無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

【作 者】李逸明，李斌，錢明理，王龍辰

1 上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處，上海市，200233

2 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬新華醫(yī)院，上海市，200092

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks,WSN）作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)于一體，能夠通過各類集成化的傳感器協(xié)作地實(shí)時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會三元世界的連通[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要事先架設(shè)通信基礎(chǔ)設(shè)施，具有組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)、體積小、功耗低等特點(diǎn)，在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用[2]。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)、傷殘救助、藥物攝入監(jiān)測、醫(yī)療資產(chǎn)管理等都離不開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)(sensor node)、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）、互聯(lián)網(wǎng)和任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)等組成，如圖1所示。多個傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳的進(jìn)行傳輸，在傳輸過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過互聯(lián)網(wǎng)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過管理節(jié)點(diǎn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)[3]。

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需能量。

匯聚節(jié)點(diǎn)的處理能力、存儲能力和通信能力相對比較強(qiáng)，它連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。匯聚節(jié)點(diǎn)既可以是一個具有增強(qiáng)功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，有足夠的能量供給和更多的內(nèi)存與計(jì)算資源，也可以是沒有監(jiān)測功能僅帶有無線通信接口的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

圖1 典型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)和節(jié)點(diǎn)構(gòu)成Fig.1 Typical WSN structure and sensor node architecture

任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)由各種面向應(yīng)用的軟件系統(tǒng)構(gòu)成，用戶通過與應(yīng)用程序的對話，控制和監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)完成所需任務(wù)。

2 醫(yī)療領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

醫(yī)療領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括三個層次，分別是感知層、中間層和應(yīng)用層[4]。第一層是感知層，它由佩戴在人體身上的傳感器節(jié)點(diǎn)、植入人體的傳感器節(jié)點(diǎn)、甚至是安裝在醫(yī)療用具（例如醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)用耗材、藥品等）上的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。第二層即中間層，是具有完全功能設(shè)計(jì)的移動個人服務(wù)器或頭節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步還包括匯聚節(jié)點(diǎn)或基站。它負(fù)責(zé)和外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并臨時存儲從第一層收集上來的數(shù)據(jù)。它以低能耗的方式管理各個傳感器節(jié)點(diǎn)或設(shè)備，接收和分析感知數(shù)據(jù)以及執(zhí)行規(guī)定的用戶程序?；究梢允琴Y源相對豐富的移動電話，能夠上網(wǎng)的PDA或其他手持設(shè)備。佩戴在被測物體的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個數(shù)不多時，圖2所示架構(gòu)中頭節(jié)點(diǎn)部分與匯聚節(jié)點(diǎn)/基站部分是合二為一的，只有在第一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多的情況下會存在多個頭節(jié)點(diǎn)，此時就需要一個匯聚節(jié)點(diǎn)或基站來負(fù)責(zé)收集由這些頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，并作為路由器與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。第三層即應(yīng)用層，是包括提供各種應(yīng)用服務(wù)的遠(yuǎn)程服務(wù)器的外部網(wǎng)絡(luò)，通常由專門的服務(wù)器記錄著從基站發(fā)送的數(shù)據(jù)，醫(yī)務(wù)人員通過與Internet連接的計(jì)算機(jī)查看服務(wù)器中病人電子醫(yī)療記錄。應(yīng)用層向用戶提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)記錄、趨勢分析、病人生命體征報警等。

圖2 醫(yī)療領(lǐng)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of WSN application in healthcare

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 醫(yī)療監(jiān)護(hù)

目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護(hù)方法，大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀，連接設(shè)備將傳感器探頭連接在病人與監(jiān)護(hù)設(shè)備之間進(jìn)行信號的傳遞。復(fù)雜的設(shè)備，眾多的連線，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(shí)情況有一定差距，給病人和醫(yī)護(hù)人員都帶來不便，可能會影響對病情的正確診斷。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用使得這一矛盾得以解決。它利用高頻率的無線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護(hù)控制儀器之間的信息，減少監(jiān)護(hù)設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線，使得被監(jiān)護(hù)人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準(zhǔn)確的測量指標(biāo)的同時，免除病人在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時，在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，很多項(xiàng)測試可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強(qiáng)醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和工作效率。可以說，醫(yī)療監(jiān)護(hù)是WSN在醫(yī)療領(lǐng)域最廣泛的應(yīng)用[5-6]。

