专利名称：基于无线传感器网络的医疗监护系统、装置及方法
技术领域：
本发明涉及医疗监护技术领域，特别是一种基于无线传感器网络的医疗监护系统、装置及方法。
背景技术：
医学监护技术目前可以分为两类，一类是指在医院内由职业医生或专业技术人员使用专门的仪器，对病人进行生命指标的监护；另外一类是在普通人员的家庭内或者户外，由病人本身或者病人家属使用家庭医疗监护系统对病人进行监护，监护所得到的生命指标由病人本身或家属经过医生的指点进行分析，并适当反馈给相关医生。
医学临床监护技术大多数是使用特殊的传感器、处理器将病人各种生命体征通过有线或者无线技术传递至监控端。家庭医疗监护系统也是使用多功能医疗监护仪监护病人的各种生命体征。
目前医院所使用的监护方法，大多使用时用固定的医疗监护仪使用连接设备将传感器探头连接在病人与监护设备之间进行信号的传递。复杂的设备，众多的连线，对于病人会造成心理上的压力和紧张情绪，直接影响病人身体状况，使得诊断所得到的数据与真实值有一定差距，对于医生，繁琐的操作不但会耽误最佳诊治时机。如果不慎由于设备上的误差或者操作上的失误，都有可能给病情诊治带来巨大影响，甚至不可弥补的损失，因此给病人和医疗监护人员都带来不便，影响了病情的诊断。
对于家庭医疗监护系统，一般使用单纯的生命体征监护设备，如单纯的血糖，血氧，血压(脉搏)等监护设备，只完成单纯一种指标的测量工作。医学监护设备中现在有个别的多功能合一的综合监护仪，可以监视多个生命体征指标，但是在使用的过程中颇为繁琐，需要在综合监护仪上使用导线引出多个传感器探头放置在被监测人员的身体上，监测不同的生命指标参数。各种导线在使用过程中容易出现破损、断裂等情况，使整套仪器的使用受到影响。而且一般家庭用户在使用测量仪器的过程中，被监护者经常需要在活动中对生命指标进行随时监测，那么设备上的连接导线给测量仪器的使用和病人的行动带来巨大的不便。同时，家庭医疗监护仪一般的测量结果由家庭人员自行观察，但是多数人不具备专业的医学知识，对于多个指标结果不能得出很好的诠释，而如果每次将医护人员请来分析必将造成资源浪费，如果不将测试结果由专业人员来分析又有可能贻误病机，错过最好的治疗时机。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是设计出一种新的监护装置以及在此之上构建一种网络结构。目的是利用高频率的无线多通道数据传输系统，传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息，减少监护设备与医疗传感器之间的连线，使得被监护人能够拥有较多的自由活动空间，放松心情，能够获得较准确的测量指标。同时，由于使用无线传递信息的方法，减小医疗设备的损耗，增加医疗设备的寿命，节省医院的成本。
由于医院所使用的电子仪器设备较多，手机、呼机在医院内部分范围内都不能使用，以防止对医疗设备的干扰，因此本发明所使用的无线频段为2.4GHz全球公开的免费频段，同时有效降低通信设备的发射功率，使得对周围其他设备的干扰减小到最小。
本发明的技术方案是一种基于无线传感器网络的医疗监护系统，包括家庭监护系统传感器网络的第一层网络和社区及医院的监护系统传感器网络，通过社区及医院局域网连接于社会联动网络。
提出一种新的多层次网络结构及系统理论，实现方法，即在人体周围由监护基站设备(4)和传感器节点(5)构成一个第一层网络，也称微微网(1)，通过PC机和电话与监护基站设备(4)联系，微微网(1)信号发射电台，见附图1，进行综合数据传输；在此第一层网络之上、在普通网络之下由监护设备之间组成第二层网络(也称微网)(2)，见附图2，以及通过Internet互联网组成社会联动网络(第三层网络)(3)见附图3。传感器节点(5)上使用中央控制器对系列生命指标传感器进行控制采集数据，通过无线多通道通信方式将数据发送至第一层网络的监护基站设备(4)，并由该基站装置将数据传输至第二层的主控计算机基站进行处理和存储。
图1是本发明的应用于家庭监护系统传感器网络的第一层网络结构图。
图2是本发明的应用于社区及医院的监护系统传感器网络结构图。
图3是本发明的接入Internet的社会联动网络图。
