Wireless Sensor Network ist eine aufstrebende Technologie, die eine Vielzahl von Technologien aus Sensortechnologie, Embedded Computing, modernen Netzwerken und drahtlosen Kommunikationstechnologien, verteilten Informationsverarbeitungstechnologien und anderen Bereichen kombiniert.

Mit der Entwicklung der Technologie wird das Wireless Sensor Network (WSN) weitreichende Auswirkungen auf viele Aspekte der medizinischen Praxis haben. Dieser Artikel behandelt hauptsächlich die Architektur von medizinischen Überwachungssystemen mit drahtlosen Sensornetzwerken sowie die allgemeinen Prinzipien für das Design von Überwachungsknoten.

Architektur drahtloser Sensornetzwerke

Eine große Anzahl von Sensorknoten innerhalb des Überwachungsbereichs, die sich selbst organisieren und die Datenweiterleitung mittels drahtloser Kommunikationstechnologie durchführen. Jeder Knoten hat die Doppelfunktion der Datenerfassung und der Datenfusion-Weiterleitung. Der Knoten verarbeitet die von ihm selbst erfassten Informationen und die von anderen Knoten an ihn weitergeleiteten Informationen vorläufig und verschmelzt sie anschließend in Form eines Relays an benachbarte Knoten an die Basisstation, die dann über die Basisstation über das Internet, den Satelliten usw. an den Endbenutzer übertragen wird.

Der Knoten ist die grundlegende Funktionseinheit des drahtlosen Sensornetzwerks, die spezifischen Anwendungen sind unterschiedlich und das Design des Knotens ist unterschiedlich. Die grundlegenden Komponenten der Sensorknoten sind: Sensoreinheit, Verarbeitungseinheit, Kommunikationseinheit und Stromteil. Zusätzlich können je nach Anwendungsanforderungen Funktionseinheiten wie Positionssysteme, Mobilitätssysteme und Stromversorgungssysteme hinzugefügt werden.

Drahtlose Sensornetzwerke in der Medizin

Drahtlose Sensornetzwerke nutzen ihre eigenen Vorteile (wie niedrige Kosten, einfache, schnelle, nicht-invasive Erfassung verschiedener physiologischer Parameter von Patienten usw.), so dass es ein großes Entwicklungspotenzial in den Bereichen der medizinischen Forschung, der Krankenhausammlung oder der häuslichen täglichen Betreuung hat.

Mikrosensorknoten für die Erkennung menschlicher Parameter am Patienten platziert werden, können die physiologischen Parameter wie Herzfrequenz, Blutdruck, Herzkraft, Herztonalität und andere physiologische Parameter des Patienten in Echtzeit aus der Ferne überwachen und Informationen an das Aufsichtszentrum übermitteln, um rechtzeitige Verarbeitung und Feedback zu ermöglichen; Die Verwendung von WSN, um langfristig menschliche physiologische Daten zu sammeln, ist sowohl hilfreich für das Verständnis des menschlichen Gesundheitszustandes als auch für die Untersuchung menschlicher Krankheiten. Darüber hinaus gibt es viele Anwendungen in der Drogenverwaltung und der Entwicklung neuer Medikamente, Blutmanagement und anderen Aspekten. Zusammenfassend bieten drahtlose Sensornetzwerke eine einfachere und kostengünstigere Implementierung für zukünftige Telemedizinische Überwachungssysteme.

Medizinische Architektur basierend auf drahtlosen Sensornetzwerken

Ein medizinisches Überwachungssystem, das auf drahtlosen Sensornetzwerken basiert, besteht hauptsächlich aus Teilen wie medizinischen Sensorknoten, medizinischen Überwachungsbasisstationen (Medizinische SINK-Knoten) und Gemeinde-/Krankenhausüberwachungszentren.

