基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程醫(yī)療

1、LOGO論文題目：論文題目：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程醫(yī)療基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程醫(yī)療 監(jiān)護系統(tǒng)研究監(jiān)護系統(tǒng)研究 提提 綱綱6 6、系統(tǒng)橋接協(xié)調(diào)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)；系統(tǒng)橋接協(xié)調(diào)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn)；5 5、4 4、系統(tǒng)、系統(tǒng)方案設(shè)計方案設(shè)計；2 2、1 1、摘要；、摘要；7 7、服務(wù)器端軟件設(shè)計；服務(wù)器端軟件設(shè)計；3 3、8 8、工作小結(jié)；、工作小結(jié)；生理數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計生理數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計；研究背景與意義；研究背景與意義；國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；摘要摘要 隨著計算機技術(shù)以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，遠程醫(yī)療技術(shù)也相應(yīng)有了極大提高，其中，遠程監(jiān)護作為遠程醫(yī)療的一個主要應(yīng)用方面，越來越受到廣大研究者

2、的重視。但遠程監(jiān)護同時也是一個相對薄弱的環(huán)節(jié)，國內(nèi)已有的研究成果多為有線通信，與實際應(yīng)用距離尚遠。同時生活水平的提升使得人們愈來愈關(guān)注自身健康狀況，應(yīng)用成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，發(fā)展面向個人的遠程監(jiān)護系統(tǒng)已成為迫切需要。 本文針對上述背景，主要研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠程醫(yī)療監(jiān)護中的應(yīng)用問題，并開發(fā)了基于ZigBee的醫(yī)院遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。課題主要完成了以下幾方面的工作：（1）設(shè)計并開發(fā)了基于ZigBee和TCP/IP的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)方案（2）開發(fā)了基于AVR單片機的生理數(shù)據(jù)采集終端（3）開發(fā)了基于ZigBee的生理參數(shù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)（4）開發(fā)了基于ATmega128的ZigBee-TCP/IP

3、集群化橋接協(xié)調(diào)節(jié)點（5）開發(fā)了基于虛擬儀器LabVIEW的網(wǎng)上醫(yī)院服務(wù)器端監(jiān)控軟件 實驗結(jié)果表明，這套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)能夠準確的運行工作，達到了預(yù)先設(shè)計研究的目的。研究背景與意義研究背景與意義 醫(yī)療監(jiān)護儀器目前可以分為兩類，一類是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標的監(jiān)護；另一類是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶外，在醫(yī)生的指導(dǎo)下，由病人本人或者家屬使用遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)對病人進行監(jiān)護，所得到的生理指標將及時傳送給相關(guān)醫(yī)生。 目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護方法，大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護儀，連接設(shè)備將傳感器探頭連接在病人與監(jiān)護設(shè)備之間進行信號的傳遞。復(fù)雜的設(shè)備、眾

4、多的連線，會造成病人心理上的壓力和緊張情緒，可能會影響病人身體狀況，使得診斷所得到的數(shù)據(jù)與真實情況有一定差距，給病人和醫(yī)護人員都帶來不便，可能會影響對病情的正確診斷。 為了使經(jīng)常需要測量生理指標的人員（比如慢性病人或者老年患者等）能夠在家中在隨意運動的狀態(tài)下測量某些常規(guī)指標，目前國際上對遠程醫(yī)療的關(guān)注越來越強。 本文設(shè)計出一種無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，利用 ZigBee 無線傳輸醫(yī)療傳感器之間的數(shù)據(jù)，并由現(xiàn)場的一個橋接協(xié)調(diào)節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)給遠程的醫(yī)生值班室，減少了監(jiān)護設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線，使得被監(jiān)護人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準確的測量指標的同時，免除病人在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。需

5、要長期監(jiān)護的病人或者不便行動的老年人可以將“病床”搬到家里，無須承受家庭和醫(yī)院之間的奔波。 本項目由上海市徐匯區(qū)大華醫(yī)院委托，對這種無線的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)進行應(yīng)用可行性的研究，最終將在大華醫(yī)院臨床試用。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 由于受通信技術(shù)、計算機技術(shù)等支撐技術(shù)的直接影響，全球地區(qū)的遠程醫(yī)療發(fā)展并不平衡，美國和歐洲這些發(fā)達地區(qū)的遠程醫(yī)療研究較為成熟，他們利用先進發(fā)達的衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)勢，加大技術(shù)與資金的投入，使得遠程醫(yī)療的研究較早的實現(xiàn)實踐應(yīng)用，在整個醫(yī)療系統(tǒng)中取得良好的效果，日本等國家也都先后實現(xiàn)了遠程醫(yī)療的應(yīng)用。 美國軍方研制了一種供戰(zhàn)時使用的人體狀態(tài)監(jiān)護儀（PSM, PersonnelS

