无线传感网络在医疗领域的应用

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作者：Joshua_yi

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摘要

无线传感器网络 (wireless Sensor Networks, WSN) 是由大量的密集部署在监控区域的智能传感器节点构成的一种网络应用系统。无线传感器网络如今已经广泛的应用到实际的生产生活中。本文将对无线传感网络在医疗中的应用情况和存在的问题进行分析，并对基于无线传感网络的穿戴式医疗系统进行比较详细的分析。

关键词: 无线传感网络，医疗，穿戴式医疗系统

一、引言

（一）WSN

无线传感网络主要由传感器节点、汇集节点(Sink)、网关/基站和监控中心(软件)/管理节点组成，其中以传感器节点为核心单元。无线传感器网络具有功耗低、结构灵活、数据安全性高等优点，在农业生产、生态监测、工业、智能交通等领域已经得到了广泛应用。

无线传感器网络在医疗领域主要用于构建基于无线传感器网络的医疗监护系统。该系统主要由医疗设备节点、个人医疗终端、病房监护系统、院级信息平台以及医疗云平台几部分组成。

系统的应用场景主要包括医院和家庭。在医院场景中，医疗无线传感器系统分为院级信息平台和病房监护系统两个层级(在必要时也可根据需要增加中间层级)。在病房监护系统中，医疗设备节点采集人体生理参数，对采集到参数进行预处理后，通过Zigbee通信直接或者间接逐跳方式把数据传输到病房监护系统基站上。多个这样的网络之间通过无线局域网(WLAN)进行通信，可以组成覆盖整个医院的监护网络。院级信息平台对数据进行进一步和分析后转发给医生处理，及时对病人进行信息反馈，并对诊疗处理情况进行备案。在家庭场景中，专用的个人医疗终端采集患者生理信息并作出反馈。与基于4G、5G技术的医疗云平台结合，还可以扩大至更大范围的远程医疗监护系统，与其它监护中心共享信息。

目前有多种主流无线通信协议，这些传输协议都有各自的优势和特点，但就总体而言，目前应用范围最广、开发成熟度最高的是ZigBee协议。

ZigBee协议最大的优势在于功耗很低，因此传感节点可以采用电池供电，而保证足够的工作时长。虽然有传输距离短、传输速率的缺陷，但在医疗环境(如病房)内使用可以满足传输距离需要，同时医疗设备数据传输量有限，对传输速率要求不高，ZigBee协议完全可以满足要求。

二、医疗领域无线传感器网络类型

医疗领域中常见的无线传感器网络包括可穿 戴式无线传感网络、植入式无线传感网络、体外无线传感网络、吞咽药丸型无线传感网络及纳米无线 生理传感网络等。

可穿戴式无线传感器网络是近年医疗领域的 研究热点，目前已经开发了多种实验及商用的装 置，为慢性疾病患者、老龄人、术后康复患者和残疾 人的健康监测和管理提供了新的手段。可穿戴式无 线传感器网络通过无线或者有线方式将穿戴于人 体的多种传感器，如生理传感器(心电、脉搏、呼吸、 体温等)、环境传感器(温度、湿度 、光强度等)和位 置传感器 1连接到一个中央节点，如个人数据助手 PDA、微控制器电路板或手机等。中央节点将采集 的数据显示在用户界面上，或者将重要数据发送到 中央控制室进行监控。采用传统的有线方式连接传 感器与中央节点会使用户感觉不适和不便，一些可 穿戴无线传感器网络将传感器集成在采用微型导 电丝针织技术制成的衣服上，导电丝可以充当连接 线，这种衣服不仅使用户感觉穿戴舒适 ，而且只需 要一个供电系统为所有传感器供电，便于能量管 理问；如果使用无线方式连接传感器和中央节点，可 形成人体网或者体域 网 (wireless body networks， WBN)，该网络能够自动组网，抗毁性强，并且系统 容易实现。无线体域网技术是当前的一个热点，它 以人体为中心，把相关的网络元素，如个人终端，分布在人身体上、衣物上、周围一定范围(如 2m内) 和体内的传感器等组成通信网络，对人体的各种状况进行监控，在医疗领域有着广泛的应用前景。

