实用物联网医学
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第二节 患者无线监测技术

一、无线通讯网络框架

目前,有很多类型的无线通讯网络可用于远程医疗服务,这些网络具有不同特性,适用于不同的应用领域。因为不同的应用程序需要和不同的终端设备相连,因此,无法简单地回答什么是最佳的远程医疗网络,只能根据各自的应用程序选择适当的网络连接。

(一)体域网

近年来,随着在人体内安全植入无线电发射设备技术的成熟,体域网(body area network,BAN)构建,也称为个人局域网(personal area network,PAN),成为可能。个人局域网的工作范围一般是在10米以内的数字设备之间的通讯。支持无线个人局域网的技术包括:蓝牙、ZigBee、超频波段等。由于其灵活性,除了广泛应用于医疗领域,BAN也用于许多电子消费类产品。这些设备很小,有的甚至可以植入体内。它可以监控身体的各个指标,一旦检测到异常,可自动发出警报。它也可以记录日常活动,并确定使用者是否已达到预先确定的目标。因此,它适用于医学监管或人体生理指标监测。使用者附带生物传感器用于远程健康监测,具有极高流动性。BAN系统通常由两个主要部分组成:

1.内部BAN

用于身体内部通信,其中传感器和执行器被连接到一个移动基本元件,作为数据处理中心。移动基本元件可以是几乎所有的电子设备,例如:移动电话、车载免提设备,或用来连接笔记本电脑到互联网的无线调制解调器。

2.外部BAN

用于人体与外界沟通。通常是一个远程医疗系统,用于传输收集的数据,进行数据处理和分析。
一般情况下,BAN设备具有非常低的耗能(通常低于10mW)和较低的数据吞吐量(约10Kbps)。BAN也存在一些问题:首先是数据安全,因为BAN通常没有数据保护机制,所以必须提供服务质量保证,以确保所有设备间无逢连接;其次是覆盖面小,通常最多只能覆盖2米,所以天线设计是一个非常具有挑战性的任务,因为它需要全方位覆盖,以确保高流动性和良好的传播信号。对于植入设备,这是一个特别苛刻的使命。
虽然目前没有BAN的使用标准,针对无线个人区域网的IEEE 802. 15工作组一直致力于使尽可能多的设备,基于各种传输媒介,相互作用。不同群体使用不同的媒介。例如,最流行的IEEE802. 15. 1应用于蓝牙、802. 15. 4应用于物联网。
由于灵活性高,BAN能够监测哮喘、糖尿病、心血管等疾病,记录和追踪相关数据,以检测任何潜在问题。在医院和诊所,需要克服的一个主要问题是区别与每个患者关联的BAN体系,避免数据混淆,这个问题对有多个患者的家庭尤为关键。虽然许多BANs基于现成传感器构建,仍需关注以下一些问题:

1.标准

功能说明、操作环境、通信方案、工作范围、安全性和私密性。

2.电磁兼容性(electro magnetic compatibility,EMC)

电磁辐射量,抗干扰性。

3.校准

程序和频率准确度、精确度。

4.集成

连接、数据库连接、安装和放置。
目前,不存在管理BAN生物传感器的标准,也没有规定数据如何传输的指南。在不同使用条件下,对传感器性能和可靠性的要求也不同。例如,可植入式传感器可能不适用于海拔太高的地方、游泳潜入水中、和修理船只等活动时。如果设备不具有任何内部数据存储功能,则需要确定人可以离数据收集点多远,以确保数据的成功收集。与几乎所有的医疗保健系统类似,数据安全和隐私是需要解决的一个重要问题。
对于电池干扰,不同的国家可能有不同规定。当健康监控设备可以被带到不同国家时,必须设计符合所有有关电磁兼容性的设备。校准是所有精密仪器的重要过程,以确保收集的数据在特定精确度范围内。自我校准和自我诊断功能相结合,利于维护。当上述功能无法实现时,需要规定校准频率以维持精确度;是否校准可以由用户来执行。最后,每个传感器如何连接到存储缓冲器以及如何安全地安装到用户身上是需要彻底解决的问题,以确保仪器使用的安全与可靠性。给予适当的保护性外壳,如具备良好生物相容性制成的外壳,传感器可以植入人体。有些传感器是临时缚在人体上,而另一些则嵌入在衣服上。为了确保最高的移动性,传感器外形必须小巧、轻便(物理尺寸和形状)。重量和形状主要是由内部安装的电池决定,因此,这些传感器必须具有低能耗以减小尺寸,并提高耐用性。此外,频繁更换电池或充电不仅不便于应用,而且不切实际。
例如:由监控心脏病患者的传感器组成的一个BAN,可用于收集心电图数据、血氧饱和度、步态相位检测、身体和环境温度等信息。每个传感器经由无线连接到存储缓冲器(memory buffer unit,MBU),数据以固定时间间隔发送。可以通过全球定位系统(global position system,GPS)确定患者位置或通过互联网访问的位置定位。MBU传输来自各个传感器和链接到远程医疗系统的现有家庭无线局域网捕获的数据。电子病历可以根据接收的数据,自动更新。当检测到医疗状况时,系统产生警报,同时定位患者,以提供必要关注。患者所处环境条件,如温度和湿度,也需要了解并记录。实现各种条件和模式的定量分析,以提出适当的建议。数据也可以因研究目的的需要进行匿名存储,对特定条件下的各个参数进行分析。大多数国家的法律法规可能限制访问患者识别信息。
当缚在人体上时,传感器可能会面向不同方向,因此人体运动对BAN信号传导的影响是一个重要的研究课题。当人移动时,一些传感器可能更靠近MBU,而一些可能会远离;人体组织的电特性(即导电性和电容率),可用来确定无线电信号传播通过人体时的状态。一般而言,随着信号频率增加,电导率也增加时,相对电容率降低。采用适当模型,而不是人类主体,进行检测对验证在设计阶段的网络性能以确保可靠性,是必要的。

(二)网络主干

主干网络实际上可以是任何类型的有线或无线网络,只要能够提供必要的覆盖范围和带宽。图2-9列举一个救护车与医院连接的无线通讯网络,提供了救护车和医院之间的双向无线网络。这是一种IEEE 802. 16点对点网络,当救护车在事故现场保持静止时,可有效工作;但是当救护车移动时,性能将显著下降。在救护车驶回医院整个过程中,支持移动通讯的WiMAX、3G、4G网络将是一个更好的选择。然而,由于大多数重要信息是从现场获取的,因此,移动性支持一般不是必不可少的救援设施。
图2-9 医院与救护车间的应急救援网络
“全副武装”的医护救援人员,其所穿戴的设备并不是一直有效的。例如,高层建筑可能在事故现场附近或现场到医院途中,不留下任何视线(light of sight,LOS)。确保网络覆盖最好的办法是调查医院涵盖的服务领域,建立一个地形海拔数据库。它的主要功能是在不同救援区域,分析不同建筑物和树木对于救护车通信的影响并建模。处于(X,Y)点的任何位置Z代表一个固定参考之上的相对海拔高度,如高层建筑顶部。代表地形位置(X,Y,Z)的综合数据库,可以被看做是整个网格覆盖区域。地形数据库应包括医院服务的所有区域,确保无论救护车在哪里,都会被网络覆盖。
该通讯需要可靠性高和实用性强。通讯必须避免错误。如果患者信息没有实时到达医院,数据需要重新传输。当数据丢失或被损坏时,可以再次发送,虽然以时间延迟为代价,但可以确保成功接收数据。