6、tatus Monitor），這種微型儀器由士兵佩帶，用于監(jiān)護攜帶者的呼吸、體溫、心率及其它生理參數(shù)。 希臘有一種安裝于救護車中的監(jiān)護系統(tǒng)，通過 GSM 網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)院的監(jiān)護中心取得聯(lián)系，可隨時監(jiān)測患者的生理參數(shù)，以便及時獲得醫(yī)生指導(dǎo)，爭取搶救時間，這一系統(tǒng)已在希臘、瑞典、意大利、塞浦路斯投入使用。國外研究現(xiàn)狀 我國從上世紀80年代才開始遠程醫(yī)療的研究，1988年解放軍總醫(yī)院利用遠程醫(yī)療方式與德國醫(yī)院進行病例會診。1995年成立遠程醫(yī)療會診研究室，目前已經(jīng)有包括北京協(xié)和醫(yī)院在內(nèi)的數(shù)十家醫(yī)院加入，成功進行重癥遠程會診、學術(shù)交流及專題講座，促進了我國遠程醫(yī)療服務(wù)的快速發(fā)展，目前我國有包括清華大學、第三

7、軍醫(yī)大學、臺灣長庚大學等科研單位從事遠程醫(yī)療監(jiān)護研究。 清華大學曾開發(fā)了采用程控電話網(wǎng)的家庭心電/血壓遠程監(jiān)護系統(tǒng)。第四軍醫(yī)大研制出一套軍用的野地遠程監(jiān)護系統(tǒng)。上海大學正在研制的車載監(jiān)護系統(tǒng)。 目前，國內(nèi)的遠程醫(yī)療還遠遠沒有得到普及，利用無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程醫(yī)療的實例還很少。絕大多數(shù)醫(yī)院還是使用傳統(tǒng)的監(jiān)護設(shè)備，大多安置在床邊，不便于攜帶，限制了病人的自由移動，并且傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備的系統(tǒng)擴展性比較低，成本還比較高。 最近幾年，對于無線通訊技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中的研究，特別對監(jiān)護系統(tǒng)提出了便于移動的要求在傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)高速發(fā)展的時代，我們發(fā)現(xiàn)將來遠程醫(yī)療的發(fā)展方向是朝著無線、

8、移動和便攜式方向發(fā)展。國內(nèi)研究現(xiàn)狀系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)方案設(shè)計 系統(tǒng)分為三大模塊：生理數(shù)據(jù)采集終端、橋接協(xié)調(diào)節(jié)點以及遠程網(wǎng)上醫(yī)院服務(wù)器端。 生理數(shù)據(jù)采集終端實現(xiàn)對病人生理參數(shù)的采集和無線傳輸。 橋接協(xié)調(diào)節(jié)點負責對無線網(wǎng)絡(luò)的管理和對生理參數(shù)的轉(zhuǎn)發(fā)。 遠程網(wǎng)上醫(yī)院服務(wù)器端的監(jiān)控軟件則接收各病人的生理參數(shù)，做出相應(yīng)處理，供醫(yī)生查看以及做診斷等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)v 簡介：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的方式，相互傳遞信息，協(xié)同地完成特定功能的智能專業(yè)網(wǎng)絡(luò)。v 主要技術(shù)：它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、通信技術(shù)、微電子制造技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和軟件編程技術(shù)等。v 特點：節(jié)點數(shù)

9、量大、密度高；節(jié)點能量、計算能力和存儲容量有限；網(wǎng)絡(luò)具有自組織能力；傳感器節(jié)點具有數(shù)據(jù)融合能力。ZigBee及其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) ZigBee一詞來源于蜜蜂群發(fā)現(xiàn)花粉時通過跳zigzag形舞蹈傳遞信息通知同伴，借用蜜蜂這種“無線”傳遞信息的方式，人們用ZigBee稱呼一種低功耗、低成本、近距離的無線通信技術(shù)。ZigBee是以網(wǎng)絡(luò)底層IEEE802154國際標準為基礎(chǔ)的近距離通信技術(shù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)則是由可多達65000個節(jié)點模塊組成的無線網(wǎng)絡(luò)平臺，ZigBee多應(yīng)用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，特別是傳感控制應(yīng)用領(lǐng)域。 考慮到遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，為了網(wǎng)絡(luò)擴展和移動節(jié)點的接入網(wǎng)絡(luò)

10、的方便，應(yīng)結(jié)合三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，合理布置網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)流量較小，但是需要長時間實時監(jiān)護，因此在選擇無線通信方式上應(yīng)考慮以下幾點： l、低功耗. 2、低成本. 3、微型化. 4、網(wǎng)絡(luò)可擴展性.5、高安全性. 綜上，本文利用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的無線通信。生理數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計 生理數(shù)據(jù)采集終端，顧名思義，主要功能為采集人體生理指標數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至橋接協(xié)調(diào)節(jié)點。 如圖所示，生理數(shù)據(jù)采集終端按功能劃分，主要包括兩個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。 數(shù)據(jù)采集模塊包括各類型的生理傳感器和對應(yīng)的前端采集及信號處理電路。 數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心功

