无线传感器网络及其在医疗领域的应用

【作 者】李逸明，李斌，钱明理，王龙辰

1 上海交通大学附属第六人民医院医学装备处，上海市，200233

2 上海交通大学医学院附属新华医院，上海市，200092

0 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）作为物联网技术的重要组成部分，集成了传感器、微机电系统和网络三大技术于一体，能够通过各类集成化的传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通[1]。无线传感器网络不需要事先架设通信基础设施，具有组网灵活、抗毁性强、体积小、功耗低等特点，在医疗领域发挥着不可替代的作用[2]。远程医疗监护、伤残救助、药物摄入监测、医疗资产管理等都离不开无线传感器网络。

1 无线传感器网络的体系结构

典型的无线传感器网络系统由传感器节点(sensor node)、汇聚节点（sink node）、互联网和任务管理节点等组成，如图1所示。多个传感器节点随机部署在监测区域，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据[3]。

传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块四部分组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据；电源模块为传感器节点提供运行所需能量。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对比较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

图1 典型无线传感器网络的基本架构和节点构成Fig.1 Typical WSN structure and sensor node architecture

任务管理节点由各种面向应用的软件系统构成，用户通过与应用程序的对话，控制和监测传感器网络完成所需任务。

2 医疗领域无线传感器网络体系结构

医疗领域无线传感器网络体系结构如图2所示，包括三个层次，分别是感知层、中间层和应用层[4]。第一层是感知层，它由佩戴在人体身上的传感器节点、植入人体的传感器节点、甚至是安装在医疗用具（例如医疗设备、医用耗材、药品等）上的传感器节点组成。第二层即中间层，是具有完全功能设计的移动个人服务器或头节点，进一步还包括汇聚节点或基站。它负责和外部网络进行通信，并临时存储从第一层收集上来的数据。它以低能耗的方式管理各个传感器节点或设备，接收和分析感知数据以及执行规定的用户程序。基站可以是资源相对丰富的移动电话，能够上网的PDA或其他手持设备。佩戴在被测物体的网络节点个数不多时，图2所示架构中头节点部分与汇聚节点/基站部分是合二为一的，只有在第一层网络节点较多的情况下会存在多个头节点，此时就需要一个汇聚节点或基站来负责收集由这些头节点发送的信息，并作为路由器与外部网络进行连接。第三层即应用层，是包括提供各种应用服务的远程服务器的外部网络，通常由专门的服务器记录着从基站发送的数据，医务人员通过与Internet连接的计算机查看服务器中病人电子医疗记录。应用层向用户提供的服务包括数据记录、趋势分析、病人生命体征报警等。

图2 医疗领域无线传感器网络体系结构Fig.2 Architecture of WSN application in healthcare

3 无线传感器网络在医疗领域的应用

3.1 医疗监护

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。无线传感器网络在医疗监护领域的应用使得这一矛盾得以解决。它利用高频率的无线多通道数据传输方式，传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息，减少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。同时，在医院病房内建立无线监测网络，很多项测试可以在病床上完成，能够极大地方便病人就诊，并加强医院的现代化信息管理和工作效率。可以说，医疗监护是WSN在医疗领域最广泛的应用[5-6]。

WSN在医疗监护的典型应用是[7]：由监护基站设备和无线专用传感器节点构成一个微型监护网络。不同的传感器节点被用来测量人体生理指标，比如心电、心率、心音、血氧、血压等。所获得的数据通过无线通信的方式被传输到医疗监护基站上（相当于汇聚节点），医疗监护基站通常是PDA、微控制器电路板或者手机等。由该基站装置将数据传输至所连接的PC或者其他网络设备上，通过Internet网络可以将数据传输至远程医疗监护中心，由专业医疗人员对数据进行统计观察，提供必要的咨询服务，实现远程医疗。

3.2 运动状态探测

这类应用主要是监测老年人或者病人在家中的运动状态，对异常运动状态（比如摔倒所导致的意外伤亡事件）进行预警。此外，这类应用除了能够对人体坠落监测，还能够对人体运动过程中姿势进行监测，并且能够根据情况给病人长期的指导性训练，这对帮助病人的康复理疗具有重要意义。

无线传感器网络在这个领域的典型应用[8-9]主要是在病人身上佩戴装有三坐标加速度计（3-axes accelerometer）的传感器，它能够探测到病人的运动状态，比如走路、跑步、休息或者是发生危险例如意外摔倒。基站是一个Mote[3]，Mote相当于无线传感器汇聚节点，可以收集信息并通过无线网络转播到个人电脑以便做后续数据处理。在个人电脑上，病人的运动状态被实时的显示出来，一旦发生危险，监护人就能快速采取行动，及时救助摔倒的病人。还有研究者通过探测人体姿势推算出人体运动状态[10-11]，例如HipGuard[10]项目监测病人在髋关节手术后8～12周的恢复情况，设计了一个无线传感器网络：传感器节点被集成在一条裤子上，供病人穿戴。节点位置分别是：腰部、大腿部、小腿骨部和脚部。中控单元采集和处理传感器节点的数据，当动过手术的髋关节部位位置移动或者做过手术的大腿负荷超过医生限制范围时候，那条集成无线传感器网络的裤子就会通过声音或者震动报警，提醒病人注意身体姿势。