植入式无线传感器网络由植人人体的各类生 物医学传感器组成 ，能检测人体内部的生理、代谢情况。由于数据来源于在体内的直接测量，所以 能帮助医生更准确、细致地掌握患者的情况。例如 可测量糖尿病患者的血糖浓度、血压等生理参数； 监测移植器官周围氧气、二氧化碳和甲烷等气体浓 度的变化，判断移植器官的生长情况；测量血流变 化(癌细胞渗出的一氧化碳会影响肿瘤附近的血 流)，预测肿瘤细胞的癌变几率，这对具有家族癌症 史的患者和正在进行癌症治疗的患者很有帮助。

体外无线传感器网络在用户的生活环境(如居 所房间)安装多个传感器节点，采集监护对象的各 种信息，根据多信息融合实时分析、判断监护对象 的行为活动(如做饭、睡觉、看电视、淋浴等)，从而 对监护对象的健康状况及疾病情况(如老年痴呆症 等)进行精确检测。

吞咽药丸型无线传感器网络节点形似药丸，由 胶囊包裹，里面有电池、传感器和无线收发模块。患 者服用后能够在药丸经过食道 、胃和小肠时检测 酶、核酸、肠道酸碱度、肠道收缩力和消化道图像等 信息。纳米无线生理传感器网络采用纳米材料制 成，能够穿透血管进行生理参数监测，将成为无线 传感器网络未来发展的一个方向。

三、无线传感网络在医疗领域的应用

（一）医疗监护

目前，除成本极高的重症监护病房外，其它住 院患者的生命特征(如体温、血压、心跳等)参数均 由医务人员定时进行人工采集和汇总，不仅医务人 员的工作量大，医疗成本高，重要的是无法及时监 测到一些关键的生命体征变化，导致最佳治疗时机 延误，甚至危及患者生命。采用无线传感器网络可 以改变这种模式：在患者身上安置无线传感器网络 节点，采集患者生命体征参数及各类环境信息并汇 总到中央节点；再由中央节点通过 WLAN、GSM、 GPRS、UMTS和 WiMAX等通信方式传输至中央控 制室，使医生在中央控制室(医生办公室、护士站 等)实时远程监护患者。在大规模传染性疾病， 如SARS、禽流感和甲型 H1N1流感等爆发时，无线 传感器网络可以帮助医务人员在无接触状态下监 测患者生命体征参数，减少被感染的机会。无线 传感器网络还可以探测患者所在区域的温度、湿 度、氧含量、噪音水平等环境信息，确定该区域环境 是否适合患者居住或活动。在家居环境下，通过无线传感器网络可以长时间监测慢性疾病患者或老 龄人在准自然状态下的生理参数 、行为动作及环境 参数，为医生诊断、分析病因，追踪病情发展提供重 要依据。

（二）医院内患者和医生定位跟踪

线传感器网络具备定位功能，可以在医院内 对患者进行跟踪定位，减少患者失踪率(如老年痴 呆症患者、精神失常患者等)。医护人员携带无线传 感器网络节点，在发生紧急情况时就能利用定位功 能快速找到他们；在移动医疗设备上安装可以定位的无线传感器网络节点，就能实时追踪医疗设备的去向，提高设备的使用效率 ，有利于提高医院的设备管理水平。如果将微型无线传感器节点附着于 药品上，可以通过无线传感器网络实时追踪药品流 向，降低开错医嘱或处方的几率；还可以帮助患者 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。

（三）伤残救助

这类应用主要借助植入式无线传感器网络来 补偿某些器官丧失的功能，其工作原理是将植入式 传感器节点检测到的信息转化、反馈给人体，以弥补某些器官的功能缺限。例如美国 Wayne State University的 SSIM (smart sensor and integrated mi— crosystems)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。其方法是将包含 100个微型传 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。

