远程医疗监护系统设计

基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计摘要：本文介绍了一种基于无线传感网络技术的嵌入式远程医疗监护系统。首先，以各种无线通信生理指标传感器为核心，设计了一种可扩展的基于无线传感器网络的监护系统体系结构模型。介绍了在该系统结构中采用的无线生理指标传感器节点以及监护基站设备的设计要点。对无线传感网络的常用组网技术进行了探讨，并Zigbee协议作为节点和基站设备所使用的近距离通信标准，建立了系统网络拓扑结构模型。进一步讨论了联入Internet网络或者通过modem接入Internet网络的可行性。该系统可以应用于家庭以及医院病房，构成远程的家庭、社区以及医院的医疗监护系统。关键词：无线传感网络 ，远程医疗监护，Zigbee1 绪论无线传感器网络是由大量的传感器节点采用无线自组织方式构成的网络，其应用前景广阔。Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术如蓝牙技术、射频技术等,Zigbee技术将是最低功耗和成本的技术。医疗监护仪器目前可以分为两类，一类是指在医院内由职业医生或专业技术人员使用的专门仪器，对病人进行生理指标的监护;另一类是在普通人员的家庭内或者户外，在医生的指导下，由病人本人或者家属使用远程医疗监护系统对病人进行监护，所得到的生理指标将及时传送给相关医生。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。随着社会老龄化的加剧，解决长期慢性病的监护成为重要的社会问题。一些突发性疾病和家庭保健，如心血管疾病、老人的日常护理、孕妇、胎儿、婴儿、幼儿的保健也需要长期的家庭监护。由于我国医疗资源紧缺，研究基于公用网络的家庭医疗监护，建立小区医疗网络，利用远程医疗监护系统可以提高医疗服务水平，减轻病人负担。以往的解决方案是采用有线方式或简单的无线数据发射接收方式。被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入，系统没有扩展性，成本高。Zigbee 技术的出现为传感器信号的无线传输提供了新的解决方案。Zigbee节点有几十米的覆盖范围，且可以增加路由节点，扩展覆盖范围，因此适用于家庭住宅。同时由于生理监护信号的数据传输流量不大，传输速率为250kbps的Zigbee能够满足生理数据传输要求。Zigbee传感节点可自由灵活地加入和离开网络，相对具有低功耗和低成本的特点。Zigbee无线传感器网络的上述特点使其在个人生理信号监测和远程家庭监护方面将有很好的应用前景。本文在分析Zigbee无线传感器网络技术的基础上，对其在移动监护的应用进行了研究。 1.1分布式远程医疗监护系统简介远程医疗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，因此远程医疗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。简化远程监护系统结构如下：远端监控设备监护中心 通信网络 图1.1远程监护系统结构图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。 远程监护的支撑技术包括:传感器技术、医学遥测技术、电子技术、通信技术、计算机技术及信息学等多个方面。1.2远程监护的研究意义 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: 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。 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。 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。 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。 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。2 医疗监测原理与系统设计思想本系统由监护基站设备和Zigbee传感器节点构成一个微型监护网络，传感器节点上使用中央控制器对所需要监测的生命指标传感器进行控制来采集数据，通过Zigbee无线通信方式将数据发送至监护基站设备，并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。