基于MSP430單片機和CC2420芯片實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計

醫(yī)療監(jiān)護儀器目前可以分為兩類，一類是指在醫(yī)院內(nèi)由職業(yè)醫(yī)生或?qū)I(yè)技術(shù)人員使用的專門儀器，對病人進行生理指標(biāo)的監(jiān)護;另一類是在普通人員的家庭內(nèi)或者戶外，在醫(yī)生的指導(dǎo)下，由病人本人或者家屬使用遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)對病人進行監(jiān)護，所得到的生理指標(biāo)將及時傳送給相關(guān)醫(yī)生。目前，醫(yī)院所使用的監(jiān)護方法，大多使用固定的醫(yī)療監(jiān)護儀，連接設(shè)備將傳感器探頭連接在病人與監(jiān)護設(shè)備之間進行信號的傳遞。復(fù)雜的設(shè)備，眾多的連線，會造成病人心理上的壓力和緊張情緒，可能會影響病人身體狀況，使得診斷所得到的數(shù)據(jù)與真實情況有一定差距，給病人和醫(yī)護人員都帶來不便，可能會影響對病情的正確診斷。

為了使經(jīng)常需要測量生理指標(biāo)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(tài)下測量某些常規(guī)指標(biāo)，目前國際上對遠(yuǎn)程醫(yī)療的關(guān)注越來越強。本文設(shè)計出一種新的網(wǎng)絡(luò)式監(jiān)護裝置及系統(tǒng)，目的是利用高頻率的無線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式，傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護控制儀器之間的信息，減少監(jiān)護設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線，使得被監(jiān)護人能夠擁有較多的自由活動空間，在獲得較準(zhǔn)確的測量指標(biāo)的同時，免除病人在家庭與醫(yī)院之間奔波的勞苦。同時，在醫(yī)院病房內(nèi)建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，很多項測試可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和工作效率。另外，遠(yuǎn)程監(jiān)護系統(tǒng)還可以擴展，使遠(yuǎn)離醫(yī)院等醫(yī)護機構(gòu)的病員也隨時能夠得到必要的醫(yī)療監(jiān)護，并且在必要的時候得到遠(yuǎn)程醫(yī)生的咨詢指導(dǎo)，比如我國農(nóng)村的缺醫(yī)少藥地區(qū)。

本文其它部分內(nèi)容如下，第二部分介紹系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu);第三部分介紹系統(tǒng)中所使用的基站設(shè)備的設(shè)計方法;第四部分介紹系統(tǒng)中所使用的醫(yī)療傳感器節(jié)點的設(shè)計方法;第五部分介紹系統(tǒng)中基站和節(jié)點無線通信;最后為實驗驗證和結(jié)論。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)，提出了一種新的可擴展的多層次網(wǎng)絡(luò)式體系結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方法，即由監(jiān)護基站設(shè)備和無線專用傳感器節(jié)點構(gòu)成一個微型監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點上使用中央控制器對所需要監(jiān)測的生命指標(biāo)傳感器進行控制來采集數(shù)據(jù)，通過無線通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設(shè)備，并由該基站裝置將數(shù)據(jù)傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，通過In2ternet網(wǎng)絡(luò)可以將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護中心，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計觀察，提供必要的咨詢服務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。

圖1中描述了該遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)中包括監(jiān)護基站設(shè)備以及一系列醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療傳感器節(jié)點。

在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器節(jié)點被用來測量各種人體生理指標(biāo)，比如體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等，傳感器還可以對某些醫(yī)療設(shè)備的狀況或者治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測。所獲得的數(shù)據(jù)信息通過無線通信的方式被傳輸?shù)结t(yī)療監(jiān)護基站設(shè)備上。我們將這類家庭基站或病房基站設(shè)計為手持型的設(shè)備，基站設(shè)備可以將收到的傳感器數(shù)據(jù)信息進行保存和處理并將數(shù)據(jù)顯示在該設(shè)備的LCD液晶顯示屏上，而且可以根據(jù)需要選擇采用多種方式進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸通信，比如通過和PC相連接的RS2232接口、通過GSM短消息或者通過modem接入遠(yuǎn)程以太網(wǎng)的方式接入遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，傳送到遠(yuǎn)程端的信息將由遠(yuǎn)程端的監(jiān)護中心或者醫(yī)院管理中心的專業(yè)醫(yī)療人員進行統(tǒng)計與分析，并及時對病人進行信息反饋、提出忠告和建議等。