（四）紧急救援

这类应用综合了无线传感器网络监测和定位 的功能，用于某些紧急或危险情况。如火灾、雪崩、 地震时，救援人员经常由于无法进入灾区探明被困 人员的准确位置及灾区情况，导致无法展开救援工 作。如果被困人员携带无线传感器网络节点，就可 以通过网络定位被困人员所在位置，并引导救援人 员和医疗人员进行及时救援；携带节点的救援人员 也可以获得自己和队友的位置信息『J81，保证救援工 作的顺利进行。节点还可以采集被困人员的信息， 如心率、呼吸、脉搏等，通过无线传感器网络传送给 救援中心，使救援中心了解被困人员的身体状况， 一方面可以指导现场急救，另一方面可以提前制定 被困人员到达医院后的治疗计划。这类应用中，可 以在灾情容易发生的地区安置多个无线传感器网络节点 ，或者在灾情发生后通过飞机向灾区投放大量的无线传感器网络节点。

（五）生物监测

通过无线传感器网络节点测量环境状况和其 它生物信息，以确定是否存在威胁人类的紧急情况 或致命疾病。例如：采集室内温度和光强信息，判断 是否发生了火灾；通过空气样品分析，检测是否存 在威胁人类健康的生物武器；在野外散布大量传感器节点可收集当地的雨量、土壤湿度等信息，预测可能会产生的危险疾病。

无线传感器网络是一种新的集多种技术于一 体的信息收集和处理技术。其应用于医疗领域，符 合我国医疗模式从治疗模式到预防模式转变的需 求，可改善传统医疗监护方式，提高人们生活质量， 但无线传感器网络在医疗领域也面lJ缶着功耗、安 全、可靠性等方面的挑战。随着科技的发展，各种先 进技术融入无线传感器网络，使其逐步完善，并向 更加多功能、人性化和智能化发展。展望未来，无线 传感器网络将无处不在，完全融人人们的日常生活。

四、无线传感网络在医疗应用中面临的问题

（一）能耗问题

由于传感器节点需要频繁移动，不宜采用有源设计，尽管Zigbee协议在功耗方面有着明显的优势，但考虑到医疗设备的重量、体积限制，单个医疗传感器设备节点所能存储的电量是有限的，而无线传感器节点能量一旦耗尽，对整个网络的性能会产生很大的影响，严重时甚至会造成整个医疗监护系统的功能瘫痪，进而威胁患者的生命安全。因此，尽可能降低系统的能耗，优化网络的能量均衡问题时无线传感网络应用的一个关键问题。

针对这一问题，周又玲等对基于LEACH协议的WSN进行了能耗计算与分析，对簇头数目与网络能耗的关系进行了研究。吴春春设计了一种基于能耗均衡路由算法(EOMCR)，降低了数据传输中的能量损耗。杨银堂等提出了一种基于最小生成树(MST)的改进分簇多跳路由算法，改善路由选择对能耗的影响。该算法在开销容忍前提下有较好的性能，但对节点分布拓扑对路由和分簇的影响未做进一步研究。宋子超等基于能耗和剩余能量的符合权值Dijkstra算法，提出了一种全局均衡策略的路由算法(GBSR)，优化了网络的能量均衡问题。张健提出了一种改进的能耗多跳路由算法，根据节点自身能源消耗的大小和位置信息进行动态调整以实现网络负载均衡，适合节点位置固定的网络。

目前应用的方法主要针对剩余能量监测，通过算法对能量负载进行优化，从实验结果看，虽然在具体的网络中能在一定程度上延长网络的生存周期，但并没有从本质上解决系统能耗的问题。同时，各种算法针对具体网络进行设计，泛化能力有限，在进行设计时还需要针对具体问题进行分析。随着无线馈电技术的日趋成熟，将该技术应用于无线传感网络，对于解决能耗问题将具有重要的意义。

（二）安全性问题

安全性问题是影响医疗无线传感系统应用的关键性因素。医学领域的数据具有敏感性，患者的生理信息在传输过程中必须保证不出现丢失或更改，否则有可能影响医生的判断而造成误诊。

