無線生理信息傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、真正具有一定實(shí)用價(jià)值的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代末,至今已有五十多年的發(fā)展歷史。雖然遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)在通信技術(shù)快速發(fā)展的推動(dòng)下已在遠(yuǎn)程醫(yī)療咨詢、教育及會(huì)診等方面得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,但是影響遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展的另一關(guān)鍵因素——用戶終端設(shè)備的研究沒有取得突破性進(jìn)展,這在很大程度上限制了遠(yuǎn)程醫(yī)療的廣泛應(yīng)用,其核心問題主要表現(xiàn)為不能長(zhǎng)期測(cè)量、測(cè)量設(shè)備不夠小巧方便、測(cè)量過程不舒適、在使用時(shí)會(huì)影響用戶的其它活動(dòng)等。隨著移動(dòng)醫(yī)療概念的提出,新一代的醫(yī)

2、療儀器----以生物傳感器為核心的穿戴式醫(yī)療儀器正逐漸引起各界的廣泛關(guān)注,它可以廣泛應(yīng)用于臨床監(jiān)護(hù)、家庭保健、睡眠分析、應(yīng)急救護(hù)、航空航天、特殊人群監(jiān)護(hù)、心理評(píng)價(jià)、體育訓(xùn)練等方面。早期的穿戴式醫(yī)療儀器中,數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸部分通常集成在中心控制單元內(nèi),由位于身體不同測(cè)量部位的各種生理信息傳感器組成的數(shù)據(jù)采集部分采用有線方式和中心控制單元連接,隨著需監(jiān)測(cè)的生理參數(shù)增多,若仍采用有線方式連接則需要更多的電纜連接各個(gè)部分,給患者的行動(dòng)帶來諸多

3、不便。為了盡量減少電纜對(duì)患者日常生活的影響并且為醫(yī)生提供更為豐富的數(shù)據(jù),生理信息傳感器的多樣化、無線化和網(wǎng)絡(luò)化已成為穿戴式醫(yī)療儀器的一個(gè)主要發(fā)展方向。本文將由具有無線通信能力的生理信息傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)稱為無線生理信息傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Physiological Information Sensor Network,WPISN)。WPISN是隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)和無線體域

4、網(wǎng)(Wireless Body AreaNetwork,WBAN)技術(shù)的出現(xiàn)而誕生的,它實(shí)現(xiàn)了生理信息傳感器的多樣化、無線化和網(wǎng)絡(luò)化,負(fù)責(zé)完成人體多種生理信號(hào)的獲取、傳輸、分析與處理,為穿戴式醫(yī)療儀器很多急需解決的問題提供了新的技術(shù)手段。本文是教育部春暉計(jì)劃項(xiàng)目“無線遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)”(Z2004-1—55006)的主要部分,著重研究WPISN的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):節(jié)點(diǎn)間的無線組網(wǎng)技術(shù)和通信單元的節(jié)能策略。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 ①提出

5、了WPISN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧以及通信協(xié)議的跨層設(shè)計(jì)方法,完成了WPISN的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。按照WBAN的技術(shù)需求選擇了適合于WPISN的短距離射頻收發(fā)芯片,分析了短距離無線通信單元的節(jié)能策略,完成了短距離無線通信單元的電路設(shè)計(jì)和短距離無線通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。
　　 ②在物理層,針對(duì)所選射頻收發(fā)芯片,完成了小環(huán)天線的設(shè)計(jì)并在HFSS中進(jìn)行了仿真,然后使用EMScan公司的天線測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量了小環(huán)天線的輻射方向圖,結(jié)果顯示理論與

6、實(shí)際有較好的一致性；在分析了目前短距離射頻芯片常用的調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)后,選擇MSK(Minimum Shift Keying)作為WPISN短距離通信單元的調(diào)制方式；提出了一種發(fā)射功率的動(dòng)態(tài)控制方法,即根據(jù)鏈路質(zhì)量和任務(wù)需求的不同動(dòng)態(tài)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率,在保證信號(hào)可靠傳輸?shù)那疤嵯?盡可能降低發(fā)射功率,減少能耗。
　　 ③在數(shù)據(jù)鏈路層,提出了一種基于任務(wù)表的睡眠調(diào)度機(jī)制以減少M(fèi)AC(MediaAccess Control)層上的

7、能量浪費(fèi),并設(shè)計(jì)了基于TDMA(Time Division MultipleAccess)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)的MAC協(xié)議(此協(xié)議已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利)；采用了停止等待ARQ(Automatic Repeat Request)協(xié)議和FEC(Forward Error Correction)結(jié)合的HEC(Hybrid Error Correction)方式進(jìn)行差錯(cuò)控制,針對(duì)不同的測(cè)量節(jié)點(diǎn)的任務(wù)特點(diǎn),通過在ARQ協(xié)議中設(shè)置不同的重發(fā)次數(shù)以適應(yīng)不同任務(wù)的

8、實(shí)時(shí)性要求和信道的變化情況；提出了用于WPISN的鏈路質(zhì)量快速評(píng)估方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法可以快速準(zhǔn)確地判斷出鏈路是否處于連接區(qū),為節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率的動(dòng)態(tài)調(diào)整提供了依據(jù)。
　　 ④在應(yīng)用層,針對(duì)目前的穿戴式醫(yī)療儀器常采用的連續(xù)工作方式的不足,提出了一種任務(wù)驅(qū)動(dòng)的工作方式,這種方式以醫(yī)生為主導(dǎo),穿戴式醫(yī)療儀器的工作時(shí)間完全由醫(yī)生制定,減少了很多醫(yī)生不需要的數(shù)據(jù)傳輸,也延長(zhǎng)了穿戴式醫(yī)療儀器的工作時(shí)間；提出了用于WPISN的時(shí)間同步方法