醫(yī)療傳感器節(jié)點可以根據(jù)不同的需要而設(shè)置，因此該系統(tǒng)具有極大的靈活性和擴展性。同時，將該系統(tǒng)接入Internet網(wǎng)絡(luò)，可以形成更大的社區(qū)醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)乃至整個城市和全國的醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

監(jiān)護基站設(shè)備設(shè)計

圖3所示是本文設(shè)計的醫(yī)療監(jiān)護基站設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。本系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能是采集并顯示測試得到的數(shù)據(jù)信息，同時將數(shù)據(jù)信息進行適當(dāng)存儲和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，因此本系統(tǒng)中的監(jiān)護基站設(shè)備被設(shè)計成一種手持設(shè)備，同時監(jiān)護基站設(shè)備可以和系統(tǒng)中的多個傳感器節(jié)點進行通信以完成數(shù)據(jù)的采集和顯示等功能。在使用過程中，監(jiān)護基站設(shè)備通過無線信道向傳感器節(jié)點發(fā)送控制命令來啟動傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收到命令后進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集動作，采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，采集結(jié)束后通過無線通信的方式將數(shù)據(jù)返回到監(jiān)護基站，由監(jiān)護基站進行進一步的顯示、存儲等操作。必要時，監(jiān)護基站設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器端。

醫(yī)療監(jiān)護基站設(shè)備主要包括：處理器、存儲器、人機交互模塊、通信模塊接口等幾個部分。醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備的主處理器采用了TI公司的MSP430系列的低功耗處理器，該系列處理器具有超低功耗、處理速度高、接口豐富等特點，非常適合用于需要超低功耗以及高速的嵌入式設(shè)備。人機交互接口包括用戶輸入指令的鍵盤以及顯示數(shù)據(jù)結(jié)果和操作過程的LCD顯示屏兩個部分。

為了增強系統(tǒng)的適用性和兼容性，監(jiān)護基站設(shè)備上設(shè)計了多種通信模塊接口，其中包括RS-232接口、modem接口模塊、GSM短消息接口模塊和射頻接口模塊。其中射頻接口模塊用于和系統(tǒng)內(nèi)無線傳感器節(jié)點進行近距離通信，其他通信接口用于和主機服務(wù)器進行通信。例如，在家中沒有Internet網(wǎng)絡(luò)接入的情況下，用戶可以使用modem模塊接入電話線進行撥號，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端。在戶外沒有其他連接方式的情況下，用戶可以使用GSM短消息的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器端。當(dāng)處于醫(yī)院或者社區(qū)醫(yī)療中心的服務(wù)器端接收到監(jiān)護基站設(shè)備所發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息的時候，則可以對數(shù)據(jù)進行存儲以及必要的分析，醫(yī)生則可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的判斷和處理。對于在家中使用的醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備，用戶還可以根據(jù)需要，通過RS-232接口，將設(shè)備連接在家中的PC機上，這樣，就可以將監(jiān)護基站設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸至計算機中，進行更靈活的管理，家庭成員可以根據(jù)數(shù)據(jù)自己判斷被監(jiān)護人員的身體狀況，同時也可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞣?wù)器上，由專業(yè)醫(yī)療人員進行分析與管理。圖4所示為本工作開發(fā)的監(jiān)護基站設(shè)備的硬件照片。

監(jiān)護基站設(shè)備在正常工作狀態(tài)下使用電池進行供電，因此在設(shè)計過程中尤其注意了低功耗的管理與控制。在不工作的時刻，系統(tǒng)會進入低功耗以及休眠狀態(tài)來節(jié)省系統(tǒng)能量。

監(jiān)護傳感器節(jié)點設(shè)計

醫(yī)療無線傳感器節(jié)點主要功能為采集人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，或者對某些醫(yī)療設(shè)備的狀況或者治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測，并通過射頻通信的方式，將數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)護基站設(shè)備。如圖5所示，醫(yī)療傳感器節(jié)點主要包括4部分：處理器部分、數(shù)據(jù)存儲部分、傳感器模塊和RF射頻通信部分。處理器部分根據(jù)低功耗和處理能力的需要，采用了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(shù)據(jù)，在處理器將數(shù)據(jù)傳輸之后，傳感器節(jié)點內(nèi)不做數(shù)據(jù)的大量存儲。在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，醫(yī)療傳感器模塊主要實現(xiàn)了以下幾種功能，包括血氧、脈搏、血壓和血糖的測量等。其中，血氧和脈搏測量集成了上海貝瑞公司所生產(chǎn)的BCI血氧脈搏測量模塊;血壓測量集成了臺灣TaiDoc公司所生產(chǎn)的血壓測量模塊，血糖測量集成了TaiDoc公司所生產(chǎn)的血糖測量模塊。

