1、基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)的成員：段廣花 喬 安 袁梟翎 馮小龍 陳 松 金成澤智能醫(yī)療系統(tǒng) 前言 系統(tǒng)簡(jiǎn)介 系統(tǒng)構(gòu)成 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) 智能醫(yī)療系統(tǒng)展望智能醫(yī)療系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN) 是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是一項(xiàng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)的新興技術(shù)，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。 返回?zé)o線傳感網(wǎng)與醫(yī)療 隨著科學(xué)

2、技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)逐漸進(jìn)入醫(yī)療領(lǐng)域，它作為傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及無線通信技術(shù)相結(jié)合的新興產(chǎn)物，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病人多種生理參數(shù)的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)檢測(cè)，幫助醫(yī)院醫(yī)護(hù)人員及時(shí)高效地對(duì)病人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與診斷。 我們主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面。返回智能醫(yī)療的概念 智能醫(yī)療結(jié)合無線網(wǎng)技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)（Radio Frequency Identification）即RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)等許多方面工作的無線化、智能化，全面改變和解決現(xiàn)代化數(shù)字醫(yī)療模式、智能醫(yī)療及健康管理、醫(yī)院信息系統(tǒng)等的問題和困難. 智能醫(yī)療

3、通過打造健康檔案區(qū)域醫(yī)療信息平臺(tái)，利用最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間的互動(dòng)，逐步達(dá)到信息化。返回智能醫(yī)療的發(fā)展現(xiàn)狀 當(dāng)前無線醫(yī)療主要采用的是無線局域網(wǎng)的技術(shù)，即通過無線局域網(wǎng)+RFID的模式實(shí)現(xiàn)各種醫(yī)療應(yīng)用，終端方面則是采用了具備醫(yī)療定制服務(wù)功能的PDA等。 同時(shí)當(dāng)前智能醫(yī)療并沒有實(shí)現(xiàn)真正的智能化，只是通過設(shè)備提高了就診的便利性，智能醫(yī)療還待進(jìn)一步的研究和提高。返回 根據(jù)實(shí)際的需要，我們把智能醫(yī)療系統(tǒng)醫(yī)療分成三部分，分別為智能醫(yī)院系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)以及家庭健康系統(tǒng)。智能醫(yī)療系統(tǒng)智能醫(yī)院系統(tǒng)區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)家庭健康系統(tǒng)（智能醫(yī)療系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)組成）返回智能醫(yī)院系統(tǒng) 智能

4、醫(yī)院系統(tǒng)是一個(gè)基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)、通過各樣的傳感器和路由器實(shí)現(xiàn)的智能化管理系統(tǒng)。包括以下部分：智能病房智能手術(shù)室智能導(dǎo)航對(duì)有特殊需要的患者建立遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)關(guān)系，及時(shí)了解患者病情，并隨時(shí)提供醫(yī)療幫助指示返回智能醫(yī)院系統(tǒng)返回 在病房部署完全覆蓋的傳感器網(wǎng)絡(luò)，用來監(jiān)測(cè)呼吸、血壓、心率等重要生理指標(biāo)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)還保證了患者適當(dāng)?shù)幕顒?dòng)空間，了醫(yī)院的人力資源成本； 醫(yī)院根據(jù)患者病情需要配置相應(yīng)的智能診療設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)重癥患者心率、血壓、脈搏等情況； 病房?jī)?nèi)使用智能藥瓶，智能提醒輸液患者輸液進(jìn)程和提醒患者用藥同時(shí)提供用藥常識(shí)。智能病房返回智能病房返回智能病房返回智能診療設(shè)備 智能診療設(shè)備其實(shí)還在為了實(shí)時(shí)監(jiān)

5、測(cè)患者健康狀況，只是可穿戴設(shè)備更方便、更有效地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性。 在智能診療設(shè)備的設(shè)計(jì)上，是將傳感器設(shè)計(jì)在可穿戴設(shè)備中，通過傳感器發(fā)送患者的體征至醫(yī)院。具體信息傳遞見智能導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)部分。返回智能診療設(shè)備返回智能手術(shù)室 智能手術(shù)室結(jié)合了機(jī)器人系統(tǒng)、人類工程學(xué)設(shè)計(jì)以及先進(jìn)的通訊技術(shù)。 機(jī)器人系統(tǒng)可根據(jù)醫(yī)生的聲音進(jìn)行相應(yīng)的操作并只執(zhí)行其指令，機(jī)器人內(nèi)窺定位系統(tǒng)可以提供非常清晰和全面的手術(shù)視野,使醫(yī)生可以精確進(jìn)行手術(shù)。手術(shù)室還配備有4臺(tái)電視監(jiān)控器,可以隨時(shí)與外界保持直接的交流。外科醫(yī)生可以在熒光屏上看到病理切片的結(jié)果,病理學(xué)家也可以在手術(shù)室外逼真的觀察到病人的器官組織情況。這種手術(shù)室系統(tǒng)最終將可使遠(yuǎn)距