目前关于WSN路由协议安全性的研究很多，大多数都是在原有的经典协议上加入安全机制进行改进。秘钥管理是WSN安全管理研究中最基本的内容之一。邓淑华对安全通信的要求和设计原则进行了分析，分别分析了不同类型的秘钥在WSN环境下的秘钥管理方案。侯媛元等通过在簇的行程阶段加入了节点身份认证和链路的双向验证，提出了一种解决LEACH安全问题的方案。禹谢华提出了一种WSN安全评估体系，并使用该体系对基于分簇策略的异构无线传感器网络安全密钥管理方案进行了评估，为WSN在医疗领域应用中的安全性评估提供了理论基础。

目前应用的方法主要是在原有协议上加入安全机制实现的，不同的安全机制对不同网络协议的适应性各有不同，如何具有针对性地选择适用于WSN的安全机制，或者在其他成熟协议基础上进行安全机制的改进和完善，满足医疗环境对通信安全性的要求，是未来医疗无线传感网络研究的一个主要方向。

五、穿戴式系统

下面从医疗领域中的穿戴式系统角度进行较为详细的分析

（一）穿戴式系统研究进展

基于WSN的穿戴式系统，是指基于无线传感器网络 (Wireless Sensor Nerwork，WSN)构建的，具有无创连续检 测人体生理信息和无线数据传输功能的穿戴式多参数生理 信息检测系统。该系统利用正在发展中的各项生理信息 检测方法，以无线传感器网络技术实现组网和传输数据 ： 传感器子节点负责采集监测对象的心电图、血压、呼吸、血氧饱和度、人体姿态等生理信息，并将采集到的数据经 过放大 、滤波 、压缩等处理 ，以统一无线传输协议将这些 数据传输到主节点 ；主节点负责协调各子节点的同步T作， 同时将数据传输到 PC机上进行处理、显示，或者将数据 通过 GPRS、CDMA等无线网络传输到专家系统实现远程医 疗会诊。

（二）穿戴式系统的总体结构

以无线传感器网络技术构建的穿戴式系统的总体结构 可归纳为以下3个部分 ：

1、传感器子节点

执行多参数检测任务的各传感器模块，主要有心电、呼吸、人体姿态、血压和血氧模块等。传感器子节点是在 主节点的控制下采集人体生理信号，完成信号滤波放大等 处理 ，并以无线传输方式将数据发送给主节点。

2、主节点

也叫汇聚节点 (sink node)或者网关节点，是一个具 有无线收发功能的基站，可以是 PC、PDA、手机或其他与 高数据率设备通信的网关。主节点可以向区域内的传感器 子节点发送数据采集命令，并负责接收和处理各传感器节 点传送来的数据，同时，主节点还能与Internet连接，实 现远程医疗诊断 ；或者与GPRS、CDMA等无线网络连接， 实现远程数据传输。

3、专家系统

专家系统可以是PC或者远程监护中心。专家系统的功 能是接收主节点发送的反映监护对象生理状态的数据，并 且实时显示、处理、保存这些数据。然后专家根据掌握的 信息做出会诊并给出处理意见，如预警、救援等。

（三）穿戴式生理信息检测技术

穿戴式技术的产生源于航空、军事、医疗、危险作业 等领域的需求，利用穿戴式系统实时掌握监护对象的生理 状态，对保障监护对象的生命安全具有积极作用。常见的 穿戴式系统检测的生理参数包括心电图、呼吸、人体姿态、 血压、血氧饱和度等。

1、无线心电检测技术

在穿戴式医疗仪器的发展中，心电监护仪是发展最早 应用最广的设备。现在临床上应用的心电监护设备都是有 线连接，对患者和医护人员来说都不方便。随着研究的深入， 用织物电极取代传统的Ag—AgCl电极，用无线技术取代导 线进行数据传输，再结合高集成度和低功耗的传感器设计， 能够实现心电的无创连续监测和信号的无线传输。