圖6顯示了這3種模塊的硬件電路照片。其中，圖6（a）為血糖測量節(jié)點，圖6（b）為血壓測量節(jié)點，圖6（c）為血氧和脈搏測量節(jié)點。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，無線節(jié)點為傳感器擴展留出了豐富的接口，如果需要其它類型的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，如體溫、心電等數(shù)據(jù)，則只需要將相應(yīng)的傳感器接入預(yù)留的接口，就可以形成新的無線傳感器節(jié)點，開發(fā)相應(yīng)的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節(jié)點直接加入到該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。

無線通信設(shè)計

在醫(yī)院應(yīng)用的醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備對電磁輻射的要求都很高。對于設(shè)備來講，輻射的電磁波既不能夠干擾其他設(shè)備正常工作，同時也應(yīng)具有一定的抗干擾能力，不受其他設(shè)備輻射出的電磁波干擾。因此，在醫(yī)院或者使用無線通信的家庭醫(yī)療設(shè)備在設(shè)計中必須對此方面進行考慮。

在本系統(tǒng)中，所使用的射頻通信為全球公開的免費214GHz的ISM頻段，采用的通信標(biāo)準(zhǔn)為802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)專門針對近距離高速數(shù)據(jù)傳輸，具有較高的數(shù)據(jù)糾錯和抗干擾能力。并且，系統(tǒng)對無線信號的工作強度進行了控制，使得在正常狀態(tài)下，信號強度能夠滿足通信的需要而且不會有過多的浪費，一方面節(jié)省了系統(tǒng)的能量，另一方面也降低了無線通信過程對于其他設(shè)備的干擾。

本系統(tǒng)所設(shè)計的射頻通信裝置使用了以CC2420芯片為核心的射頻通信模塊。該芯片是美國Chipcon公司生產(chǎn)的，是一款低功耗無線收發(fā)芯片，尤其適合工作于低功耗、低電壓的無線通信設(shè)備中。該芯片工作在2.4GHz的免費ISM頻段，射頻收發(fā)符合IEEE802.15.4/Zigbee標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足本系統(tǒng)射頻通信的需要。

實驗驗證

本系統(tǒng)在綜合測試過程中取得了初步的結(jié)果，傳感器采集數(shù)據(jù)，通過無線信道將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)護基站設(shè)備;監(jiān)護基站設(shè)備將數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上，同時將數(shù)據(jù)通過RS2232接口傳輸?shù)接嬎銠C中;計算機根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)在軟件中將數(shù)據(jù)以曲線圖形的方式顯示出來。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)這些曲線和數(shù)據(jù)對被監(jiān)測者的健康狀況做出分析。如果在室外環(huán)境中，則可以使用GSM短消息的方式，將測量的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器進行管理和分析。圖7和圖8說明了對被監(jiān)測者的血氧狀況進行監(jiān)測并在監(jiān)護基站設(shè)備上以及在計算機上顯示數(shù)據(jù)的情況。

總結(jié)和展望

本文介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可擴展的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)。該系統(tǒng)在家庭或者醫(yī)院病房的環(huán)境中建立一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點采集人體生理指標(biāo)信息，或者動態(tài)監(jiān)測醫(yī)療儀器運行以及治療的過程，并且將信息傳輸?shù)奖O(jiān)護基站設(shè)備和服務(wù)器計算機。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過監(jiān)護基站設(shè)備以不同的方式連接到該遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。系統(tǒng)具有高度的靈活性和可擴展性，可以廣泛應(yīng)用于社區(qū)的遠(yuǎn)程醫(yī)療和醫(yī)院病房監(jiān)護的環(huán)境中。通過Internet網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建遠(yuǎn)程醫(yī)療信息網(wǎng)，不僅有利于發(fā)達地區(qū)的病人獲得保健服務(wù)，也有利于貧困地區(qū)的病人獲得必要的醫(yī)療服務(wù)。在未來的工作中，將進一步開發(fā)該系統(tǒng)的軟件和硬件，以提高穩(wěn)定性和實用性，同時也將根據(jù)特殊的需要定制開發(fā)上層管理軟件以及完善醫(yī)療監(jiān)護管理平臺軟件。

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