Сеть беспроводных датчиков (Wireless Sensor Network) - это новая технология, которая объединяет технологии в различных областях, таких как сенсорная технология, встроенные вычислительные технологии, современные сети и технологии беспроводной связи, а также распределенные технологии обработки информации.

По мере развития технологий WSN (Wireless Sensor Network) будет оказывать глубокое влияние на многие аспекты медицинской практики. В этой статье в основном описывается архитектура системы медицинского наблюдения беспроводной сенсорной сети и общие принципы проектирования узлов мониторинга.

Архитектура беспроводной сенсорной сети

В зоне мониторинга расположено большое количество сенсорных узлов, между узлами используется самоорганизующаяся сеть и передача данных с использованием технологии беспроводной связи, каждый узел имеет двойную функцию сбора данных и слияния и передачи данных. Узел осуществляет предварительную обработку данных и слияние информации, собранной им самим, с информацией, переданной ему другими узлами, после чего передается на базовую станцию ретрансляционным путем через соседние узлы, а затем через базовую станцию конечным пользователям через Интернет, спутники и т.д.

Узлы являются основными функциональными единицами беспроводной сенсорной сети, с различными конкретными приложениями и различными конструкциями узлов. Основные компоненты сенсорных узлов включают: сенсорные блоки, процессорные блоки, блоки связи и компоненты питания. Кроме того, в соответствии с конкретными требованиями приложения могут быть добавлены функциональные блоки, такие как: системы позиционирования, мобильные системы и системы автономного питания питания и так далее.

Применение беспроводных сенсорных сетей в медицине

Сеть беспроводных датчиков использует свои преимущества (такие как низкая стоимость, простота, быстрый, неинвазивный сбор различных физиологических параметров пациентов в режиме реального времени и т. Д.), что делает ее большой потенциал для развития в области медицинских исследований, больничных палат общего профиля / ICU или ежедневного домашнего наблюдения и является горячей точкой в текущей области исследований.

Поместите на пациента миниатюрный сенсорный узел, используемый для определения параметров человеческого тела, может дистанционно контролировать частоту сердечных сокращений, кровяное давление, электрокардиологию, сердечный ритм и другие физиологические параметры пациента в режиме реального времени, а также обобщить информацию в центр опеки для своевременной обработки и обратной связи; Использование WSN для долгосрочного сбора физиологических данных о наблюдаемых людях полезно для понимания состояния здоровья человека и изучения заболеваний. Кроме того, в управлении лекарственными средствами и разработке новых лекарств, управлении кровью и многих других аспектах, есть также его применение *. Короче говоря, беспроводные сенсорные сети обеспечивают более простые и недорогие средства реализации будущих систем телемедицинского наблюдения.

Медицинская архитектура на основе беспроводных сенсорных сетей

Система медицинского наблюдения, основанная на сети беспроводных датчиков, состоит в основном из узлов медицинских датчиков, базовых станций медицинского наблюдения (узлов медицинского SINK) и общинных / больничных центров наблюдения.

Медицинские сенсорные узлы и базовые станции наблюдения образуют индивидуальную / домашнюю или больничную беспроводную сенсорную сеть, и несколько таких сетей могут образовывать общинную или больничную сеть наблюдения или даже более широкую систему телемедицинского наблюдения. Во - первых, узел медицинского датчика собирает физиологические параметры человека и после простой обработки собранных параметров передает данные на базовую станцию прямо или косвенно по беспроводной связи. Базовые станции опеки дополнительно обрабатывают данные и передают их в центры опеки, где они анализируются и обрабатываются, а пациенты своевременно получают обратную связь. Центры опеки также могут использовать несколько способов (Интернет, сети мобильной связи и т. Д.) для удаленной передачи данных и обмена информацией с другими центрами опеки.

Конструкция медицинских сенсорных узлов

Базовая структура узла медицинского датчика включает в себя модуль обработки, модуль датчика и беспроводной приемопередатчик, а также модуль питания.

Датчиковые модули используются для восприятия, сбора и преобразования сигналов внешних датчиков. Это модуль, в котором весь узел действительно контактирует с количеством внешнего сигнала. Тем не менее, медицинские датчики являются объектами измерения живых организмов. В частности, человеческое тело, можно сказать, является сложной системой в мире, где физиологические переменные имеют высокую степень корреляции и недоступны. Таким образом, медицинские датчики должны извлекать прогнозируемые физиологические величины из множества явлений и получать надежные и значимые измерения, обеспечивая при этом безопасность объекта.