WSN在醫(yī)療監(jiān)護(hù)的典型應(yīng)用是[7]：由監(jiān)護(hù)基站設(shè)備和無線專用傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個微型監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)。不同的傳感器節(jié)點(diǎn)被用來測量人體生理指標(biāo)，比如心電、心率、心音、血氧、血壓等。所獲得的數(shù)據(jù)通過無線通信的方式被傳輸?shù)结t(yī)療監(jiān)護(hù)基站上（相當(dāng)于匯聚節(jié)點(diǎn)），醫(yī)療監(jiān)護(hù)基站通常是PDA、微控制器電路板或者手機(jī)等。由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，通過Internet網(wǎng)絡(luò)可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)觀察，提供必要的咨詢服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。

3.2 運(yùn)動狀態(tài)探測

這類應(yīng)用主要是監(jiān)測老年人或者病人在家中的運(yùn)動狀態(tài)，對異常運(yùn)動狀態(tài)（比如摔倒所導(dǎo)致的意外傷亡事件）進(jìn)行預(yù)警。此外，這類應(yīng)用除了能夠?qū)θ梭w墜落監(jiān)測，還能夠?qū)θ梭w運(yùn)動過程中姿勢進(jìn)行監(jiān)測，并且能夠根據(jù)情況給病人長期的指導(dǎo)性訓(xùn)練，這對幫助病人的康復(fù)理療具有重要意義。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在這個領(lǐng)域的典型應(yīng)用[8-9]主要是在病人身上佩戴裝有三坐標(biāo)加速度計(jì)（3-axes accelerometer）的傳感器，它能夠探測到病人的運(yùn)動狀態(tài)，比如走路、跑步、休息或者是發(fā)生危險例如意外摔倒。基站是一個Mote[3]，Mote相當(dāng)于無線傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)，可以收集信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)播到個人電腦以便做后續(xù)數(shù)據(jù)處理。在個人電腦上，病人的運(yùn)動狀態(tài)被實(shí)時的顯示出來，一旦發(fā)生危險，監(jiān)護(hù)人就能快速采取行動，及時救助摔倒的病人。還有研究者通過探測人體姿勢推算出人體運(yùn)動狀態(tài)[10-11]，例如HipGuard[10]項(xiàng)目監(jiān)測病人在髖關(guān)節(jié)手術(shù)后8～12周的恢復(fù)情況，設(shè)計(jì)了一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：傳感器節(jié)點(diǎn)被集成在一條褲子上，供病人穿戴。節(jié)點(diǎn)位置分別是：腰部、大腿部、小腿骨部和腳部。中控單元采集和處理傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)動過手術(shù)的髖關(guān)節(jié)部位位置移動或者做過手術(shù)的大腿負(fù)荷超過醫(yī)生限制范圍時候，那條集成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的褲子就會通過聲音或者震動報警，提醒病人注意身體姿勢。

3.3 感官喪失輔助

幫助感官喪失或者有缺陷的病人恢復(fù)知覺或者指導(dǎo)他們行為活動是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域中的另一大應(yīng)用熱點(diǎn)。這類應(yīng)用主要工作原理是將植入的傳感器節(jié)點(diǎn)檢測到的信息轉(zhuǎn)化、反饋給人體，以彌補(bǔ)病人某些器官功能的缺陷。

最典型的應(yīng)用是近年來國內(nèi)外熱門研究項(xiàng)目：視覺假體。該類項(xiàng)目開發(fā)了一種人工視網(wǎng)膜以幫助盲人恢復(fù)部分視覺功能[12]。其方法是將包含微型傳感器的傳感器陣列芯片植入患者眼中成為視覺假體。體外的圖像捕捉器捕獲視覺信息并壓縮編碼之后，通過無線射頻發(fā)送到視覺假體使其產(chǎn)生刺激電流脈沖，并通過微電極刺激視覺神經(jīng)細(xì)胞，使人產(chǎn)生視幻覺。另外，研究者Wu等[13]為了幫助行動不便的老年人走路就將傳感器嵌入到拐杖、步行器、輪椅等傳統(tǒng)輔助工具中，使之變成“智能拐杖”，它能夠感知病人運(yùn)動情況，比如：走、跑、停等動作，以及周圍環(huán)境，比如路邊平坦，路面顛簸等。根據(jù)上述探測到的信息，給予病人治療訓(xùn)練和康復(fù)性方案。

