基于无线传感器网络的远程医疗

1、LOGO论文题目：论文题目：基于无线传感器网络的远程医疗基于无线传感器网络的远程医疗 监护系统研究监护系统研究 提提 纲纲6 6、系统桥接协调节点的设计与实现；系统桥接协调节点的设计与实现；5 5、4 4、系统、系统方案设计方案设计；2 2、1 1、摘要；、摘要；7 7、服务器端软件设计；服务器端软件设计；3 3、8 8、工作小结；、工作小结；生理数据采集终端的设计生理数据采集终端的设计；研究背景与意义；研究背景与意义；国内外研究现状国内外研究现状；摘要摘要 随着计算机技术以及通信技术的快速发展，远程医疗技术也相应有了极大提高，其中，远程监护作为远程医疗的一个主要应用方面，越来越受到广大研究者

2、的重视。但远程监护同时也是一个相对薄弱的环节，国内已有的研究成果多为有线通信，与实际应用距离尚远。同时生活水平的提升使得人们愈来愈关注自身健康状况，应用成熟的无线传感器网络技术，发展面向个人的远程监护系统已成为迫切需要。 本文针对上述背景，主要研究了无线传感器网络在远程医疗监护中的应用问题，并开发了基于ZigBee的医院远程医疗监护系统。课题主要完成了以下几方面的工作：（1）设计并开发了基于ZigBee和TCP/IP的远程医疗监护系统方案（2）开发了基于AVR单片机的生理数据采集终端（3）开发了基于ZigBee的生理参数无线传输网络（4）开发了基于ATmega128的ZigBee-TCP/IP

3、集群化桥接协调节点（5）开发了基于虚拟仪器LabVIEW的网上医院服务器端监控软件 实验结果表明，这套基于无线传感器网络的远程医疗监护系统能够准确的运行工作，达到了预先设计研究的目的。研究背景与意义研究背景与意义 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

4、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。 为了使经常需要测量生理指标的人员（比如慢性病人或者老年患者等）能够在家中在随意运动的状态下测量某些常规指标，目前国际上对远程医疗的关注越来越强。 本文设计出一种无线医疗监护系统，利用 ZigBee 无线传输医疗传感器之间的数据，并由现场的一个桥接协调节点转发这些数据给远程的医生值班室，减少了监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，在获得较准确的测量指标的同时，免除病人在家庭与医院之间奔波的劳苦。需

5、要长期监护的病人或者不便行动的老年人可以将“病床”搬到家里，无须承受家庭和医院之间的奔波。 本项目由上海市徐汇区大华医院委托，对这种无线的远程医疗监护系统进行应用可行性的研究，最终将在大华医院临床试用。国内外研究现状国内外研究现状 由于受通信技术、计算机技术等支撑技术的直接影响，全球地区的远程医疗发展并不平衡，美国和欧洲这些发达地区的远程医疗研究较为成熟，他们利用先进发达的卫星系统优势，加大技术与资金的投入，使得远程医疗的研究较早的实现实践应用，在整个医疗系统中取得良好的效果，日本等国家也都先后实现了远程医疗的应用。 美国军方研制了一种供战时使用的人体状态监护仪（PSM, PersonnelS

6、tatus Monitor），这种微型仪器由士兵佩带，用于监护携带者的呼吸、体温、心率及其它生理参数。 希腊有一种安装于救护车中的监护系统，通过 GSM 网络与医院的监护中心取得联系，可随时监测患者的生理参数，以便及时获得医生指导，争取抢救时间，这一系统已在希腊、瑞典、意大利、塞浦路斯投入使用。国外研究现状 我国从上世纪80年代才开始远程医疗的研究，1988年解放军总医院利用远程医疗方式与德国医院进行病例会诊。1995年成立远程医疗会诊研究室，目前已经有包括北京协和医院在内的数十家医院加入，成功进行重症远程会诊、学术交流及专题讲座，促进了我国远程医疗服务的快速发展，目前我国有包括清华大学、第三

7、军医大学、台湾长庚大学等科研单位从事远程医疗监护研究。 清华大学曾开发了采用程控电话网的家庭心电/血压远程监护系统。第四军医大研制出一套军用的野地远程监护系统。上海大学正在研制的车载监护系统。 目前，国内的远程医疗还远远没有得到普及，利用无线网络实现远程医疗的实例还很少。绝大多数医院还是使用传统的监护设备，大多安置在床边，不便于携带，限制了病人的自由移动，并且传统医疗监护设备的系统扩展性比较低，成本还比较高。 最近几年，对于无线通讯技术在医疗监护系统中的研究，特别对监护系统提出了便于移动的要求在传感器技术、计算机技术、网络技术和通信技术高速发展的时代，我们发现将来远程医疗的发展方向是朝着无线、

8、移动和便携式方向发展。国内研究现状系统方案设计系统方案设计 系统分为三大模块：生理数据采集终端、桥接协调节点以及远程网上医院服务器端。 生理数据采集终端实现对病人生理参数的采集和无线传输。 桥接协调节点负责对无线网络的管理和对生理参数的转发。 远程网上医院服务器端的监控软件则接收各病人的生理参数，做出相应处理，供医生查看以及做诊断等。无线传感器网络v 简介：无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的方式，相互传递信息，协同地完成特定功能的智能专业网络。v 主要技术：它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、微电子制造技术、分布式信息处理技术和软件编程技术等。v 特点：节点数