Medizinische Sensorknoten und Aufsichtsbasenstationen bilden drahtlose Sensornetzwerke für Einzelpersonen, Familien oder Kliniken, von denen mehrere eine Gemeinde oder ein gesamtes Krankenhausüberwachungsnetzwerk bilden können oder sogar ein größeres Telemedizinisches Überwachungssystem. Zunächst erfassen medizinische Sensorknoten physiologische Parameter des menschlichen Körpers und übertragen die Daten direkt oder indirekt auf die Basisstation durch drahtlose Kommunikation nach der einfachen Verarbeitung der erfassten Parameter. Nach der Weiterverarbeitung der Daten durch die Aufsichtsbasis werden sie an das Aufsichtszentrum weitergeleitet, das das Aufsichtszentrum für die Analyseverarbeitung und die rechtzeitige Rückmeldung der Informationen an den Patienten durchführt. Überwachungszentren können auch auf verschiedene Weise (Internet, Mobilfunknetze usw.) Datenübertragungen aus der Ferne durchführen und Informationen mit anderen Überwachungszentren austauschen.

Design medizinischer Sensorknoten

Die Grundstruktur des medizinischen Sensorknotens umfasst die Verarbeitungsmodule, das Sensormodul und das drahtlose Transceiver-Modul sowie das Stromversorgungsmodul.

Das Sensormodul dient zur Wahrnehmung, Erfassung und Umwandlung externer Sensorsignale. Es ist ein Modul, das den gesamten Knoten wirklich mit der externen Signalmenge in Kontakt bringt. Medizinische Sensoren werden jedoch mit lebenden Körpern gemessen. Insbesondere der menschliche Körper ist ein komplexes System der Welt, das eine hohe Korrelation zwischen den physiologischen Variablen hat und nicht leicht zugänglich ist. Daher müssen medizinische Sensoren aus einer Vielzahl von Phänomenen prognostizierte physiologische Mengen entnehmen, um zuverlässige und sinnvolle Messdaten zu erzielen und gleichzeitig die Sicherheit der Testobjekte zu gewährleisten.

Da die menschlichen Parameter hauptsächlich schwache Signale sind, haben sie in der Regel nur ein paar mV oder sogar weniger, und es gibt eine Vielzahl von Rauschen (Messgeräusche in der Umgebung, Reibungsgeräusche zwischen dem Gerät und dem menschlichen Körper sowie das Rauschen des Geräts selbst usw.), Arbeitsfrequenzstörungen (durch das Vorhandensein eines elektromagnetischen Feldes von 50 Hz um die Messumgebung verursacht) und verschiedene Nachteile wie Geräusche. Daher wird in spezifischen medizinischen Sensorknoten-Designs ein analoges Schaltungsverarbeitungsmodul hinzugefügt, das in der Regel die folgenden Teile umfasst: Verstärkungsschaltungen, Filterschaltungen, Trappschaltungen und Modul-Nummer-Konvertierungsschaltungen (A / D). Die Verstärkungsschaltung im Knotendesign verwendet in der Regel mehrstufige Verstärkung (Stufe drei oder vier), und die Verstärkungsschaltung der Endstufe hat neben der Verstärkungsfunktion in der Regel auch eine Funktion zur Steigerung des Niveaus; Filterkreis: sollte die Anforderungen an die einfache Schaltung, vernünftige Abschnittsfrequenz, flexible und bequeme Einstellung der hohen und niedrigen Durchgangs-Abschnittsfrequenz und andere erfüllen, vernünftige Filter von hohen und niedrigen Störungen im Signal; Fallschaltung: derzeit weit verbreitet symmetrische Doppel-T-Widerstands-aktive Fallfänger oder mit integrierten Schaltkondensatoren und asymmetrischen Widerstands-Netzwerk-Fallfänger. Zusammenfassend verarbeitet das analoge Schaltungsverarbeitungsmodul hauptsächlich das erfasste Signal durch Verstärkung, Filterung, Fallwellenbehandlung und andere, um Geräusche und Störungen im Signal zu entfernen und nützliche Signale zu extrahieren.