在救护车中的急救人员还可通过GPRS实现将急救病人情况的实时传送，以利于医院抢救室及时地做好准备工作。该远程医疗监护系统的体系结构如图2-1所示。医疗传感器节点可以根据不同的需要而设置，因此该系统具有极大的灵活性和扩展性。同时，将该系统接入Internet网络，可以形成更大的社区医疗监护网络、医院网络乃至整个城市和全国的医疗监护网络。 图2-1 远程监护系统体系结构 系统中包括WPAN (Wireless Personal Area Network) Zigbee网络以及一系列医疗监护网络的医疗传感器节点。本系统还具有良好的扩展性。例如:医护人员在急救途中或是在其他医院可以分别利用WLAN/UMTS网关和互联网与系统进行信息交互。 3监护系统硬件设计3.1传感器节点设计关键技术医疗无线传感器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。医疗传感器节点框图和处理器单元如图3-1所示。医疗传感器模块CPUZigBee通信模块电源电源图3-1 医疗传感器节点框图医疗传感器节点主要包括4 部分：生理信息与数据采集单元、无线数据通信单元、处理器单元、电源。处理单元主要分为五个部分：CPU、存储器、AD 转换、测试带和数码显示屏。根据低功耗和处理能力的需要，可以采用TI 公司的MSP430 系列单片机；存储器部分主要用于存储传感器所采集的临时数据，在处理器将数据传输之后，传感器节点内不做数据的大量存储；用ADC12 和DAC12 对测试带传过的模拟信号进行转换。工作原理：首先由控制单元发出开始监测某项生理参数的指令，然后通过无线数据通信单元把指令发给生理信息与数据采集单元对人体生理信号（体温、血压、脉搏、血氧等，本文主要是体温信号）进行采集后通过无线数据通信单元将数据传给控制和显示单元中的信息处理模块控制和显示单元，一方面对接收到的数据进行处理和显示，另一方面将结果数据存人数据库供检索和回放。节点的核心是无线数据通信单元和生理信息与数据采集单元。以下简要介绍这两个单元：3.1.1无线数据通信单元在医院应用的医疗监护设备对电磁辐射的要求都很高，对于设备来讲，辐射的电磁波既不能够干扰其他设备正常工作，同时也应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。因此，在医院或者使用无限通信的家庭医疗设备在设计中必须对此方面进行考虑。在本系统中，所使用的射频通信采用的通信标准为802.15.4/Zigbee标准，该标准专门针对近距离高速数据传输，具有较高的数据纠错和抗干扰能力。并且，系统对无线信号的工作强度进行了控制，使得在正常状态下，信号强度能够满足通信的需要而且不会有过多的浪费，一方面节省了系统的能量，另一方面也降低了无线通信过程对于其他设备的干扰。本系统所设计的射频通信装置可以使用以CC2420芯片为核心的射频通信模块。该芯片是美国Chipcon公司生产的，是一款低功耗无线收发芯片，尤其适合工作于低功耗、低电压的无线通信设备中。该芯片工作在2.4GHz的免费ISM频段，射频收发符合IEEE802.15.4/Zigbee标准，能够满足本系统射频通信的需要。无线传感器节点的结构框图如图3-2所示。传感器 模数转换无线发射/接受模块电源处理器存储器图3-2 Zigbee无线传感节点结构框图3.1.2生理信息与数据采集单元在本文所设计的系统中，医疗传感器模块主要实现了测量体温、血压、血氧、心电等数据，如需要测量其他的生理信息的特征，只需要将相应的传感器接入预留的接口，就可以形成无线传感器节点，开发相应的嵌入式控制及处理软件，就可以将节点直接加入到该无线传感器网络中。3.2无线网关 无线模块 嵌入式系统脉搏传感无线节点血气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 网关负责无线传感器网络的控制和管理，实现信息的融合处理，并将信息传输到互联网。网关的数据传输和运算量较大，可以采用外部电力作为电源供应，因市面上有很多成熟的网关成品，因此本设计可以选用具有较强的信息处理能力和网络功能的ARM9系列作为控制器的网关。 图3.3 无线网关硬件结构图3.3监护基站设备设计图3.4所示是本文设计的医疗监护基站设备的结构框图。