Поскольку человеческие параметры в основном являются слабыми сигналами, уровень обычно составляет всего несколько мВ или даже ниже, и существует множество неблагоприятных факторов, таких как шум (измерение шума окружающей среды, шум трения между прибором и человеком и шум самого прибора), помехи рабочей частоты (вызванные электромагнитным полем с частотой 50 Гц вокруг измерительной среды) и различные шумы. Таким образом, при проектировании узлов конкретных медицинских датчиков добавляется модуль обработки аналоговых схем, который обычно состоит из следующих частей: схема усиления, схема фильтрации, схема оседания и схема преобразования модуля (A / D) и так далее. В конструкции узла схема усиления обычно использует многоступенчатое усиление (три или четыре уровня), конечная схема усиления в дополнение к функции усиления, как правило, также имеет функцию повышения уровня; Фильтрующая схема: должна соответствовать требованиям простой схемы, разумной частоты отсечения, гибкой и удобной регулировки частоты отсечения высокого и низкого частот и т. Д., Разумно отфильтровать высокочастотные и низкочастотные помехи в сигнале; Схема оседания: в настоящее время широко используются симметричные двухТ - резистивные активные ловушки или конденсаторные устройства с интегральными переключателями, а также асимметричные блокирующие сетевые ловушки. Короче говоря, модуль обработки аналоговых схем в основном усиливает, фильтрует, захватывает и обрабатывает собранные сигналы, удаляет шум и помехи в сигнале и извлекает полезные сигналы.

Процессорный модуль является ядром сенсорного узла и отвечает за управление устройством, распределение и планирование задач, интеграцию и передачу данных по всему узлу. В настоящее время в процессорных модулях используется больше монолитов AVR от Atmel, микропроцессоров MSP430 от TI, процессоров от Motorola и Renesas, а также ARM в качестве 32 - разрядного встроенного процессора. При проектировании узлов необходимо программировать управление сбором сенсорных модулей процессорными модулями, реализацию преобразования A / D и управление приемом и передачей модулей беспроводной связи.

Модуль беспроводной передачи данных используется для передачи данных между узлами. В области беспроводной связи наиболее широко используются модули беспроводной связи CCL000, CC2420 и CC2430 компании Chipcon. К числу широко используемых технологий беспроводной связи относятся: IEEE 802.1lb, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth, UWB, RFID, IRDA (инфракрасные лучи) и другие. Большинство систем мониторинга используют IEEE 802.15.4 (ZigBee) и Bluetooth для передачи данных между узлами и базовыми станциями.

Модуль питания обеспечивает энергию узла и является базовым модулем для всего узла беспроводного датчика. Однако из - за ограничения объема узла энергия сенсорного узла очень ограничена. Поэтому во всей конструкции узла, с низким энергопотреблением, высокой точностью в качестве основного требования, принять ряд эффективных мер для экономии энергии. Кроме того, узлы медицинских датчиков не могут часто заменять батареи, влияя на нормальную жизнь человека. Таким образом, разработанные медицинские узлы должны иметь более длительный жизненный цикл.

Проблемы в системах наблюдения за сетью медицинских беспроводных датчиков

Несмотря на то, что беспроводные сенсорные сети имеют свои преимущества в создании систем медицинского наблюдения, существуют следующие проблемы, связанные с их применением в реальной медицине:

Динамические сети и управление мобильностью узлов в крупномасштабных сетях: когда система опеки распространяется на сообщества, города и даже всю страну, ее сеть огромна, а узлы опеки и базовые станции имеют определенную мобильность. Поэтому необходимо разработать подходящую структуру управления топологией сети и метод управления мобильностью узлов.

Целостность данных и сжатие данных: узлам иногда требуется до 24 часов для мониторинга параметров человеческого тела, объем данных, собираемых узлами, огромен, а емкость хранилища узла мала, часто используя алгоритмы сжатия для уменьшения объема хранения и передачи данных. Однако традиционные алгоритмы сжатия данных слишком дорогостоящи для сенсорных узлов. Кроме того, алгоритмы сжатия не могут повредить исходные данные, иначе это может привести к неправильному диагнозу пациента.

Безопасность данных: Сетевые узлы беспроводных датчиков подключены к сети самоорганизующимся способом, уязвимы для атак, кроме того, информация пациента должна быть конфиденциальной. Однако вычислительная мощность сенсорных узлов довольно ограничена, и традиционные технологии безопасности и шифрования не подходят. Поэтому необходимо разработать алгоритм расшифровки, подходящий для сенсорных узлов.