通过管理节点对无线传感器网络进行管理和收集数据。图1（二）、节点的组成无线传感器节点是传感网的基本组成单元，一般来说由传感器部分、处理器部分，无线通信部分组成。此外还可根据功能需要在其中加入其他功能部分，例如定位系统、移动系统等等，如图2所示。传感器节点监控区域汇聚节点无线传输信道Interent用户传感器部分处理器部分无线通信部分传感器AC/DCC处理器存储器网络MAC收发器能量供应部分3图2（三）、协议栈模型无线传感器网络的通信协议包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，如图3所示，与因特网协议栈的五项协议相对应。此外，协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务执行和资源共享。图3注：物理层：物理层负责信号的调制、发送与接收、频段的选择以及数据的加密等。数据链路层：数据链路层用于解决信道的多路传输问题。网络层：网络层负责对传输层提供的数据进行路由。传输层：传输层是用于维护无线传感器网络中的数据流，保证通信服务质量的重要部分。应用层：应用层根据应用的具体要求不同，可以添加不同的应用程序，包括一系列基于检测任务的应用软件。四、在医疗事业中的应用无线传感器体积小便于携带，对于数据的传送不需要建立在线缆连接的基础上，如果在监测对象上安装专用的传感器，利用传感器网络，监测者就可以随时了解被监测者的各种情况，可以长时间连续性的收集数据和远程控制。还需要说明的是，在设备的选区方面来说，其辐射的电磁波不能够干扰的其他设备的正常工作，更不可以影响病人的身体健康，同时也要具有一定的抗干扰能力，不受其他设备辐射出的电磁波干扰。（一）、对监护病人生理数据的实时测量传统的建立在线缆连接基础上的传统监护系统往往体积大、功耗大、不便于携带，限制了病人和医护人员的行动，增加了他们的负担和风险，已经越来越不能满足现如今实时、连续、长时间的检测病人重要生命特征参数的医疗监护需求。于此同时这种传统的医疗监护方法容易增加病人心理压力和紧张情绪，进而影响病人身体状况，使诊断数据与病人真实的生理状况产生一定差距，影响对病情的应用层传输层网络层数据链路层物理层能量管理平台移动管理平台任务管理平台4正确诊断。医疗传感器节点收集到的病人的生理数据，通过无线网络传输到监控中心服务器，储存较长一段时间，以便作为病人及时诊断和探查的依据，这一点对于老年患者和慢性病人显得尤为重要。由于传感器节点体积小方便携带，病人能够在自由活动状态下测量某些常规指标，既可以使医生较早判断预期的症状，也能够使病人获得较大的活动空间。(二)、对患者的远程健康监测无线传感器网络在医疗事业的另一个典型应用，针对慢性病人不适合长期住院但又需要定期定时的进行相应的生理指标的检测的情况，应用无线传感器网络就显得方便得多。或者家中（也可以包括一定区域的户外）部署传感器网络，对患者活动区域实现覆盖。或者根据病情和健康状况等佩戴可以进行相应生理指标检测的无线传感器节点，这些传感器节点可以对患者的重要生理指标进行实时监测，如血压、脉搏、心率、血氧浓度等。传感器节点获得的数据可以在本地进行简单处理，然后通过基站再经由互联网或其他通信网络传送到提供相应服务的医院，医院的远程健康检测服务器和监测系统会对每位被监测者的生理指标进行实时分析，通过诊断专家系统判断患者的健康状况。如果发现异常则进行报警并且快速做出救护措施。（三）、对药品与医疗器械的管理通过在药库和医院内部部署传感器网络并在贵重药物或危险药物以及医疗器械上附带射频标签可以对药物的实时库存、出入库管理、贵重药品与医疗器械的定位与跟踪。为贵重药品和危险药品的安全管理与实时控制以及医疗器械有效使用率的提升提供了基础和保障。另外，还可以将传感器绑定在某些药物上，那么给病人用错药的几率就会下降很多，因为病人身上也将安装上传感器，这些传感器能够识别药物的敏感性和所必须的药物治疗。并且该系统还可以对危险药品实施追踪，比如药品批次、入库时间、存放货架位置、数量、出库时间去向、使用药品的医生和患者等，大大提高了药品使用的安全性。（四）、对病房环境的监测和管理病房的采光、温度、湿度等系数对患者的治疗和康复都有着很大的关系，尤其是对于婴幼儿和老年患者，病房环境的急剧变化很可能加速病情的恶化。所以，对病房环境的实时监测和控制就显得尤为重要。通过在病房部署可以感知温度、湿度等的传感器，实时采集数据并将其传送给控制端，控制端实时监测，在环境急剧变化时采取反馈措施，驱动其他设施实现控制。五、小结伴随着科技的进步，无线传感器网络已逐步被实际应用于医疗事业中，本文中列举的4中应用也逐步被实现。无线传感器网络在医疗领域中的潜在应用还有很多，未来的发展方向是在家中、医院实现全面传感网络覆盖，实现无处不在感知，使得每个人时刻处于健康监测网络的呵护中，使得全人类的健康水平大幅的提升。六、参考文献[1]董大鹏、唐晓英、刘伟峰、孟旭、姬少晨，无线传感器网络在医疗监护中的应用，电子技术应用，2008.10（29）5[2]严壮志、张静、施俊，无线医疗监护技术综述，中国医学器械杂志，2006.30（5）[3]任丰原、黄海宁、林闯，无线传感器网络，软件学报，2003.14(7)[4]陈语中，王桂榕、唐剑，无线传感器网络在医疗领域的应用，中国数字医学，2007.第3卷第5期（42）[5]冯碧春，无线传感器网络在医疗行业的应用展望，中国医院管理，2006.10（73）[6]颜振亚、郑宝玉，无线传感器网络，计算机工程与应用，2005.41（15）[7]徐金星，无线传感器网络研究与设计，浙江大学硕士毕业论文，2005[8]邵鹏，无线传感器网络的研究与以数据为重心的应用系统的实现，复旦大学硕士学位论文，2003[9]库勇，嵌入式处理技术在无线远程监控系统中的研究，北京邮电大学术士学位论文，2004[10]杨庚、陈伟、曹晓梅，无线传感器网络安全，科学出版社[11]许力，无线传感器网络的安全和优化，电子工业出版社