1、第30卷󰀁第3期2008年6月武漢理工大學學報󰀂信息與管理工程版JOURNALOFWUT(INFORMATION&MANAGEMENTENGINEERING)Vo.l30No.3June2008文章編號:1007-144X(2008)03-0394-04基于ZigBee技術的遠程醫療監護系統設計與實現石道生,任󰀁毅,羅惠謙(武漢理工大學自動化學院,湖北武漢430070)摘󰀁要:將無線傳感器網絡引入醫療監護系統,提出了一種由ZigBee傳感器和無線局域網構成的遠程醫療監護系統的體系結構和具體實現方法。系統中,節點和基站設備所

2、使用的近距離通信標準為802.15.4/ZigBee標準,收集病患者的各類信息,實現病患者在家中進行遠程醫療監護,并及時將病患情況反映給醫生及其家屬,以應對病患者可能的突發情況,在獲得準確的測量指標的同時,免除患者在家庭與醫院之間奔波的勞苦。關鍵詞:ZigBee;遠程醫療;醫療監護中圖法分類號:TP393󰀁󰀁󰀁󰀁文獻標志碼:A󰀁󰀁遠程醫療是信息技術與醫學相結合的產物,它使用遠程通信和計算機多媒體技術為患者提供醫學信息和醫療服務。在信息技術高速發展的今天,它已經成為醫學交流中一道亮麗的風景線。遠程醫療

3、主要應用在臨床會診、檢查、診斷、監護、指導治療、醫學研究、交流、醫學教育和手術觀摩等方面。遠程醫療監護系統作為遠程醫療系統中的一部分,是將采集的被監護者的生理參數與視頻、音頻以及影像等資料通過通信網絡實時傳送到社區監護中心,用于動態跟蹤病態發展,以保障及時診斷、治療1近年來,隨著生物醫學傳感器的小型化、信息處理及無線數據傳輸技術的快速發展和普及,無線醫療監護系統的研制成為熱點。筆者設計出一種新的網絡式監護裝置及系統,目的是利用高頻率的無線多通道數據傳輸方式,傳遞醫療傳感器與監護控制儀器之間的信息,減少監護設備與醫療傳感器之間的連線,使被監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

4、同時,免除患者在家庭與醫院之間奔波的勞苦。同時,在醫院病房內建立無線監測網絡,多項測試項目可以在病床上完成,能夠極大地方便病人就診,并加強醫院的現代化信息管理和工作效率。隨著當今社會老年人口的劇增,醫療資源中監護的作用更加突出。醫療監護儀器目前可分為兩類,一類是指在醫院內由職業醫生或專業技術人員使用的專門儀器,對病人進行生理指標的監護;另一類是在普通人員的家庭內或者戶外,在醫生的指導下,由患者本人或其家屬使用遠程醫療監護系統對其進行監護,所得生理指標將及時傳送給相關醫生。目前,醫院所使用的監護系統,大多是建立在線纜連接的基礎上,往往體積和功耗大,不便于攜帶,且要求在患者身邊使用,限制了患者和醫

5、護人員的行動,增加了他們的負擔和風險,已經越來越不適應當今實時、連續、長時間地監測患者重要生命特征參數的醫療監護需求。為了使經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下測量某些常規指標,人們對遠程醫療的關注度越來越強21󰀁系統結構遠程醫療監護系統的體系結構圖如圖1所示,系統由監護基站設備和ZigBee傳感器節點構成一個微型監護網絡。傳感器節點上使用中央控制器對需要監測的生命指標傳感器進行控制并采集數據,通過ZigBee無線通信方式將數據發送至監護基站設備,并由該基站裝置將數據傳輸至所連接的PC或者其他網絡設備上,通過Internet網絡可

6、以將數據傳輸至遠程醫療監護中心,由專業醫療人員對數據進行統計觀察,提供必要的咨詢服務,實現遠程醫療。在救護車中的急救人員還可通過GPRS實現將急救病人的信息實時傳送,以利于醫院搶救室及時做好準備工作。醫療傳感器節點可以根據不同的需要而設置,因此該系統具。收稿日期:2007-12-11.:(,第30卷󰀁第3期石道生,等:基于ZigBee技術的遠程醫療監護系統設計與實現395圖3󰀁處理器單元該監護傳感器的工作原理為,首先由控制單圖1󰀁遠程醫療監護系統結構圖元發出開始監測某項生理參數的指令,然后通過無線數據通信單元把指令發給生理信息與數據采集單元,對人