Ag—AgCl电极是心电监护仪采集人体心电信号使用最普遍的电 极，技术成熟，可靠性较高。但是 Ag—AgCl电极对人体皮肤有刺激作用，长时间粘贴，可能使局部皮肤产生过敏症 状，而且这类电极必须贴身使用，妨碍监测对象的正常活 动。目前在研究中的织物电极 (textile electrode)是粘贴式 电极的良好代替品。织物电极的本质是一块导电纺织面 料，其制作方式主要有 3种 ：第一种是将具有传导性的金 属纤维和棉纱线交织组成 ；第二种是在普通纺织面料上用 贵金属溶液 (如银、铜等 )浸镀固化形成一层导电层； 第三种是基于具有电传导特性的有机材料开发，如电活性 聚合物 (electroactive polymer，EAP)。织物电极可以自然 缝合在衣服上，对监测对象不会造成行动上的不便和心理 上的负担。

Bluetooth／Zi ee是常见的用于心电数据传输的无线技 术，它们都是属于IEEE 802．15家族，工作于ISM频段。 论文将在后面的无线网络技术部分详细比较这两种无线协 议的技术指标差异。

2、呼吸检测技术

在众多呼吸检测技术中，考虑到穿戴式系统的低功耗 及长期监测的需求，电阻抗法和感应体积描记法是较优的 选择。

电阻抗法的检测原理源自Nyboer提出的阻抗容积理论： 电阻抗的变化与容积的变化成正比。利用这一理论，现在 利用电阻抗法测呼吸频率已经应用相当广泛。阻抗法检测 呼吸信号虽然具有无创、简单、廉价等优点，但却容易受 到人体心电和肌电等运动信号的干扰，从而使检测的准确 性受到影响。比起电阻抗法，呼吸感应体积描记技术能 够准确地描记胸、腹呼吸运动，测得吸／呼比时间参数、 潮气量、胸腹呼吸贡献比等容积参数，并且其信号的抗运 动干扰能力强、使用方便、无需粘贴电极，只是需要增加 更多的电路元件。张政波等应用感应体积描记法设计出 的呼吸测量系统就是一个典型的设计，见下图。

3、人体姿态检测

目前，一个完整的人体姿态检测模块通常由以下3个 重要的芯片集成一些必要的外围电路组成 ：三维加速度计、 A／D转换单片机和无线收发芯片。三维加速度计，如飞思 卡尔公司的MMA7260QT，能准确测量人体 X、Y、Z三维度 的移动、倾斜；下图为加速度传感器检测运动信号的物 理模型。当前开发出来的加速度传感器芯片和模数转换单 片机能满足穿戴式系统低功耗、高灵敏度、小体积等要求， 为人体姿态研究提供良好的硬件基础JI Ll 因此，将人体姿 态检测列入到穿戴式系统中，及时掌握监护对象是否出现 意外或者疾病引起的跌倒，在对老年人、不能自理的病人 等的及时救助中具有积极作用。

4、血压检测

光电容积描记法和振动法是穿戴式系统检测血压的常 见技术。光电容积描记法是用波长 660nm或940nm的光源 照射指端／桡动脉，并将光敏元件接收到的被血流吸收后 的光信号转化为电信号，通过一系列公式计算可以间接得 到血压值 示波法中收缩压和舒张压的判别是基于统计 学规律制定的，虽然具有干扰小、重复性好等优点，但是 从穿戴式的角度来看，难以实现连续监测。

截止目前开发出来的穿戴式系统中，除了香港中文大 学的 “保健衫”(Health Shirt，h-shirt)外，暂未见报道能实现血压连续检测的。“保健衫”使用的方法是连续测量手 指PPG(Photo Plethysmo Graphy，PPG)信号和ECG信号， 由PPG信号得到P (PulseTransitTime，PPr)值，然后 结合每个心动周期特征点之间的关系来估算血压。

