La red de sensores inalámbricos es una tecnología emergente que integra tecnología de sensores, tecnología de computación integrada, tecnología moderna de redes y comunicaciones inalámbricas, tecnología de procesamiento de información distribuida y otras tecnologías en muchos campos. esta tecnología tiene una amplia gama de escenarios de aplicación.

Con el desarrollo de la tecnología, WSN (wireless sensor network) tendrá un profundo impacto en muchos aspectos de la práctica médica. Este artículo expone principalmente la arquitectura del sistema de monitoreo médico de la red de sensores inalámbricos y los principios generales del diseño del nodo de monitoreo.

Arquitectura de la red de sensores inalámbricos

Un gran número de nodos de sensores están dispuestos en el área de monitoreo, y los nodos se organizan en red mediante el método de autoorganización y el reenvío de datos mediante la tecnología de comunicación inalámbrica. cada nodo tiene la doble función de adquisición de datos y reenvío de fusión de datos. El nodo realiza el procesamiento preliminar de datos y la fusión de información de la información recopilada por sí mismo y la información transmitida por otros nodos a la Estación base en forma de transmisión de relevo de nodos adyacentes, y luego la transmite al usuario final en internet, satélite, etc. a través de la estación base.

Los nodos son la unidad funcional básica de la red de sensores inalámbricos, con diferentes aplicaciones específicas y diferentes diseños de nodos. Los módulos básicos del nodo del sensor son: unidad de detección, unidad de procesamiento, unidad de comunicación y parte de alimentación. Además, se pueden agregar unidades funcionales de acuerdo con los requisitos específicos de la aplicación, como: sistema de posicionamiento, sistema móvil y sistema de autosuministro de energía.

Aplicación de la red de sensores inalámbricos en el tratamiento médico

Las redes de sensores inalámbricos aprovechan sus propias ventajas (como la adquisición no invasiva de diversos parámetros fisiológicos de los pacientes a bajo costo, simple, rápida y en tiempo real, etc.) para que tengan un gran potencial de desarrollo en áreas como la investigación médica, las salas generales / de UCI hospitalarias o la vigilancia diaria familiar, y son puntos calientes en el campo de la investigación actual.

Colocar un nodo de sensor en miniatura en el paciente para detectar los parámetros del cuerpo humano puede monitorear remotamente y en tiempo real los parámetros fisiológicos del paciente, como la frecuencia cardíaca, la presión arterial, el ECG y el sonido cardíaco, y resumir la información al Centro de monitoreo para su procesamiento y retroalimentación oportunos; El uso de WSN para recopilar datos fisiológicos humanos de los observadores durante mucho tiempo es muy útil para comprender el Estado de salud humana y estudiar enfermedades humanas. Además, también tiene su aplicación * En muchos aspectos, como el manejo de medicamentos y el desarrollo de nuevos medicamentos y el manejo de la sangre. En resumen, la red de sensores inalámbricos proporciona un medio de implementación más simple y de bajo costo para el futuro sistema de monitoreo de telemedicina.

Arquitectura médica basada en redes de sensores inalámbricos

El sistema de monitoreo médico basado en la red de sensores inalámbricos se compone principalmente de nodos de sensores médicos, estaciones base de monitoreo médico (nodos sink médicos) y centros de monitoreo comunitarios / hospitalarios.

Los nodos de sensores médicos y las estaciones base de monitoreo forman redes de sensores inalámbricos personales / familiares o de sala, y varias de estas redes pueden formar redes de monitoreo comunitarias o hospitalarias enteras, o incluso sistemas de monitoreo de telemedicina más amplios. En primer lugar, el nodo de sensores médicos recoge los parámetros fisiológicos humanos y, después de procesar simplemente los parámetros recogidos, transmite los datos a la Estación base de forma directa o indirecta a través de la comunicación inalámbrica. La Estación base de monitoreo procesa más a fondo los datos y los envía al Centro de monitoreo, que los analiza y procesa, y retroalimenta la información del paciente a tiempo. El Centro de monitoreo también puede transmitir datos remotos de varias maneras (internet, redes de comunicación móvil, etc.) para compartir información con otros centros de monitoreo.

Diseño del nodo del sensor médico

La estructura básica del nodo de sensores médicos incluye un módulo de procesamiento, un módulo de sensores y un módulo de recepción y recepción inalámbrica, así como un módulo de suministro de energía.

El módulo de sensores se utiliza para percibir, recoger y convertir señales de sensores externos. Es el módulo en el que todo el nodo realmente entra en contacto con el semáforo externo. Sin embargo, los sensores médicos se miden con cuerpos vivos. En particular, se puede decir que el cuerpo humano es un sistema complejo en el mundo, con un alto grado de correlación y difícil acceso entre las variables fisiológicas. Por lo tanto, los sensores médicos deben extraer la fisiología predictiva de muchos fenómenos y obtener datos de medición confiables y significativos, al tiempo que garantizan la seguridad del objeto medido.