图4是本发明的监护基站设备的装置结构图。
图5是本发明的传感器节点的装置结构图。
图6是本发明的基于传感器网络的医疗监护系统的方法流程图。
图7是本发明的家庭监护系统传感器网络的第一层网络方法流程图。
图8本发明医院区域监护系统传感器网络的方法流程图。
图9是本发明的社区及医院的监护系统传感器网络流程图。
图10是本发明的监护基站设备的装置流程图。
图11是本发明的传感器节点的装置流程图。
具体实施例方式
图1的家庭监护系统传感器网络的第一层网络(微微网)中，使用无线多通道数据传输模块，监护基站设备(4)与传感器节点(5)在人体(8)周围组成一个无线传感器微微网(第一层网络)(1)，传感器端根据监护基站设备控制端发送来的控制信息进行数据采集，将得到的数据通过无线传输模块传递至监护基站设备，监护基站设备可以将数据进行显示，并将数据通过有线或者无线的方法传递至医院的基站(6)，进入主控监视端，由医院主计算机进行相应的数据分析、记录以及存储。传感器之间可以进行通信，也可以与医院基站进行通信，因此可以形成多跳自组网。当某一传感器脱离了监护基站设备的监控范围，但是还可以和其他传感器节点进行通信的时候，该传感器节点就可以自动发现其他节点，并且通过其他的传感器节点将自己的数据传输至监护基站设备(4)。
图2的社区及医院的监护系统传感器网络中，监护基站设备之间组成一个微网(第二层网络)(2)，相互之间可以进行通信，对于信号不能够达到医院基站的监护基站设备，可以通过其他的监护基站设备做中转路由，将信号间接传递至第二层网络的医院基站(6)。
社区及医院的监护系统传感器网络，由多个微微网(1)和医院基站(6)组成第二层网络，也称微网(2)，医院基站(6)连入服务器计算机(9)，通过医院有线网络(7)连接入医院或社区有线网络(3)，进行信息传递，微微网(1)之间可互相联系。
监护基站设备(4)设计为手持设备作为人机交互的主要设备，与周边其他监护基站设备进行通信，同时也对测量模块进行控制。测量模块组成一个传感器节点(5)，对相应生命指标进行监测，测量结果通过监护基站设备显示出来，或者传递至服务器。
医疗监护基站设备设计成为手持设备，在设备上集成键盘、显示屏、通信接口、简单测量模块等，可以通过键盘对仪器的简单操作，进行相应模块功能的调用，将工作方式以及测量结果等在显示屏上显示出来，以利于操作人员读取数据。同时该设备可以通过通信接口将数据传递至计算机，使用计算机对手持仪器进行控制，读取内部数据。
一套监护设备包括监护基站设备(手持设备)(4)、传感器节点(5)。
当该系统使用在医院时，监护基站设备与传感器节点组成一个微微网(第一层网络)，监护基站设备作为该微微网的基站使用，对设置在人体上的传感器节点进行控制，从传感器节点收集所采集的数据。监护基站设备之间组成微网(第二层网络)，相互通过无线多通道通信方式进行通信，对于不能够达到医院基站的监护基站设备，可以通过其他的监护基站设备进行中转路由，将信息间接传递至医院基站，从而实现该微网结构。监护基站设备使用一个医院基站接入主控计算机，由主控计算机接入医院系统局域网，主控计算机可以通过医院基站对手持设备进行管理，数据收集等工作。
当该系统在家庭使用时，监护基站设备设计为手持设备型，作为家庭基站，与传感器节点之间组成一个微微网，传感器节点根据监护基站设备发来的控制信息采集被监护人员的生命指标，通过无线方式传送到监护基站设备进行显示以及记录。监护基站设备根据不同的需要，设计了GSM(GPRS)短消息模块、电话线调制解调器接口、网络接口以及同计算机直接通信的串行接口。短消息模块、调制解调器接口、网络接口可以将采集后的数据直接发送到所属医院的主服务器，由医院进行集中存储以及管理，如果生命指标达到预警值，则根据病人的不同情况做出相应反应。手持监护基站设备也可以使用串行接口直接将数据存储在被监护人员家庭中的计算机上，由家庭人员自行存储、分析以及管理，如果需要，也可以通过网络传输之所属医院的主服务器。
手持监护基站设备作为微微网的基站使用，其中的人机交互部分包括输入键盘，由操作人员输入操作指令；液晶显示屏，显示供给操作人员查看的测量数据。监护基站设备提供的数据接口包括串行通信接口、网络接口、电话线调制解调器接口、射频无线通信接口、GSM短消息通信接口。
