遠程醫療主要應用在臨床會(huì )診、檢查、診斷、監護、指導治療、醫學(xué)研究、交流、醫學(xué)教育和手術(shù)觀(guān)摩等方面。遠程醫療監護系統作為遠程醫療系統中的一部分，是將采集的被監護者的生理參數與視頻、音頻以及影像等資料通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)傳送到社區監護中心，用于動(dòng)態(tài)跟蹤病態(tài)發(fā)展，以保障及時(shí)診斷、治療。

醫療監護儀器目前可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是指在醫院內由職業(yè)醫生或專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員使用的專(zhuān)門(mén)儀器，對病人進(jìn)行生理指標的監護;另一類(lèi)是在普通人員的家庭內或者戶(hù)外，在醫生的指導下，由患者本人或其家屬使用遠程醫療監護系統對其進(jìn)行監護，所得生理指標將及時(shí)傳送給相關(guān)醫生。目前，醫院所使用的監護系統，大多是建立在線(xiàn)纜連接的基礎上，往往體積和功耗大，不便于攜帶，且要求在患者身邊使用，限制了患者和醫護人員的行動(dòng)，增加了他們的負擔和風(fēng)險，越來(lái)越不適應當今實(shí)時(shí)、連續、長(cháng)時(shí)間地監測患者重要生命特征參數的醫療監護需求。為了使經(jīng)常需要測量生理指標的人員(比如慢性病人或者老年患者等)能夠在家中在隨意運動(dòng)的狀態(tài)下測量某些常規指標，人們對遠程醫療的關(guān)注度越來(lái)越強。

近年來(lái)，隨著(zhù)生物醫學(xué)傳感器的小型化、信息處理及無(wú)線(xiàn)數據傳輸技術(shù)的快速發(fā)展和普及，無(wú)線(xiàn)醫療監護系統的研制成為熱點(diǎn)。筆者設計出一種新的網(wǎng)絡(luò )式監護裝置及系統，目的是利用高頻率的無(wú)線(xiàn)多通道數據傳輸方式，傳遞醫療傳感器與監護控制儀器之間的信息，減少監護設備與醫療傳感器之間的連線(xiàn)，使被監護人能夠擁有較多的自由活動(dòng)空間，在獲得較準確的測量指標的同時(shí)，免除患者在家庭與醫院之間奔波的勞苦。同時(shí)，在醫院病房?jì)冉o(wú)線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )，多項測試項目可以在病床上完成，能夠極大地方便病人就診，并加強醫院的現代化信息管理和工作效率。

1　系統結構
遠程醫療監護系統的體系結構圖如圖1 所示，系統由監護基站設備和ZigBee傳感器節點(diǎn)構成一個(gè)微型監護網(wǎng)絡(luò )。傳感器節點(diǎn)上使用中央控制器對需要監測的生命指標傳感器進(jìn)行控制并采集數據，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信方式將數據發(fā)送至監護基站設備，并由該基站裝置將數據傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò )設備上，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )可以將數據傳輸至遠程醫療監護中心，由專(zhuān)業(yè)醫療人員對數據進(jìn)行統計觀(guān)察，提供必要的咨詢(xún)服務(wù)，實(shí)現遠程醫療。在救護車(chē)中的急救人員還可通過(guò)GPRS實(shí)現將急救病人的信息實(shí)時(shí)傳送，以利于醫院搶救室及時(shí)做好準備工作。醫療傳感器節點(diǎn)可以根據不同的需要而設置，因此該系統具有極大的靈活性和擴展性。同時(shí)，將該系統接入Internet網(wǎng)絡(luò )，可以形成更大的社區醫療監護網(wǎng)絡(luò )、醫院網(wǎng)絡(luò )乃至整個(gè)城市和全國的醫療監護網(wǎng)絡(luò )。

圖1 遠程醫療監護系統結構圖

系統中包括無(wú)線(xiàn)個(gè)人網(wǎng)絡(luò )(wireless person2al area network,WPAN ) 、ZigBee網(wǎng)絡(luò )以及一系列醫療監護網(wǎng)絡(luò )的醫療傳感器節點(diǎn)。本系統具有良好的擴展性，例如醫護人員在急救途中或在其他醫院可以分別利用WLAN /UMTS網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)與系統進(jìn)行信息交互。