7、體生理信號(體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等)進行采集,最后通過無線數據通信單元將數據傳給控制和顯示單元中的信息處理模塊,一方面對接收到的數據進行處理和顯示,另一方面將結果數據存入數據庫供檢索和回放。節點的核心是無線數據通信單元和生理信息與數據采集單元。2.2󰀁無線數據通信單元在醫院里,所應用的醫療監護設備對電磁輻射的要求很高。對于設備來講,輻射的電磁波既不能干擾其他設備正常工作,同時也應具有一定的抗干擾能力,不受其他設備輻射出的電磁波干擾。因此,在醫院或者使用無線通信的家庭中使用的醫療設備,設計中必須對此進行充分考慮。在本系統中,所使用的射頻通信為全球公開的免費2.4GHz的I

8、SM頻段,采用的通信標準為802.15.4/ZigBee標準。它是一種低復雜度、低功耗和低成本的無線通信技術,可在1075m范圍內,以20250kb/s的傳輸速率來傳輸醫療數據。它依據802.15.4標準,在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信3-4有極大的靈活性和擴展性。同時,將該系統接入Internet網絡,可以形成更大的社區醫療監護網絡、醫院網絡乃至整個城市和全國的醫療監護網絡。系統中包括無線個人網絡(wirelessperson󰀁alareanetwork,WPAN)、ZigBee網絡以及一系列醫療監護網絡的醫療傳感器節點。本系統具有良好的擴展性,例如醫護人員在急救途

9、中或在其他醫院可以分別利用WLAN/UMTS網關和互聯網與系統進行信息交互。2󰀁監護傳感器節點2.1󰀁監護傳感器的組成及工作原理醫療無線傳感器節點主要功能為采集人體生理指標數據,或對某些醫療設備的狀況以及治療過程情況進行動態監測,并通過射頻通信的方式,將數據傳輸至監護基站設備。醫療傳感器節點框圖如圖2所示,主要包括醫療傳感器模塊、ZigBee通信模塊、處理器單元和電源4部分。處理器單元如圖3所示,主要分為CPU、存儲器、AD轉換、測試帶和數碼顯示屏5部分。根據低功耗和處理能力的需要,采用TI公司的MSP430系列單片機,存儲器部分主要用于存儲傳感器所采集的臨時數

10、據,在處理器將數據傳輸之后,傳感器節點內不做數據的大量存儲。這些傳感器只需少量能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳至另一個傳感器,因此,通信效率非常高。它可用普通干電池作電源,在一般情況下,可支持624個月,大大減少了頻繁更換電池的麻煩。為降低成本,ZigBee標準中定義了兩種類型)圖2󰀁醫療傳感器節點框圖396武漢理工大學學報󰀂信息與管理工程版2008年6月簡化功能設備(reducedfunctiondevice,RFD)。FFD可以在3種不同模式下工作: 個人網絡(personalareanetwork,PAN)協調者;!協調者;設備。RFD作

11、為從設備不需要傳輸大量的數據,且只占用很少的資源。用一個FFD加上一個RFD就可組建一個最簡單的WPAN,其中FFD作為PAN協調者來執行通信功能,因此,在任何一個星形網絡中都必須至少有一個FFD來作為PAN協調者5言,GPRS/UMTS具有低傳輸速率和高覆蓋范圍的特點。本系統利用GPRS/UMTSWLAN網關實現UMTS與WLAN之間的無縫連接。這樣使得配有UMTS和WLAN接口的設備可以自由地在這兩個網絡之間進行切換。一般來說,WLAN和UMTS融合的方式有兩種:緊耦合和松耦合6。在緊耦合體系中,WLAN網關直接連接到UMTS網絡。而在松耦合體系中,WLAN網關并不是直接連接到UMTS網絡

12、中,而是通過Internet或是IP骨干網作為中介。在本系統中,利用松耦合體系來實現手持移動設備與UMTS網絡之間的通信。WLAN和UMTS的松耦合體系結構如圖5所示。在本系統中,ZigBee設備通常以星形和網狀形兩種網絡結構存在,其網絡拓撲結構如圖4所示。星形網絡結構的通信是以FFD作為PAN協調者完成與設備之間的通信,在該網絡中PAN協調者的功能是初始化網絡、中止和路由信息。星形網絡廣泛應用于自動化家居、個人醫療監護系統和醫院病房等小區域。2.3󰀁生理信息與數據采集單元系統中,醫療傳感器模塊主要實現以下幾種功能:體溫、血壓、血氧和血糖的測量等。其中,體溫測量集成了北京邁創公