11、能由Chipcon公司的CC2420射頻芯片完成。該模塊將傳感器采集到的生理參數(shù)通過ZigBee無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送出去，由橋接協(xié)調(diào)節(jié)點接收后再作下步處理。 生理數(shù)據(jù)采集終端CPU根據(jù)低功耗和處理能力的需要，采用了Atmel公司的ATmega128L單片機。數(shù)據(jù)采集模塊 醫(yī)療監(jiān)護常測的人體生理參數(shù)主要包括：體溫、血氧飽和度、心電、脈搏、無創(chuàng)血壓、呼吸等。不同的生理信號采用不同的傳感器及不同的信號采集方式。 在本課題中，由于只是對整套遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的可行性做應(yīng)用型的研究，所以只選取了體溫信號和血氧飽和度信號來研究。傳感器采用深圳美的連（Med-Linket）公司生產(chǎn)的指夾式（finger-cli

12、p）血氧傳感器經(jīng)過對成本、傳感器尺寸等方面的綜合考慮，在本項目設(shè)計方案中，采用深圳Med-Linket公司的YSI-400系列的醫(yī)用溫度傳感器，這是一種熱敏電阻傳感器數(shù)據(jù)傳輸模塊 數(shù)據(jù)傳輸模塊負責與橋接協(xié)調(diào)節(jié)點進行無線通信，交換控制消息。 該模塊的核心無線射頻芯片采用Chipcon公司的推出的一款符合IEEE802.15.4規(guī)范2.4GHz射頻芯片CC2420。該器件基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以0.18微米的CMOS工藝制成，只需很少的外圍器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。該ZigBee模塊將CC2420芯片以及外圍期間和天線集成到一塊精致的小板上，由單片機控制。生理數(shù)據(jù)采集終端

13、軟件設(shè)計如圖所示為整個生理數(shù)據(jù)采集終端的軟件流程：集群監(jiān)護系統(tǒng)橋接協(xié)調(diào)節(jié)點的設(shè)計與實現(xiàn) 橋接協(xié)調(diào)節(jié)點不僅僅與各生理數(shù)據(jù)采集終端進行數(shù)據(jù)通信，還負責將被監(jiān)護人的生理指標信息轉(zhuǎn)發(fā)到遠程的醫(yī)生值班室監(jiān)控服務(wù)器，在整個系統(tǒng)中起類似于“網(wǎng)關(guān)”的作用。 橋接協(xié)調(diào)節(jié)點的模塊結(jié)構(gòu)如下所示，包括CPU、人機接口模塊、ZigBee 通信接口以及TCP/IP 模塊。橋接協(xié)調(diào)節(jié)點的軟件設(shè)計橋接協(xié)調(diào)節(jié)點的實物圖片網(wǎng)上醫(yī)院服務(wù)器端軟件設(shè)計 網(wǎng)上醫(yī)院服務(wù)器端監(jiān)控軟件設(shè)計由著名的虛擬儀器軟件LabVIEW來完成。如圖所示為遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)軟件界面。 分成四個主要分，左上為病人資料以及數(shù)據(jù)監(jiān)控記錄；右上為病床列表選擇；左下為病

14、人體溫實時監(jiān)控；右下則為病人血氧飽和度的實時監(jiān)控。系統(tǒng)實驗驗證 首先用數(shù)據(jù)采集終端傳感器節(jié)點采集人體的對應(yīng)生理參數(shù)，記錄監(jiān)控界面顯示值。然后用標準的體溫計和血氧飽和度計測得人體生理參數(shù)，如右圖所示。 最終測定，參數(shù)值基本與體溫計和血氧飽和度計所測值同步。工作小結(jié)工作小結(jié) 本文在綜合分析遠程監(jiān)護國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出并研究了一種新型的遠程無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，重點對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)應(yīng)用平臺進行了研究。本文為醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)研究和實施了新的思路和方法：將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進一步深入應(yīng)用到醫(yī)療監(jiān)護領(lǐng)域。 這套遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)還遠遠沒有到完善的程度。主要有兩個方面還需大大的改進： （1）生理數(shù)據(jù)采集終端的多樣化在本項目中，僅僅是對這套監(jiān)護系統(tǒng)進行了應(yīng)用的可行性的研究探索，因此，僅僅以比較常用的體溫傳感器和血氧傳感器為例，來搭建了整套系統(tǒng)。而事實上，僅僅這兩