2　監護傳感器節點(diǎn)
2. 1　監護傳感器的組成及工作原理
醫療無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)主要功能為采集人體生理指標數據，或對某些醫療設備的狀況以及治療過(guò)程情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監測，并通過(guò)射頻通信的方式，將數據傳輸至監護基站設備。
醫療傳感器節點(diǎn)框圖如圖2 所示，主要包括醫療傳感器模塊、ZigBee 通信模塊、處理器單元和電源4 部分。處理器單元如圖3 所示，主要分為CPU、存儲器、AD 轉換、測試帶和數碼顯示屏5 部分。根據低功耗和處理能力的需要，采用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(shí)數據，在處理器將數據傳輸之后，傳感器節點(diǎn)內不做數據的大量存儲。

圖2　醫療傳感器節點(diǎn)框圖

圖3　處理器單元

該監護傳感器的工作原理為，首先由控制單元發(fā)出開(kāi)始監測某項生理參數的指令，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據通信單元把指令發(fā)給生理信息與數據采集單元，對人體生理信號(體溫、血壓、脈搏、血糖、血氧等)進(jìn)行采集，最后通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據通信單元將數據傳給控制和顯示單元中的信息處理模塊，一方面對接收到的數據進(jìn)行處理和顯示，另一方面將結果數據存入數據庫供檢索和回放。節點(diǎn)的核心是無(wú)線(xiàn)數據通信單元和生理信息與數據采集單元。

2. 2　無(wú)線(xiàn)數據通信單元
在醫院里，所應用的醫療監護設備對電磁輻射的要求很高。對于設備來(lái)講，輻射的電磁波既不能干擾其他設備正常工作，同時(shí)也應具有一定的抗干擾能力，不受其他設備輻射出的電磁波干擾。因此，在醫院或者使用無(wú)線(xiàn)通信的家庭中使用的醫療設備，設計中必須對此進(jìn)行充分考慮。
在本系統中，所使用的射頻通信為全球公開(kāi)的免費2. 4 GHz的ISM頻段，采用的通信標準為802. 15. 4 /ZigBee標準。它是一種低復雜度、低功耗和低成本的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，可在10～75 m范圍內，以20 ～250 kb / s的傳輸速率來(lái)傳輸醫療數據。它依據802. 15. 4標準，在數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信。這些傳感器只需少量能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)傳感器傳至另一個(gè)傳感器，因此，通信效率非常高。它可用普通干電池作電源，在一般情況下，可支持6～24個(gè)月，大大減少了頻繁更換電池的麻煩。
為降低成本，ZigBee標準中定義了兩種類(lèi)型的設備：全功能設備( full function device, FFD)和簡(jiǎn)化功能設備( reduced function device, RFD ) 。
FFD可以在3 種不同模式下工作： ①個(gè)人網(wǎng)絡(luò )(personal area network , PAN)協(xié)調者; ②協(xié)調者;③設備。RFD作為從設備不需要傳輸大量的數據，且只占用很少的資源。用一個(gè)FFD加上一個(gè)RFD就可組建一個(gè)最簡(jiǎn)單的WPAN,其中FFD作為PAN協(xié)調者來(lái)執行通信功能，因此，在任何一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò )中都必須至少有一個(gè)FFD 來(lái)作為PAN協(xié)調者。在本系統中， ZigBee設備通常以星形和網(wǎng)狀形兩種網(wǎng)絡(luò )結構存在，其網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖4所示。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò )拓撲結構圖

星形網(wǎng)絡(luò )結構的通信是以FFD作為PAN協(xié)調者完成與設備之間的通信，在該網(wǎng)絡(luò )中PAN協(xié)調者的功能是初始化網(wǎng)絡(luò )、中止和路由信息。星形網(wǎng)絡(luò )廣泛應用于自動(dòng)化家居、個(gè)人醫療監護系統和醫院病房等小區域。