图3的接入Internet的社会联动网络，包括了家庭监护系统传感器网络的第一层网络(微微网)和社区及医院的监护系统传感器网络。通过医院局域网络(7)与社会联动网络(第三层网络3)连接。构成一种基于传感器网络的医疗监护系统。
监护基站设备的所有数据由核心处理器进行控制处理。处理器接收操作人员通过键盘输入的操作指令，通过液晶显示屏显示对设备的操作、测量结果等数据。处理器使用不同的通信接口根据操作人员的操作将数据向上一级网络进行传输，或者接收上一级网络的指令，做出响应操作。监护基站设备的结构图如附图4所示。监护基站设备(4)，由人机接口的输入键盘、显示屏、输入到中央处理器，中央处理器再连接到通信接口的电话线调制解调器、GSM短消息模块、网络接口、射频通信模块、串行通信接口。
传感器节点包括无线射频通信模块、传感器模块。
节点控制器通过射频模块接收由基站发送来的数据指令，使用传感器进行数据采集，采集之后将数据进行打包处理发送至基站。传感器模块可以使用血氧测量模块测量血氧情况、血压测量模块测量血压、脉搏等、血糖测量模块测量血糖含量、心电测量模块测量心电情况并显示出心电图。
传感器节点的结构图如附图5所示。传感器节点(5)，由传感器模块、中央处理器、射频通信模块组成，传感器模块连接到中央处理器，中央处理器再连接到传射频通信模块。
由于系统使用电池供电，为减少电池的消耗，获得最大的使用时间，系统使用了低功耗技术，进行严格的电源管理，对于处于不工作状态的器件，使其完全进入休眠状态，切断其电源，以最大限度的延长电池的使用时间。
图6的基于传感器网络的医疗监护系统的方法，其具体步骤如下步骤S6-1，首先启动第一层网络(微微网)(1)，建立起传感器节点(5)与监护基站设备(4)的连接以及相互之间的通信；步骤S6-2，第一层网络进行通信，监护基站设备(4)控制传感器节点(5)进行数据采集；步骤S6-3，对于不能直接通过无线网络传输到达基站的传感器节点，则通过第一层网络进行数据传输，到达基站的传感器节点将数据多跳传输至监护基站设备；步骤S6-4，医院区域网络(2)连接，监护基站设备(4)通过医院基站(6)与服务器计算机(9)建立连接；进行数据通信，将传感器节点(5)采集的数据传递至服务器数据库中；步骤S6-5，对于不能直接通过无线网络将数据传输至服务器计算机的监护基站设备，则通过第二层网络进行连接，到达服务器计算机的监护基站设备使用多跳传输的方法，将数据传递至计算机；步骤S6-6，监护基站设备(4)与服务器进行数据通信，将传感器节点(5)采集的数据传递至服务器数据库中；步骤S6-7，整个社区与医院有线网络(3)之间相互进行通信，实现数据信息共享。
图7的家庭监护系统传感器网络的第一层网络方法，其具体步骤如下步骤S7-1，首先启动监护基站设备(4)；
步骤S7-2，然后启动传感器节点(5)，将两种设备分别设置与正确的工作方式；步骤S7-3，设置监护基站设备，使得监护基站设备寻找到传感器节点，能够直接与监护基站设备通信的节点建立直接连接；步骤S7-4，不能够和监护基站设备直接通信的节点通过网络多跳的方式，与监护基站设备建立连接；步骤S7-5，监护基站设备控制传感器节点，进行实时数据采集；步骤S7-6，同时将采集到的数据通过无线网络通信方式传递至监护基站设备；步骤S7-7，监护基站设备将收集到的数据进行存储以及显示；步骤S7-8，同时按照设定的协议将数据通过医院基站(6)传递至服务器计算机(9)，完成第一层网络的工作。
图8是本发明医院区域监护系统传感器网络的方法，其具体步骤如下步骤S8-1，首先启动监护基站设备(4)，建立第一层网络(1)之后；步骤S8-2，监护基站设备通过医院基站(6)与服务器计算机(9)进行连接；步骤S8-3，对于不能够达到服务器计算机的监护基站设备，则寻找其他监护基站设备，通过无线网络的多跳传输到达医院基站(6)；步骤S8-4，将数据传输至医院服务器计算机；步骤S8-5，监护基站设备与服务器计算机之间进行数据通信，实现医院区域网络(2)。