3.3 感官丧失辅助

帮助感官丧失或者有缺陷的病人恢复知觉或者指导他们行为活动是无线传感器网络在医疗领域中的另一大应用热点。这类应用主要工作原理是将植入的传感器节点检测到的信息转化、反馈给人体，以弥补病人某些器官功能的缺陷。

最典型的应用是近年来国内外热门研究项目：视觉假体。该类项目开发了一种人工视网膜以帮助盲人恢复部分视觉功能[12]。其方法是将包含微型传感器的传感器阵列芯片植入患者眼中成为视觉假体。体外的图像捕捉器捕获视觉信息并压缩编码之后，通过无线射频发送到视觉假体使其产生刺激电流脉冲，并通过微电极刺激视觉神经细胞，使人产生视幻觉。另外，研究者Wu等[13]为了帮助行动不便的老年人走路就将传感器嵌入到拐杖、步行器、轮椅等传统辅助工具中，使之变成“智能拐杖”，它能够感知病人运动情况，比如：走、跑、停等动作，以及周围环境，比如路边平坦，路面颠簸等。根据上述探测到的信息，给予病人治疗训练和康复性方案。

3.4 药物摄入监测

基于无线传感器网络的药物摄入监测系统是为了帮助患者正确控制服药量，减少忘记服药、药量过重或误食等状况发生，还可以降低医务人员药物错配几率。典型的应用是Moh等[14]设计的药物摄入监测系统，该系统由药物监测子系统、病人监测子系统和基站子系统组成。在药物监测子系统中，药瓶上粘贴高频RFID标签以识别药物种类，药物摄取量由嵌入药瓶的重量传感器计算获得。在另一端，病人身上佩戴超高频RFID标签，能与药瓶上的标签通讯，形成病人监测子系统，该子系统能够提醒病人服用正确的药物。最后，基站子系统负责将数据传输至个人电脑，在个人电脑上用户可以观测药物服用量和服用时间等信息。与此类似的研究还有iCabliNET项目[15]和iPackage项目[16]。

3.5 医疗资产管理

现今，综合性医院医疗设备资产种类繁多，管理复杂。要做到合理、充分利用医疗设备，以及在全院范围内调配急救移动医疗设备，就必须对医疗设备进行身份识别、实时定位、档案管理。

基于这种需求，Kim等[17]研发了一套基于无线传感器网络的医疗资产追踪系统，它由移动节点、固定节点、网关、服务器组成。将可移动的传感器节点连接在被检测的医疗设备上，通过串口提取设备身份信息；固定节点负责探测移动节点的位置并且在必要的时候对其监听和通讯，移动节点的位置是根据固定节点三角测量法确定；网关负责将各个节点的数据传送给应用层的服务器，应用层服务器作为数据库储存和处理数据并向用户提供应用程序接口，管理人员可以通过以太网联接到服务器监控医疗资产。从文献检索情况看，近年来，利用无线传感器网络技术对医疗资产管理的应用比较少，类似的应用还有文献18、19。相比于将WSN技术应用于医疗资产管理，RFID技术在资产管理领域应用更为普遍[20-21]。

RFID具有WSN所缺乏的物品标志能力，但RFID不能对物品状态进行监测。如何使得RFID标签或者阅读器也具有多跳通信的能力以扩展RFID的工作范围；如何使得WSN网络具有RFID的标志能力，并将WSN对物体状态与环境信息的监测能力赋予RFID系统，是RFID与WSN技术在物联网下的协作方式的研究重点。

4 讨论与展望

从应用领域角度看，无线传感器网络在医疗领域的应用主要集中在医疗监护、病人行为监测、运动状态监测、情景感知和感官丧失辅助等方向。无线传感器网络在医疗领域主要是针对“人”的，利用无线传感器网络的感知、定位、数据实时传输等功能，帮助人类安全、健康、舒适地生活。另一方面，针对医疗领域“物”的监控，即对医疗设备的监控，无线传感器网络应用很少，如何利用无线传感器网络组网灵活、传输范围广、体积小、功耗低等特点，将物联网的技术融入到医疗设备管理应用中去，帮助设备管理人员科学、有效的管理好医院巨额的医疗设备，提高医疗设备使用率，降低医疗设备故障率，保障医疗设备质量，提高医疗水平也将是一个值得探索的研究方向。

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