13、司所生產的YSI體溫探頭,血壓測量集成了邁創公司的KNM無創血壓測量模塊,血氧測量集成了邁創公司的SWS01血氧測量模塊。無線節點為傳感器的擴展留出了豐富的接口,如果需要其他類型的生理指標數據,如體溫、心電等數據,則只需要將相應的傳感器接入預留的接口,形成新的無線傳感器節點,開發相應的嵌入式控制及處理軟件,就可以將節點直接加入到該無線傳感器網絡中。圖5󰀁WLAN和UMTS的松耦合體系結構4󰀁實驗驗證系統在綜合測試過程中取得了初步的結果,傳感器節點上的生命指標傳感器采集到的數據,通過ZigBee無線通信方式將數據發送至監護基站設備,并顯示在基站設備的LCD上。每個

14、病人總的數據傳輸量在2276kb/s之間(依據心電圖電極的數量而變化),常用測量信號的頻率范圍和數據量如表1所示。由該基站裝置將數據傳輸至所連接的PC或者其他網絡設備上,通過In󰀁ternet網絡將數據傳輸至遠程醫療監護中心,由專業醫療人員對數據進行統計分析,提供必要的咨詢服務,實現遠程醫療。如在救護車中,急救人員還可通過GPRS實現急救病人情況的實時傳送,3󰀁GPRS/UMTSWLAN網關第30卷󰀁第3期石道生,等:基于ZigBee技術的遠程醫療監護系統設計與實現表1󰀁常用測量信號的頻率范圍和數據量397參數無創血壓有創血壓心電

15、圖血氧體溫參數范圍1.353.0kPa1.353.0kPa0.54.0mV80%99%3241#信號頻率范圍/Hz6050250/電極300.1A/D轉換比特率/kb/s1.4401.20018.000(三電極)1.4000.0025󰀁結󰀁論所設計的一種新的網絡式監護裝置及系統,可以減少監護設備與醫療傳感器之間的連線,在獲得較準確的測量指標的同時,免除病人在家庭與醫院之間奔波的勞苦。同時,在醫院病房內建立無線監測網絡,很多測試項目可在病床上完成,極大地方便病人就診。另外,本系統還具有高的靈活性和擴展性,通過Internet可以使遠離醫院等醫護機構的病員也能隨時得

16、到必要的醫療監護和遠程醫生的咨詢指導。筆者將進一步開發該系統的軟件和硬件,以提高其穩定性和實用性,同時也將根據特殊的需要定制開發上層管理軟件以及完善醫療監護管理平臺軟件。參考文獻:1󰀁鄧󰀁蕊.依托寬帶信息網絡家庭疾病監護系統的初步研究J.生物醫學工程與臨床,2003,7(3):138-140.2󰀁高振海,劉亞軍,徐新喜.遠程醫療裝備及其車載系統的發展現狀J.醫療衛生裝備,2003,24(9):22-23.3󰀁PAKSUNIEMIM,SORVOJAH,ALASAARELAE,eta.lWirelesssensoranddatatra

17、nsmissionneedsandtechnologiesforpatientmonitoringintheoperatingroomandintensivecareunitC.AnnualInternationalConferenceoftheEngineeringinMedicineandBiologySociety.s.l:s.n.,2005:5182-5185.4󰀁IEEE802.15.4TM-2003.Wirelessmediumaccesscontrol(MAC)andphysicallayer(PHY)specifica󰀁tionsforlowra

18、tewirelesspersonalareanetworks(LR-WPANs)S.2000.5󰀁COXD,JOVANOVE,MILENKOVICA.Timesyn󰀁Proc.ofthechronizationforZigBeenetworksC.37thIEEESoutheasternSymposiumonSystemTheory(SSST0'5).AL:Tuskegee,2005:135-138.6󰀁MAL,YUF,LEUNGC.AnewmethodtosupportUMTS/WLANverticalhandoverusingSCTPJ.IEEEJournalofWirelessCommunications,2004,11(4):44-51.RemoteMedicalMonitoringSystemDesignandImplementationBasedonZigBeeTechnologySHIDaosheng,RENYi,LUOHu