Debido a que la mayoría de los parámetros humanos son señales débiles, generalmente solo tienen unos pocos niveles de mv, o incluso menos, y hay una variedad de factores adversos como ruido (ruido ambiental de medición, ruido de fricción entre el instrumento y el cuerpo humano y ruido del propio instrumento), interferencia de frecuencia de Potencia (causada por un campo electromagnético de 50 Hz Alrededor del entorno de medición) y varios ruidos. Por lo tanto, en el diseño específico del nodo del sensor médico, se añade el módulo de procesamiento de circuitos analógicos, que generalmente incluye las siguientes partes: circuito de amplificación, circuito de filtro, circuito de captura y circuito de conversión analógico - digital (a / d). En el diseño del nodo, el circuito de amplificación generalmente utiliza amplificación de varios niveles (tres o cuatro niveles), y el circuito de amplificación de última etapa generalmente tiene una función de aumento de nivel, además de la función de amplificación; Circuito de filtro: debe cumplir con los requisitos de circuito simple, frecuencia de corte razonable, ajuste flexible y conveniente de la frecuencia de corte de paso alto y bajo, y filtrar razonablemente la interferencia de alta y baja frecuencia en la señal; Circuito de trampa: en la actualidad, se utilizan ampliamente trampas activas de doble resistencia t simétrica o dispositivos de condensadores de conmutación integrados y trampas de red de Resistencia asimétrica. En resumen, el módulo de procesamiento de circuitos analógicos amplifica, filtra y atrapa principalmente las señales recogidas, elimina el ruido y la interferencia en las señales y extrae señales útiles.

El módulo de procesador es el núcleo del nodo del sensor, responsable del control del equipo, la asignación y programación de tareas, la integración y transmisión de datos de todo el nodo. En la actualidad, los módulos de procesador más utilizados son los microcomputadores de la serie avr de atmel, los procesadores de consumo de energía ultra bajo msp430 de ti, los procesadores de Motorola y Renesas y los microcomputadores ARM como procesadores integrados de 32 bits. En el diseño del nodo, se debe programar para realizar el control de adquisición del módulo de procesador al módulo de sensores, la implementación de la conversión a / D y el control de la recepción y recepción del módulo de comunicación inalámbrica.

El módulo de recepción y recepción inalámbrica se utiliza para la comunicación de datos entre nodos. Los módulos de transceptor inalámbrico más utilizados en el campo inalámbrico son ccl000, cc2420 y cc2430 de la compañía chipcon. Las tecnologías de comunicación inalámbrica comunes son: IEEE 802.1lb, IEEE 802.15.4 (zigbee), bluetooth, uwb, rfid, IRDA (infrarrojo), etc. La mayoría de los sistemas de monitoreo utilizan IEEE 802.15.4 (zigbee), Bluetooth para lograr la comunicación de datos entre nodos y estaciones base.

El módulo de alimentación proporciona energía al nodo y es el módulo básico de todo el nodo de sensores inalámbricos. Sin embargo, debido al volumen del nodo, la energía del nodo del sensor es muy limitada. Por lo tanto, en todo el diseño del nodo, con bajo consumo de energía y alta precisión como requisitos principales, se toman una serie de medidas efectivas para ahorrar energía. Además, los nodos de sensores médicos no pueden reemplazar las baterías con frecuencia, lo que afecta la vida normal de las personas. Por lo tanto, el nodo médico diseñado debe tener un ciclo de vida más largo.

Desafíos en el sistema de monitoreo de redes de sensores inalámbricos médicos

Aunque las redes de sensores inalámbricos tienen sus ventajas * En la formación de sistemas de monitoreo médico, todavía hay los siguientes desafíos en la aplicación de la medicina real:

Gestión de la movilidad de nodos en redes dinámicas y redes a gran escala: cuando el sistema de monitoreo se expande a comunidades, ciudades e incluso a todo el país, su red es enorme, y tanto los nodos de monitoreo como las estaciones base tienen cierta movilidad. Por lo tanto, es necesario diseñar una estructura de gestión de topología de red adecuada y un método de gestión de movilidad de nodos.

Integridad de los datos y compresión de datos: los nodos a veces requieren hasta 24 horas para monitorear los parámetros humanos, la cantidad de datos recopilados por los nodos es grande, mientras que la capacidad de almacenamiento de los nodos es pequeña, a menudo se utilizan algoritmos de compresión para reducir la cantidad de almacenamiento y transmisión de datos. Sin embargo, el costo de los algoritmos de compresión de datos tradicionales es demasiado alto para los nodos de sensores. Además, el algoritmo de compresión no puede dañar los datos originales, de lo contrario causará un diagnóstico incorrecto del paciente.

Seguridad de los datos: los nodos de la red de sensores inalámbricos se organizan de manera autoorganizada y son vulnerables a los ataques. además, la información del paciente debe ser confidencial. Sin embargo, la capacidad de cálculo de los nodos de sensores es bastante limitada, y las tecnologías tradicionales de Seguridad y cifrado no son aplicables. Por lo tanto, es necesario diseñar un algoritmo de cifrado y descifrado adecuado para los nodos de sensores.