5、血氧饱和度检测

采用朗伯 一比尔定律和光散射理论为基础的脉搏血氧饱 和度检测技术已经不再是难题，脉搏血氧计正处于普及应用 阶段。

（四）穿戴式系统面临的技术难题

1、传感器技术

虽然穿戴式系统研究已经有较长时间，各生理参数检 测都有了相应的技术支持，但是目前的研究成果距离期望 值还有一定差距，各项检测技术都还有继续发展的空间。 其中，传感器技术在穿戴式系统中占有举足轻重的地位。 除了本身结构设计的进步，传感器模块的功耗低、体积小、 质量轻等问题依然需要相关行业的发展来解决，如微电子 技术、材料科学等。

2、传感器技术

虽然穿戴式系统研究已经有较长时间，各生理参数检 测都有了相应的技术支持，但是目前的研究成果距离期望 值还有一定差距，各项检测技术都还有继续发展的空间。 其中，传感器技术在穿戴式系统中占有举足轻重的地位。 除了本身结构设计的进步，传感器模块的功耗低、体积小、 质量轻等问题依然需要相关行业的发展来解决，如微电子 技术、材料科学等。

3、无线网络技术

使用穿戴式系统实现监护对象的远程医疗或者移动监 护，无线网络技术是必然的选择。通过有线连接方式传输 穿戴式系统检测到的生理信号，不但限制了监护对象的活 动，而且使穿戴式系统便携性、低功耗、低负荷的特点变 得毫无意义。在特定环境下，如航天、医疗、救援、科考等， 无线网络技术能将穿戴式系统的功能最大化。当前，已经 有多个研究机构和医疗器械公司将蓝牙或者紫蜂技术应用 到心电图、呼吸、脉搏波等生理参数的测量仪器中下表列出了几种主要无线传输技术的技术参数比较，从表巾 我们可以看出蓝牙和紫蜂技术在穿戴式系统中应用的技术 优势 ：低功耗、低成本、理想的传输距离等。

（五）电子织物载体

当前，各研究机构或组织所开发出的穿戴式系统原型 大抵是T恤、背心、胸带、腕表、戒指等，如香港中文大 学的基于电子织物的 “保健衫”，美国佐治亚理工学院的智 慧衫(Smart Shirt)，美国VivoMetrics公司开发的生命衫(Life, Shirt)，美国Medwave公司开发的Vasotrac的腕表式血压测 量仪，以及现在市场上出现的手表式血氧计等等。利用现 代纺织技术来实现穿戴式系统的结构设计主要包括以下3个方面。第一，将传感器母板和导电线缝合到织物上，要 求母板具有体积小、质量轻等特点，这是穿戴式产品最初 的设计模式。第二，将具有电传导性的金属纤维和棉纱线 交织组合，使织物本身因含有金属纤维而具有导电性。采 用这种方式得到的材料可用于制作信号采集的电极、信号 传输的导线等。第三是利用有机材料开发传感器、电极 和导线等组件，这是制作理想穿戴式系统的最佳选择，相 关研究已在国内外进行中。

（六）低负荷移动监护

实现低负荷移动监护是穿戴式系统的重要目标。当前 应用中的穿戴式系统还主要局限于小范围的移动监测，对 病人的活动有很大影响。这主要有2个方面的原因，其一 是生理信号检测技术不成熟。人体生理信号属于微弱信号， 检测中来 自于人体其他器官的干扰很大，特别是在移动条 件下，干扰信号往往比目标信号更明显。因此，信号检测 和处理技术还有待继续发展。其二是传感器和无线网络 技术的低功耗问题。要实现病人长时间的家庭监护或移动 监护，使用无线网络进行数据传输是必然的选择。但是当 前传感器和无线网络技术的低功耗还没有达到理想状态， 除了开发出具有小体积、高能量的电池外，需要继续推进 传感器技术的进步和无线网络技术的发展。

六、总结

随着无线传感网络技术的进步，该项技术已经逐步被应用于实际医疗事业中。虽然在能耗、安全性等方面尚有一些关键问题有待解决，但其在医疗设备中的潜力是巨大的。

参考文献

• 无线传感器网络在医疗领域中的应用分析 李盟，葛云涛, 2019

• 无线传感器网络在医疗领域的应用 刘灵芝, 诸强，2010

• 基于wSN穿戴式系统的研究现状与展望 王子洪, 2012