Das Prozessormodul ist der Kern des Sensorknotens und ist für die Gerätesteuerung, Aufgabenzuweisung und -planung, Datenintegration und -übertragung des gesamten Knotens verantwortlich. Derzeit werden in den Prozessormodulen die AVR-Serie von Atmel, der MSP430-Ultra-Low-Power-Prozessor von TI, die Prozessoren von Motorola und Renesas sowie die ARM-Chips als 32-Bit-Embedded-Prozessor am häufigsten verwendet. Im Knotendesign muss programmiert werden, um die Aufnahmesteuerung des Prozessormoduls über das Sensormodul, die Implementierung der A/D-Konvertierung und die Steuerung des Empfangs und Empfangs des drahtlosen Kommunikationsmoduls zu realisieren.

Das drahtlose Transceiver-Modul dient der Datenkommunikation zwischen Knoten. Die am häufigsten verwendeten drahtlosen Transceiver-Module sind die CCl000, CC2420 und CC2430 von Chipcon. Die häufig verwendeten drahtlosen Kommunikationstechnologien sind: IEEE 802.1lb, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth, UWB, RFID, IrDA (Infrarot) usw. Überwachungssysteme verwenden meist IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth, um die Datenkommunikation zwischen Knoten und Basisstationen zu ermöglichen.

Das Netzmodul versorgt den Knoten mit Energie und ist das Grundmodul für den gesamten drahtlosen Sensorknoten. Aufgrund des Knotenvolumens ist die Energie des Sensorknotens jedoch sehr begrenzt. Daher ist im gesamten Knotendesign eine Reihe von effektiven Maßnahmen zur Energieeinsparung mit niedrigem Stromverbrauch und hoher Genauigkeit als Hauptanforderung erforderlich. Außerdem können medizinische Sensorknoten die Batterien nicht häufig austauschen, was das normale Leben der Menschen beeinflusst. Daher sollten entworfene medizinische Knoten einen längeren Lebenszyklus haben.

Herausforderungen bei medizinischen drahtlosen Sensornetzwerküberwachungssystemen

Trotz der Vorteile drahtloser Sensornetzwerke beim Aufbau von medizinischen Überwachungssystemen stehen die folgenden Herausforderungen für die Anwendung in der Praxis:

Mobilitätsmanagement von Knoten in dynamischen Gruppenetzwerken und großen Netzwerken: Wenn das Überwachungssystem auf Gemeinden, Städte oder sogar das ganze Land ausgedehnt wird, ist das Netzwerk groß und sowohl die Überwachungsknoten als auch die Basisstationen mobile. Daher muss eine geeignete Netzwerktopologie-Management-Struktur und eine Methode des Knotenmobilitätsmanagements entwickelt werden.

Datenintegrität und Datenkomprimierung: Der Knoten benötigt manchmal bis zu 24 Stunden zur Überwachung der menschlichen Parameter, der Knoten erfasst eine große Menge an Daten, während der Knoten eine kleine Speicherkapazität haben und oft Komprimierungsalgorithmen verwenden, um die Speicherung und Übertragung von Daten zu reduzieren. Allerdings sind die Kosten für die Komprimierung von herkömmlichen Daten zu hoch, um für Sensorknoten geeignet zu sein. Darüber hinaus kann der Komprimierungsalgorithmus die Rohdaten nicht beschädigen, sonst kann es zu einer falschen Diagnose des Patienten führen.

Datensicherheit: Die Knoten des drahtlosen Sensornetzwerks werden sich selbst organisiert und sind anfällig für Angriffe. Darüber hinaus müssen Patienteninformationen vertraulich gehalten werden. Allerdings ist die Rechenleistung der Sensorknoten ziemlich begrenzt und herkömmliche Sicherheits- und Verschlüsselungstechniken funktionieren nicht. Daher muss ein Verschlüsselungsalgorithmus entworfen werden, der für den Sensorknoten geeignet ist.