6、離或超國(guó)界操作手術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。 返回智能手術(shù)室返回智能導(dǎo)航 智能導(dǎo)航建立在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，包括終端、基站、觸發(fā)器、服務(wù)器和多媒體設(shè)備。 終端實(shí)時(shí)上傳并接收定位對(duì)象數(shù)據(jù)，基站接收終端上傳的定位對(duì)象數(shù)據(jù)并傳送，觸發(fā)器將采集到的對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，服務(wù)器接收、存儲(chǔ)和處理定位對(duì)象數(shù)據(jù)及觸發(fā)器采集的對(duì)象數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)定位，多媒體設(shè)備則用來將導(dǎo)航信息反饋到定位對(duì)象。返回智能導(dǎo)航返回區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng) 區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)是一個(gè)收集、處理、傳輸人員活動(dòng)密集的區(qū)域的重要信息的衛(wèi)生平臺(tái)，主要由布置在公共區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)和每個(gè)區(qū)域的分站點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的采集，分站點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的初步處理、發(fā)送、預(yù)警等功能。 主要應(yīng)對(duì)一些人員密

7、集的公共場(chǎng)所的突發(fā)狀況的發(fā)生。返回區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)返回家庭健康系統(tǒng)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；智能提示指導(dǎo)系統(tǒng)；智能呼救定位系統(tǒng)。返回智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 主要是通過在患者家中部署傳感器網(wǎng)絡(luò)來覆蓋患者的活動(dòng)區(qū)域?；颊吒鶕?jù)病情狀況和身體健康狀況等佩戴可以提供必要生理指標(biāo)（如心率、呼吸、血壓等）監(jiān)測(cè)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，通過這些節(jié)點(diǎn)可以對(duì)患者的重要生理指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。隨后在本地簡(jiǎn)單地處理傳感器節(jié)點(diǎn)所獲取的數(shù)據(jù)，其后把整理出的數(shù)據(jù)通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)傳送到為患者提供遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)服務(wù)的醫(yī)院。返回智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)返回智能提示指導(dǎo)系統(tǒng) 與醫(yī)院方面建立了智能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)關(guān)系的患者，醫(yī)院方面將根據(jù)收到的被監(jiān)測(cè)患者的生理指

8、標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，來診斷患者的健康狀況，并根據(jù)診斷結(jié)果指導(dǎo)是否需要送至醫(yī)院救治，如果只是常見疾病，就提供用藥常識(shí)和用藥建議。返回智能提示指導(dǎo)系統(tǒng)返回智能呼救定位系統(tǒng) 智能呼救定位系統(tǒng)是建立在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上的，通過患者隨身攜帶的無線傳感設(shè)備，使用GPS定位技術(shù)。醫(yī)院方面使用GPS信號(hào)機(jī)接受監(jiān)測(cè)目標(biāo)的衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。返回GPS定位實(shí)例返回拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一部分，沒有系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)，更談不上別的了。對(duì)于我們的智能醫(yī)療系統(tǒng)來講，由于是由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，所以也由三部分的拓?fù)湓O(shè)計(jì)構(gòu)成： 智能醫(yī)院系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)； 區(qū)域

9、衛(wèi)生系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)； 家庭健康系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。返回智能醫(yī)院系統(tǒng) 對(duì)于智能醫(yī)院系統(tǒng)來說，我們采取網(wǎng)狀與星型結(jié)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)湓O(shè)計(jì)。路由器節(jié)點(diǎn)之間通過網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性；傳感器節(jié)點(diǎn)則通過星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、以路由器作為中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。如下圖：返回智能醫(yī)院系統(tǒng)返回區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)返回 對(duì)于區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)來說，由于管理的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，并且考慮到可拓展方面，我們選定用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)具有成本低、擴(kuò)充方便靈活、尋找鏈路路徑方便、易于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大型區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)的布置。如下圖：區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)返回家庭健康系統(tǒng) 對(duì)于家庭健康系統(tǒng)來說，根據(jù)范圍的不同分為內(nèi)

10、部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于外部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來講，由于家庭數(shù)量比較多，并考慮到基本上每家每戶都有路由器，所以決定采用蜂窩型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；對(duì)于內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來講，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如下圖：返回家庭健康系統(tǒng)返回外部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)家庭健康系統(tǒng)返回內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)物理層物理層是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。 物理層采用DSSS(直接序列擴(kuò)頻)技術(shù),可提供27個(gè)信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。 使用ZigBee通信協(xié)議，ZigBee具有低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量、高安全等特點(diǎn)，并且有基于2.4 GHz頻段的“短距離”和868/915 MHz頻段的“長(zhǎng)距離”兩個(gè)頻段，適合整個(gè)系統(tǒng)的使用。 數(shù)據(jù)鏈路層 由于數(shù)據(jù)的傳輸是