本系统主要实现的功能是采集并显示测试得到的数据信息，同时将数据信息进行适当存储和网络转发，因此本系统中的监护基站设备被设计成一种手持设备，同时监护基站设备可以和系统中的多个传感器节点进行通信以完成数据的采集和显示等功能。在使用过程中，监护基站设备通过无线信道向传感器节点发送控制命令来启动传感器节点，传感器节点接收到命令后进行相应的数据采集动作，采集人体生理指标数据，采集结束后通过无线通信的方式将数据返回到监护基站，由监护基站进行进一步的显示、存储等操作。必要时，监护基站设备可以通过网络将数据传输到远程服务器端。医疗监护基站设备主要包括:处理器、存储器、人机交互模块、通信模块接口等几个部分。医疗监护设备的主处理器可以采用TI公司的MSP430系列的低功耗处理器，该系列处理器具有超低功耗、处理速度高、接口丰富等特点，非常适合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式设备。人机交互接口包括用户输入指令的键盘以及显示数据结果和操作过程的LCD显示屏两个部分。操作键盘显示屏人机接口存储器处理器电源Modem射频模块RS-232通信接口GSM短消息图3.4 监护基站设备结构框图 3.4无线传感器网络通信协议本设计采用ZigBee实现下图3.5，3.6两种网络，对ZigBee编程时设计需要注意接收、发送、休眠模式之间需要一定的稳定时间;在发射增益、帧听周期、休眠切换、数据速率之间获取能量、距离、速度最优。通过串口2，进行数据收发。N1N2N3N4NC 图3.5星型网络N1N4N2N3 图3.6网状网络 为了实现提及的两种结构，需要专门定制通信协议;同时由于无线部分硬件上是不具备自动唤醒功能的，为了达到节能目的，必须通过软件方式采用合理的通信协议以保证节能同时不丢失数据。协议的第一件事就是能够识别噪声和有效数据，通过测试和实验发现，0xFF后跟0xAA, 0x55在噪声中不容易发生，通信协议应该在数据包之前加开始字节，于是将通信数据包格式定如下表3-1: 表3-1无线传感器数据包格式Header1Header2Header3LengthModeHostlDLocallDDestlDDatanCheckSum0xFF0xAA0x551byte1byte1byte1byte1byten byte1byte Length为数据包的长度;Mode是传输模式的确定:数据、命令、应答、星形传输或点到点转发;HostID为主机地址;LocalID为本机地址;DesID为目标地址;Data n:为传输的数据或指令(n20);Checksum为数据校验和防止数据出错。该数据包可以作出修改以适应不同的应用。3.3.1星型网络拓扑的实现在星型网络中NC负责维护网络，N1N4所有数据必须通过NC节点进行通信，所有节点必须在NC的覆盖范围内部，对NC节点的要求比较高。在NC向N1N4通信时只须要知道HostID和DesID地址即可，在N1N4向NC同时发数据时，会出现同频干扰现象，系统采用时分TDMA( Time Division Multiple Access )技术，把NC与任意N节点的通信采用时分的方式分开，NC通过扫描的方式与各台节点进行单个通信，这样系统中NC与子节点的通信方式就成为点对点地通信方式。这种网络方式实现比较简单，也是目前比较常用的拓扑结构，其主程序流程图见图3.7开始发送握手协议 回答？ 有数据？发送应答数据结束 图3.7 主程序流程图 3.3.2 自组织网状网络通信协议目前关于无线传感器网络的通信协议研究比较多，也已经取得一定的成果，但很多通信协议在资源受限的无线传感器网络节点中很难实现，只局限于NS2/OPNET等仿真平台的实现。这里针对网状网络提出了一套用于实现节点自组织和数据多点跳传的通信协议。网状网络是真正意义上的无线传感器网络的通信协议之一，虽然有一定的缺点，但比较适合本平台应用的拓扑结构。当在点到点转发模式下，见图3.8。 开始Zigbee设为侦听单片机低功耗模式发现信号唤醒系统等待接收存入缓冲区校验正确是否更新路由校验目的地址匹配是否发送请求检验最终地址 匹配处理数据重发配置zigbee发送数据配置zigbee重发送数据数据重新打包查找路由表是否中转16次丢弃数据包路由广播是否路由广播延时应答更新路由表NY NN YY NN N YY 图3.8 整体程序框图数据包还是采用上表的定义，在模式中高3位表示级别，低5位是模式位，Data n高4位为中转次数，低4位为有效数据长度。