9、量大、密度高；节点能量、计算能力和存储容量有限；网络具有自组织能力；传感器节点具有数据融合能力。ZigBee及其网络拓扑结构 ZigBee一词来源于蜜蜂群发现花粉时通过跳zigzag形舞蹈传递信息通知同伴，借用蜜蜂这种“无线”传递信息的方式，人们用ZigBee称呼一种低功耗、低成本、近距离的无线通信技术。ZigBee是以网络底层IEEE802154国际标准为基础的近距离通信技术，ZigBee网络则是由可多达65000个节点模块组成的无线网络平台，ZigBee多应用于自动控制和远程控制领域，特别是传感控制应用领域。 考虑到远程医疗监护系统是一个动态的网络应用环境，为了网络扩展和移动节点的接入网络

10、的方便，应结合三种网络拓扑结构的优点，合理布置网络结构。 医疗监护系统中，数据流量较小，但是需要长时间实时监护，因此在选择无线通信方式上应考虑以下几点： l、低功耗. 2、低成本. 3、微型化. 4、网络可扩展性.5、高安全性. 综上，本文利用ZigBee技术实现医疗监护系统的无线通信。生理数据采集终端的设计 生理数据采集终端，顾名思义，主要功能为采集人体生理指标数据，并通过无线网络通信的方式，将数据传输至桥接协调节点。 如图所示，生理数据采集终端按功能划分，主要包括两个模块：数据采集模块和数据传输模块。 数据采集模块包括各类型的生理传感器和对应的前端采集及信号处理电路。 数据传输模块的核心功

11、能由Chipcon公司的CC2420射频芯片完成。该模块将传感器采集到的生理参数通过ZigBee无线传输的方式发送出去，由桥接协调节点接收后再作下步处理。 生理数据采集终端CPU根据低功耗和处理能力的需要，采用了Atmel公司的ATmega128L单片机。数据采集模块 医疗监护常测的人体生理参数主要包括：体温、血氧饱和度、心电、脉搏、无创血压、呼吸等。不同的生理信号采用不同的传感器及不同的信号采集方式。 在本课题中，由于只是对整套远程医疗监护系统的可行性做应用型的研究，所以只选取了体温信号和血氧饱和度信号来研究。传感器采用深圳美的连（Med-Linket）公司生产的指夹式（finger-cli

12、p）血氧传感器经过对成本、传感器尺寸等方面的综合考虑，在本项目设计方案中，采用深圳Med-Linket公司的YSI-400系列的医用温度传感器，这是一种热敏电阻传感器数据传输模块 数据传输模块负责与桥接协调节点进行无线通信，交换控制消息。 该模块的核心无线射频芯片采用Chipcon公司的推出的一款符合IEEE802.15.4规范2.4GHz射频芯片CC2420。该器件基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18微米的CMOS工艺制成，只需很少的外围器件，性能稳定且功耗极低。该ZigBee模块将CC2420芯片以及外围期间和天线集成到一块精致的小板上，由单片机控制。生理数据采集终端

13、软件设计如图所示为整个生理数据采集终端的软件流程：集群监护系统桥接协调节点的设计与实现 桥接协调节点不仅仅与各生理数据采集终端进行数据通信，还负责将被监护人的生理指标信息转发到远程的医生值班室监控服务器，在整个系统中起类似于“网关”的作用。 桥接协调节点的模块结构如下所示，包括CPU、人机接口模块、ZigBee 通信接口以及TCP/IP 模块。桥接协调节点的软件设计桥接协调节点的实物图片网上医院服务器端软件设计 网上医院服务器端监控软件设计由著名的虚拟仪器软件LabVIEW来完成。如图所示为远程医疗监护系统软件界面。 分成四个主要分，左上为病人资料以及数据监控记录；右上为病床列表选择；左下为病

14、人体温实时监控；右下则为病人血氧饱和度的实时监控。系统实验验证 首先用数据采集终端传感器节点采集人体的对应生理参数，记录监控界面显示值。然后用标准的体温计和血氧饱和度计测得人体生理参数，如右图所示。 最终测定，参数值基本与体温计和血氧饱和度计所测值同步。工作小结工作小结 本文在综合分析远程监护国内外研究现状的基础上，提出并研究了一种新型的远程无线医疗监护系统，重点对基于无线传感器网络的可扩展的远程医疗监护系统应用平台进行了研究。本文为医疗监护系统研究和实施了新的思路和方法：将无线传感器网络进一步深入应用到医疗监护领域。 这套远程医疗监护系统还远远没有到完善的程度。主要有两个方面还需大大的改进： （1）生理数据采集终端的多样化在本项目中，仅仅是对这套监护系统进行了应用的可行性的研究探索，因此，仅仅以比较常用的体温传感器和血氧传感器为例，来搭建了整套系统。而事实上，仅仅这两