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面向远程医疗的无线传感器网络相关问题研究
来源:互联网 sk014 | 高凡茹 魏德健 张俊忠 曹慧
【分  类】 基础科学
【关 键 词】 无线传感器网络;远程医疗;安全性;能量消耗
【来  源】 互联网
【收  录】 中文学术期刊网
正文:

  摘 要:无线传感器网络发展迅速,已经被应用到生活的各个领域,尤其是在医疗领域的应用更是取得了巨大的进步。本文首先介绍了基于无线传感器的远程医疗监护系统,并总结了无线传感器在远程医疗中的应用特点。然后,指出基于无线传感器网络远程医疗推广和普及面临的挑战,详细分析了无线传感器网络能耗和安全性问题。最后,对基于无线传感器网络远程医疗监护体系的发展进行了总结与展望。

  关键字:无线传感器网络;远程医疗;安全性;能量消耗

  1 基于WSN的远程医疗监护

  远程医疗是指基于现代技术的一种新的医疗服务模式和学习交流平台。它融合了计算机、多媒体、网络通讯、传感器等技术,以达到共享医学资源、提高医学诊断水平、满足广大人民群众的保健需求等目的[1]。远程医疗是一个庞大的体系,包括医学诊断、医学教学、医学会诊、医学监护等。其主要特点是不受地域的限制,通过远程通讯完成信息的交互,达到一定的医学目的。

  无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是由大量低成本、低功耗,具有传感、无线通信、数据处理等多功能的传感器节点组成,并通过自组织方式形成的网络[2]。它能够获取周围环境信息,通过无线介质通信,共同协作完成特定的任务,具有感知、计算、通信等能力。网络节点传感器具有体积小、能量低,计算能力差等特点,能够采集各种信息,简单处理并且进行数据的转发。

  基于WSN的远程医疗监护就是在监测终端使用无线传感器采集相应的信息,例如:血糖、心率、血压、体温等,并将信息传回监护中心[3]。WSN在远程医疗监护终端工作机制是:由不同的传感器采集相应的生理信息,对数据进行初步处理之后进行转发,数据经过多跳路由到达汇聚节点,再通过网络传到监护中心。监护中心对信息进行分析处理并作出反馈,同时监护中心还与其它终端进行网络的远程信息交互[4-5]。图1是一个简单的基于WSN远程监护系统的结构示意图。

  图1基于WSN远程监护系统结构示意图

  2 基于WSN远程医疗监护的优势

  无线远程医疗监护技术与传统的监护方法相比有着巨大的优势:(1)灵活性更强。传统的医疗监护大多采用坐卧式的姿态,而无线医疗监护在一定的网络分布范围内给被监护者较大的自由空间。(2)传统的医疗监护一般用复杂的线路将传感器与固定的医疗监测仪相连,而无线医疗监护系统可以免除线路的繁琐,大大增强了便捷性。(3)无线远程医疗监护大大缩短了医生与病人的空间距离,在突发状况下能够更及时的与医院联系,为急症患者争取宝贵的抢救时间。(4)采用无线远程医疗监护,被检测者能够在熟悉的环境中放松心情,减缓心理和精神上的压力,使监测数据更准确[6-8]。

  此外,无线远程医疗监护更适合于对人类的身体健康进行长期监护,从而了解慢性疾病的发展过程、发现疾病的早期症状,达到保健和预防的目的。

  3 基于WSN远程医疗监护系统推广面临的挑战

  目前很多研究学者都把WSN成功应用到了远程医疗监护的体系中,例如:武秋红[9]等人设计了一种基于WSN的远程医疗监护系统,将其分成三部分:体域网(WSN)、本地网关、远程监护中心,实现生理参数的传输、处理、反馈、储存。曹靖华[10]等人设计了一种基于WSN可扩展的远程医疗系统应用平台,根据不同的用户需求设计出了不同解决方案,与传统方法采集的数据相比准确度较高。宋爱娟[11]等人设计基于ZigBee协议的无线网络通讯技术,采用LabView软件显示监控对象的生理参数,基本实现了网络的智能化和自动化。由于这些系统主要是以医院监护和家庭监护为主体,针对部分用户需求而设计,缺乏对网络安全、能耗、可靠性传输的综合考量。因此这些基于WSN的远程医疗监护系统的设计都存在着一定的局限性或只能在小范围内试用,远远达不到普及推广的目的,严重阻碍了远程医疗的发展。

  通过分析现有的WSN远程医疗监护模型,总结出大致可分成三个部分,如上图1所示:无线传感器网络、移动互联网以及两个网络中间的连接部分[12]。移动互联网的实时性、可靠性、安全性的研究很多,特别是随着4G移动通信时代的到来,大量医学图像传输的实时性和可靠性有了很大的提升[13]。而WSN节点本身受到了通信带宽、能量资源、处理能力等多方面的限制。因此无线传感器网络的能量消耗、传输时延、可靠性传输、安全等问题已成为制约远程医疗监护推广及应用的重要因素。本文主要是对无线传感器网络能量消耗及安全性问题的研究进行了分析总结。

  4 无线传感器网络的能耗问题

  无线医疗传感器节点的电量有限,所以节点能量低是无线传感器网络最主要的限制特征。如果没有外源能量的供给,医疗监护终端的传感器寿命往往比较短。无线传感器节点一旦能源耗尽,对整个网络的性能产生很大的影响,严重的会造成整个医疗监护系统的功能瘫痪。能量低与无法有源持续供电的矛盾使得WSN短期内无法在医疗监护系统的中大范围推广和普及应用。

  有的研究学者尝试利用人体自身的温度、体位等变化给无线传感器供电,但局限应用在体内植入传感器,研究也尚在起步阶段[14]。目前无线监护设备中一般内含较大能量的电池,采用能量消耗较小的传感器。比如张振涛[15]等人设计的监测系统中,其无线可穿戴式设备中含有较大能量供应的电池,传感器节点采用了MSP430F149超低微处理器,低能量消耗以满足无线移动的条件。缺点有:监护设备的造价昂贵,电量依然有限,仍然没法满足无间断长时间的移动监护需求。电池本身增加了监护设备的重量,加重了使用者的负担。因此如何在有限的能量供应中,最大限度的延长自身寿命和整个网络的生存周期成为现在的研究热点。

  在无线传感器网络运行过程中,节点能源消耗主要是用于信息的传输。如图2所示:假设A节点与汇聚(sink)节点相邻,A节点需要转发其它节点传过来的大量的数据,能量很快就被耗尽,而其它节点(例如B、C节点)的能量还有剩余,这就是节点的能量消耗不均衡现象。网络能量负载不均衡就造成了整个监测设备寿命的缩短,因此在无线传感器网络的设计前就要考虑到能量的均衡消耗问题。

  图2 人体生理信息节点数据传输图

  目前对WSN低耗能问题的研究主要集中在网络层的路由协议上。例如:吴春春[16]等人设计了一种基于能耗均衡路由算法(EOMCR)。在经典的LEACH协议的基础上,加入节点的剩余能量和网络剩余能量,改进了阈值生成函数T(n)的算法,使得剩余能量较高的节点更有优势当选为簇头节点。当节点入簇时,在与两个簇头节点等距离的情况下,考虑到离基站较近的簇头节点在管理自己簇内成员的同时,还要转发其它簇头节点的信息,所以优先选择离基站较远的簇头节点来加入。EOMCR降低了数据传输中的能量消耗,均衡能量负载,大大延长了网络的生存周期。但没有考虑到传输时延、可靠性等问题,对于现实应用中异构传感器和节点动态的传感器网络并不适用。

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