数据校验采用数据和校验方式。数据包中转数据次数有限，最多为16次，当超过这个次数而且没有达到最终地址时，该数据包会被自动丢弃。在节点自组织前，它们的路由表都是空白的，自组织过程中，只能用广播的方式联系其他节点。广播的数据包格式如下:0xFF0xAA0X550xFFDestlDHostlD0x00 由于目的和最终地址未知，所以用FFH表示更新路由命令，HostID表示本次广播的地址。OOH表示数据包无中转，无有效数据。收到该广播的节点可以根据广播者的地址更新自己的路由表。应答广播时的应答数据包格式如下：0xFF0xAA0x550xFFHostlD0x00 其中DestID表示应答对象的地址，FF表示更新路由命令，HostID表示应答者的地址。收到应答的节点可以根据应答者的地址更新自己的路由表。节点的自组织式，现打开各个传感器节点的电源，使它们均处于帧听状态。然后，将这些节点随机地分布在待监测区域，但必须保证至少有一个节点处在基站节点的信息范围内，随机分布如图3.9所示，大圆表示对节点的通讯范围，N4为基站，N1就处于基站节点的信号范围内。N3N2N1N4N4N3N2N1 图3.9传感器节点和基站节点随机分布图节点布置以后，由基站N4发起自组织开始命令，基站节点广播(默认基站节点级别为0)， N1收到该广播后作出应答，并定义自己的级别为1，基站节点根据收到的应答更新其路由表。N1节点收到基站节点的应答信号后，开始广播，N2, N3收到广播信号并应答，并将自己定义为2级节点，这样每个传感器节点会得到一张路由表。这张表把能与自己直接通讯的节点按类别保存。如表3-2 表3-2 基站节点的路由表节点地址编号地址级别上级节点同级节点下级节点N440-N1N111N4-N2,N3N222N1N3-B332N1-在自组织过程中，某些节点可能会收到来自不同级别的其它节点的广播，根据上面的规则回定义自己为几个不同的级别，程序取其最小的作为自己的级别。为了避免多个应答信号造成链路堵塞，节点发出应答信号前要有一段延时。延时应答的时间是根据广播者编号和本机编号的乘积决定的。通过路由表实现网状网络。4 系统设计方案4.1 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4.1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 (Access Point )。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。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接受连接将会进行主从切换，保证AP作为传感器网络的主单元可以继续被其他Zigbee移动监护设备发现和建链。之后Zigbee移动监护设备和AP之间进行SDP , L2CAP, RFCOMM连接。AP向服务器报告有Zigbee移动监护设备进入该区域，此后AP将透明地转发AP和Zigbee移动监护设备之间的双向数据。主机可以通过AP和Zigbee移动监护设备的串口替代功能完成控制、数据采集的功能。当患者离开此AP的覆盖范围后，链路中断，AP向服务器报告Zigbee移动监护设备离开该区域，同时患者携带的Zigbee移动监护设备开始搜索新的 AP。医护人员根据Zigbee移动监护设备与哪一个AP相连可以获知患者在整个病区内的活动情况。 图4.1医院无线监护系统结构4.2 家庭监护网络体系方案远程家庭监护网络体系结构如图4.2所示。Zigbee无线系统主要由Zigbee无线传感器节点(脉搏传感器节点)、若干个具有路由功能的无线节点和Zigbee中心网络协调器(监护基站设备)组成。监护基站设备连接Zigbee无线网络与以太网，是家庭无线网络的核心部分，负责无线传感器网络节点和设备节点的管理。脉搏生理数据经过家庭网关传输到远程监护服务器。远程监护服务器负责脉搏生理数据的实时采集、显示和保存。其他的监护信息如体温、血压、血氧等也可以传输到服务器。医院监护中心和医生可以登录监护服务器查看被监护者的生理信息，也可以远程控制家庭Zigbee无线网络中的传感器和设备，从而在被监护病人出现异常时，能及时检测到并采取抢救措施。被监护者的亲属等也可以登录监护服务器随时了解被监护者的健康状况。APInternetZigbee芯片传感器