11、在廣播無線信道上，所以WSN的介質(zhì)訪問（MAC）協(xié)議設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 本系統(tǒng)選用的是基于競(jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議中的CC-MAC協(xié)議。該協(xié)議適用于高密度網(wǎng)絡(luò)，這也是本系統(tǒng)所需要的。網(wǎng)絡(luò)層 網(wǎng)絡(luò)層是WSN協(xié)議棧中研究最多的部分。在這部分，主要是解決路由選擇問題。 使用鏈路狀態(tài)路由協(xié)議中的最短路徑優(yōu)先（OSPF） 協(xié)議作為路由協(xié)議。傳輸層 由于不能使用TCP和UDP協(xié)議，所以本系統(tǒng)采用了IFRC 協(xié)議和BCR協(xié)議。 IFRC 能著重保證信道帶寬能更公平地被相鄰多個(gè)節(jié)點(diǎn)所分享，用在傳感器的通信上； BGR 能在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來擴(kuò)大轉(zhuǎn)發(fā)路徑的可選范圍，用在路由器之間的通信上。應(yīng)用層 在應(yīng)用層，

12、主要是數(shù)據(jù)的壓縮和傳輸?shù)募夹g(shù)。 本系統(tǒng)運(yùn)用了S-LZW（以節(jié)點(diǎn)為中心的壓縮機(jī)制）協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，包括了S-LZW-MC-BWT（用于圖像、聲音、文本的預(yù)處理壓縮）協(xié)議和S-LZW-MC-ST（基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）協(xié)議。 使用COUGAR協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。 通過MANNA方案進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)管理。跨層解決方案 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源十分有限，而且采用分層的體系結(jié)構(gòu)，各層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立且具有一定局限性，因而各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。 跨層設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間的設(shè)計(jì)互動(dòng)與性能平衡，支持網(wǎng)絡(luò)能量管理的優(yōu)化，提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性和可行性。 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，

13、采用自適應(yīng)的跨層優(yōu)化協(xié)議，可以在能量受限的情況下，有效節(jié)省能量， 延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期，滿足應(yīng)用的高吞吐量、低延遲等要求。定位 相比較很多的系統(tǒng)而言，定位技術(shù)是不可避免的一項(xiàng)。由于不可能給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都安裝一個(gè)GPS，所以無法使用GPS定位系統(tǒng)，所以定位技術(shù)的重要性可想而知。 本系統(tǒng)使用的是APIT（近似三角形內(nèi)點(diǎn)）協(xié)議進(jìn)行定位的。該方法復(fù)雜度較低，與其他的定位方法相比，系統(tǒng)開銷小，很適合大規(guī)模的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)使用。智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) 優(yōu)先的通信服務(wù)的挑戰(zhàn)：傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于自組織形式，且節(jié)點(diǎn)的能源和計(jì)算能力是有限的。在實(shí)際運(yùn)用中，為了為有效地降低耗能，節(jié)點(diǎn)必須要保障連接的健壯性且盡量減少傳輸耗

14、能，并最大限度地避免網(wǎng)絡(luò)干擾。此外，網(wǎng)絡(luò)必須能夠優(yōu)先關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸。但是目前的無線網(wǎng)絡(luò)在提供了良好的服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)卻并沒有明確提供優(yōu)先的通信服務(wù)，而優(yōu)先的通信這一點(diǎn)卻恰恰是此技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域中的關(guān)鍵。 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理：當(dāng)監(jiān)返回智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)隨著系統(tǒng)擴(kuò)展范圍越來越大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變得非常巨大，并且許多的監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)與基站都具有的運(yùn)動(dòng)性。拓?fù)涔芾矸矫婷媾R著很大的挑戰(zhàn)性。數(shù)據(jù)安全性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用自組織方式組網(wǎng)，容易受到攻擊，此外，病人的信息需要保密。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力相當(dāng)有限，傳統(tǒng)的安全和加密技術(shù)都不適用。因此，安全問題也是一大重點(diǎn)。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) 數(shù)據(jù)完整性與數(shù)據(jù)壓縮：許多節(jié)點(diǎn)需要24小時(shí)無間斷的監(jiān)測(cè)人體參數(shù)，節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)量大，而節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)容量小，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的壓縮算法開銷太大不適合傳感器節(jié)點(diǎn)。另外，壓縮算法不能損壞原始數(shù)據(jù)，否則會(huì)造成對(duì)病人的錯(cuò)誤診斷。這是在數(shù)據(jù)壓縮方面的挑戰(zhàn)。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)展望 從目前醫(yī)療信息化的發(fā)展來看，隨著醫(yī)療衛(wèi)生社區(qū)化、保健化的發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，通過射頻儀器等相關(guān)終端設(shè)備在家庭中進(jìn)行體征信息的實(shí)時(shí)跟蹤與監(jiān)控，通過有效的傳感網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)院對(duì)患者或者是亞健康病人的實(shí)時(shí)診斷與健康提醒，從而有效地減少和控制病患的發(fā)生與發(fā)展。此外，傳感網(wǎng)技術(shù)在藥品管理和用藥環(huán)