2. 3　生理信息與數據采集單元
系統中，醫療傳感器模塊主要實(shí)現以下幾種功能：體溫、血壓、血氧和血糖的測量等。其中，體溫測量集成了北京邁創(chuàng )公司所生產(chǎn)的YSI體溫探頭，血壓測量集成了邁創(chuàng )公司的KNM無(wú)創(chuàng )血壓測量模塊，血氧測量集成了邁創(chuàng )公司的SWS01血氧測量模塊。
無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)為傳感器的擴展留出了豐富的接口，如果需要其他類(lèi)型的生理指標數據，如體溫、心電等數據，則只需要將相應的傳感器接入預留的接口，形成新的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，開(kāi)發(fā)相應的嵌入式控制及處理軟件，就可以將節點(diǎn)直接加入到該無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中。

3　GPRS /UM TSWLAN網(wǎng)關(guān)
相對于WLAN 高傳輸速率、低覆蓋范圍而言， GPRS/UMTS具有低傳輸速率和高覆蓋范圍的特點(diǎn)。本系統利用GPRS/UMTSWLAN網(wǎng)關(guān)實(shí)現UMTS與WLAN 之間的無(wú)縫連接。這樣使得配有UMTS和WLAN 接口的設備可以自由地在這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )之間進(jìn)行切換。
一般來(lái)說(shuō)，WLAN 和UMTS融合的方式有兩種：緊耦合和松耦合。在緊耦合體系中，WLAN網(wǎng)關(guān)直接連接到UMTS網(wǎng)絡(luò )。而在松耦合體系中，WLAN網(wǎng)關(guān)并不是直接連接到UMTS網(wǎng)絡(luò )中，而是通過(guò)Internet或是IP骨干網(wǎng)作為中介。在本系統中，利用松耦合體系來(lái)實(shí)現手持移動(dòng)設備與UMTS網(wǎng)絡(luò )之間的通信。WLAN和UMTS的松耦合體系結構如圖5所示。

圖5　WLAN和UMTS的松耦合體系結構

4　實(shí)驗驗證
系統在綜合測試過(guò)程中取得了初步的結果，傳感器節點(diǎn)上的生命指標傳感器采集到的數據，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信方式將數據發(fā)送至監護基站設備，并顯示在基站設備的LCD上。每個(gè)病人總的數據傳輸量在22～76 kb / s之間(依據心電圖電極的數量而變化) ,常用測量信號的頻率范圍和數據量如表1所示。由該基站裝置將數據傳輸至所連接的PC或者其他網(wǎng)絡(luò )設備上，通過(guò)In2ternet網(wǎng)絡(luò )將數據傳輸至遠程醫療監護中心，由專(zhuān)業(yè)醫療人員對數據進(jìn)行統計分析，提供必要的咨詢(xún)服務(wù)，實(shí)現遠程醫療。如在救護車(chē)中，急救人員還可通過(guò)GPRS實(shí)現急救病人情況的實(shí)時(shí)傳送，以利于醫院搶救室及時(shí)做好準備工作。

表1 常用測量信號的頻率范圍和數據量
 

5　結　論
筆者所設計的一種新的網(wǎng)絡(luò )式監護裝置及系統，可以減少監護設備與醫療傳感器之間的連線(xiàn)，在獲得較準確的測量指標的同時(shí)，免除患者在家庭與醫院之間奔波。同時(shí)，在醫院病房?jì)冉o(wú)線(xiàn)監測網(wǎng)絡(luò )，很多測試項目可在病床上完成，極大地方便病人就診。另外，本系統還具有高的靈活性和擴展性，通過(guò)Internet可以使遠離醫院等醫護機構的病員也能隨時(shí)得到必要的醫療監護和遠程醫生的咨詢(xún)指導。筆者將進(jìn)一步開(kāi)發(fā)該系統的軟件和硬件，以提高其穩定性和實(shí)用性，同時(shí)也將根據特殊的需要定制開(kāi)發(fā)上層管理軟件以及完善醫療監護管理平臺軟件。