3.4 藥物攝入監(jiān)測

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的藥物攝入監(jiān)測系統(tǒng)是為了幫助患者正確控制服藥量，減少忘記服藥、藥量過重或誤食等狀況發(fā)生，還可以降低醫(yī)務(wù)人員藥物錯配幾率。典型的應(yīng)用是Moh等[14]設(shè)計(jì)的藥物攝入監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由藥物監(jiān)測子系統(tǒng)、病人監(jiān)測子系統(tǒng)和基站子系統(tǒng)組成。在藥物監(jiān)測子系統(tǒng)中，藥瓶上粘貼高頻RFID標(biāo)簽以識別藥物種類，藥物攝取量由嵌入藥瓶的重量傳感器計(jì)算獲得。在另一端，病人身上佩戴超高頻RFID標(biāo)簽，能與藥瓶上的標(biāo)簽通訊，形成病人監(jiān)測子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)能夠提醒病人服用正確的藥物。最后，基站子系統(tǒng)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸至個人電腦，在個人電腦上用戶可以觀測藥物服用量和服用時間等信息。與此類似的研究還有iCabliNET項(xiàng)目[15]和iPackage項(xiàng)目[16]。

3.5 醫(yī)療資產(chǎn)管理

現(xiàn)今，綜合性醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備資產(chǎn)種類繁多，管理復(fù)雜。要做到合理、充分利用醫(yī)療設(shè)備，以及在全院范圍內(nèi)調(diào)配急救移動醫(yī)療設(shè)備，就必須對醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行身份識別、實(shí)時定位、檔案管理。

基于這種需求，Kim等[17]研發(fā)了一套基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療資產(chǎn)追蹤系統(tǒng)，它由移動節(jié)點(diǎn)、固定節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器組成。將可移動的傳感器節(jié)點(diǎn)連接在被檢測的醫(yī)療設(shè)備上，通過串口提取設(shè)備身份信息；固定節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)探測移動節(jié)點(diǎn)的位置并且在必要的時候?qū)ζ浔O(jiān)聽和通訊，移動節(jié)點(diǎn)的位置是根據(jù)固定節(jié)點(diǎn)三角測量法確定；網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將各個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送給應(yīng)用層的服務(wù)器，應(yīng)用層服務(wù)器作為數(shù)據(jù)庫儲存和處理數(shù)據(jù)并向用戶提供應(yīng)用程序接口，管理人員可以通過以太網(wǎng)聯(lián)接到服務(wù)器監(jiān)控醫(yī)療資產(chǎn)。從文獻(xiàn)檢索情況看，近年來，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對醫(yī)療資產(chǎn)管理的應(yīng)用比較少，類似的應(yīng)用還有文獻(xiàn)18、19。相比于將WSN技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療資產(chǎn)管理，RFID技術(shù)在資產(chǎn)管理領(lǐng)域應(yīng)用更為普遍[20-21]。

RFID具有WSN所缺乏的物品標(biāo)志能力，但RFID不能對物品狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。如何使得RFID標(biāo)簽或者閱讀器也具有多跳通信的能力以擴(kuò)展RFID的工作范圍；如何使得WSN網(wǎng)絡(luò)具有RFID的標(biāo)志能力，并將WSN對物體狀態(tài)與環(huán)境信息的監(jiān)測能力賦予RFID系統(tǒng)，是RFID與WSN技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)下的協(xié)作方式的研究重點(diǎn)。

4 討論與展望

從應(yīng)用領(lǐng)域角度看，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、病人行為監(jiān)測、運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測、情景感知和感官喪失輔助等方向。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)療領(lǐng)域主要是針對“人”的，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知、定位、數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)裙δ?，幫助人類安全、健康、舒適地生活。另一方面，針對醫(yī)療領(lǐng)域“物”的監(jiān)控，即對醫(yī)療設(shè)備的監(jiān)控，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用很少，如何利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)靈活、傳輸范圍廣、體積小、功耗低等特點(diǎn)，將物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)融入到醫(yī)療設(shè)備管理應(yīng)用中去，幫助設(shè)備管理人員科學(xué)、有效的管理好醫(yī)院巨額的醫(yī)療設(shè)備，提高醫(yī)療設(shè)備使用率，降低醫(yī)療設(shè)備故障率，保障醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量，提高醫(yī)療水平也將是一個值得探索的研究方向。

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