图9是本发明的社区及医院的监护系统传感器网络方法，其具体步骤如下步骤S9-1，首先启动所有网络内的医疗监护系统服务器计算机；步骤S9-2，计算机相互之间发出申请，进行通信，建立连接；步骤S9-3，建立连接之后服务器之间相互进行连接请求，如果请求被同意，则所有服务器之间进行数据通信，实现数据共享，如果服务器之间的请求没有响应，则发出请求的服务器进入等待状态；步骤S9-4，在下一次需要连接的时候重新进行连接。
图10是本发明的监护基站设备的装置流程图。其具体步骤如下
步骤S10-1，监护基站设备启动，进行上电自检，启动相应的装置；步骤S10-2，启动键盘与液晶显示屏部分；步骤S10-3，监护基站设备寻找周围的传感器节点；步骤S10-4，如果检测到周围有传感器节点，则与该节点建立网络连接，若没有检测到传感器节点，则进入循环检测状态，继续寻找传感器节点；步骤S10-5，同时监护基站设备寻找其他传感器节点，以建立新的连接；步骤S10-6，监护基站设备使用无线网络控制传感器节点进行人体生理指标采集；步骤S10-7，同时将采集到的数据存储在本机存储器上，以及显示在液晶显示屏上；步骤S10-8，如果需要进行上一层次的网络连接，则进行数据通信，建立网络连接；步骤S10-9，如果连接成功，则进行数据通信，将监护基站设备内存储的数据传递至上一层网络服务器计算机。
图11是本发明的传感器节点的装置流程图。其具体步骤如下步骤S11-1，传感器节点(5)启动，进行内部电路初始化，使得CPU、无线通信装置、传感器正常工作；步骤S11-2，启动传感器；步骤S11-3，通过无线网络与监护基站设备建立连接，由监护基站设备(4)控制进行数据采集；步骤S11-4，通过无线网络将数据传递至监护基站设备。
权利要求
1.一种基于无线传感器网络的医疗监护系统，包括家庭监护系统传感器网络的第一层网络和社区及医院的监护系统传感器网络，通过社区及医院局域网连接于社会联动网络。
2.根据权利要求1的基于无线传感器网络的医疗监护系统，其特征在于，家庭监护系统传感器网络的第一层网络(1)，包括由监护基站设备(4)和传感器节点(5)构成一个第一层网络，也称微微网(1)，用于综合数据传输。
3.根据权利要求1的基于无线传感器网络的医疗监护系统，其特征在于，社区及医院的监护系统传感器网络，由多个微微网(1)和医院基站(6)组成第二层网络，也称微网(2)，医院基站(6)通过社区或医院局域网(7)与服务器计算机(9)联系，微微网(1)之间可互相联系。
4.根据权利要求1或2的基于无线传感器网络的医疗监护系统，其特征在于，监护基站设备(4)，由人机接口的输入键盘、显示屏、输入到中央处理器，中央处理器再连接到通信接口的电话线调制解调器、GSM短消息模块、网络接口、射频通信模块、串行通信接口。
5.根据权利要求1或2的基于无线传感器网络的医疗监护系统，其特征在于，传感器节点(5)，由传感器模块、中央处理器、射频通信模块组成，传感器模块连接到中央处理器，中央处理器再连接到传射频通信模块。
6.一种基于无线传感器网络的医疗监护系统方法，具体步骤如下步骤S6-1，首先启动第一层网络(1)，建立起传感器节点(5)与监护基站设备(4)的连接以及相互之间的通信；步骤S6-2，第一层网络进行通信，监护基站设备(4)控制传感器节点(5)进行数据采集；步骤S6-3，对于不能直接通过无线网络传输到达基站的传感器节点，则通过第一层网络进行数据传输，到达基站的传感器节点将数据多跳传输至监护基站设备；步骤S6-4，医院区域网络(2)连接，监护基站设备(4)通过医院基站(6)与服务器计算机(9)建立连接；进行数据通信，将传感器节点(5)采集的数据传递至服务器数据库中；步骤S6-5，对于不能直接通过无线网络将数据传输至服务器计算机的监护基站设备，则通过第二层网络进行连接，到达服务器计算机的监护基站设备使用多跳传输的方法，将数据传递至计算机；步骤S6-6，监护基站设备(4)与服务器进行数据通信，将传感器节点(5)采集的数据传递至服务器数据库中；步骤S6-7，整个社区与医院有线网络(3)之间相互进行通信，实现数据信息共享。
7.根据权利要求6的基于无线传感器网络的医疗监护系统方法，其特征在于，家庭监护系统传感器网络的第一层网络方法，其具体步骤如下步骤S7-1，首先启动监护基站设备(4)；步骤S7-2，然后启动传感器节点(5)，将两种设备分别设置与正确的工作方式；步骤S7-3，设置监护基站设备，使得监护基站设备寻找到传感器节点，能够直接与监护基站设备通信的节点建立直接连接；步骤S7-4，不能够和监护基站设备直接通信的节点通过网络多跳的方式，与监护基站设备建立连接；步骤S7-5，监护基站设备控制传感器节点，进行实时数据采集；步骤S7-6，同时将采集到的数据通过无线网络通信方式传递至监护基站设备；步骤S7-7，监护基站设备将收集到的数据进行存储以及显示；步骤S7-8，同时按照设定的协议将数据通过医院基站(6)传递至服务器计算机(9)，完成第一层网络的工作。
8.根据权利要求6的基于无线传感器网络的医疗监护系统方法，其特征在于，医院区域监护系统传感器网络的方法，其具体步骤如下步骤S8-1，首先启动监护基站设备(4)，建立第一层网络(1)之后；步骤S8-2，监护基站设备通过医院基站(6)与服务器计算机(9)进行连接；步骤S8-3，对于不能够达到服务器计算机的监护基站设备，则寻找其他监护基站设备，通过无线网络的多跳传输到达医院基站(6)；步骤S8-4，将数据传输至医院服务器计算机；步骤S8-5，监护基站设备与服务器计算机之间进行数据通信，实现医院区域网络(2)。
9.根据权利要求6的基于无线传感器网络的医疗监护系统方法，其特征在于，社区及医院的监护系统传感器网络方法，其具体步骤如下步骤S9-1，首先启动所有网络内的医疗监护系统服务器计算机；步骤S9-2，计算机相互之间发出申请，进行通信，建立连接；步骤S9-3，建立连接之后服务器之间相互进行连接请求，如果请求被同意，则所有服务器之间进行数据通信，实现数据共享，如果服务器之间的请求没有响应，则发出请求的服务器进入等待状态；步骤S9-4，在下一次需要连接的时候重新进行连接。
10.根据权利要求6的基于无线传感器网络的医疗监护系统方法，其特征在于，监护基站设备的装置的方法，其具体步骤如下步骤S10-1，监护基站设备启动，进行上电自检，启动相应的装置；步骤S10-2，启动键盘与液晶显示屏部分；步骤S10-3，监护基站设备寻找周围的传感器节点；步骤S10-4，如果检测到周围有传感器节点，则与该节点建立网络连接，若没有检测到传感器节点，则进入循环检测状态，继续寻找传感器节点；步骤S10-5，同时监护基站设备寻找其他传感器节点，以建立新的连接；步骤S10-6，监护基站设备使用无线网络控制传感器节点进行人体生理指标采集；步骤S10-7，同时将采集到的数据存储在本机存储器上，以及显示在液晶显示屏上；步骤S10-8，如果需要进行上一层次的网络连接，则进行数据通信，建立网络连接；步骤S10-9，如果连接成功，则进行数据通信，将监护基站设备内存储的数据传递至上一层网络服务器计算机。
11.根据权利要求6的于无线传感器网络的医疗监护系统方法，其特征在于，传感器节点装置的方法，其具体步骤如下步骤S11-1，传感器节点(5)启动，进行内部电路初始化，使得CPU、无线通信装置、传感器正常工作；步骤S11-2，启动传感器；步骤S11-3，通过无线网络与监护基站设备建立连接，由监护基站设备(4)控制进行数据采集；步骤S11-4，通过无线网络将数据传递至监护基站设备。
全文摘要
本发明涉及医疗监护技术领域，特别是一种基于无线传感器网络的医疗监护系统、装置及方法。包括家庭监护系统传感器网络的第一层网络和社区及医院的监护系统传感器网络，通过社区及医院局域网连接于社会联动网络。在人体周围由监护基站设备和生物医疗传感器节点构成第一层网络；在第一层网络、普通网络之间由监护基站组成第二层网络；通过Internet互联网组成社会联动的第三层网络。方法包括医疗监护系统的方法，医疗监护第一层网络工作的方法，社会医疗网联动的方法，监护基站设备的方法，监护传感器节点的方法。可广泛应用于家庭医疗监护或医院医疗监护以及社区医疗、多社区联动及整个社会联动的应用场合。
文档编号H04L12/28GK1631315SQ20041000985
公开日2005年6月29日 申请日期2004年11月25日 优先权日2004年11月25日
发明者赵泽, 苗勇, 崔莉 申请人:中国科学院计算技术研究所