РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 9, с. 974-984
ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ В БИОЛОГИИ И МЕДИЦИНЕ
УДК 621.391
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СЕНСОРНАЯ СЕТЬ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
© 2015 г. А. С. Дмитриев1, 2, А. И. Рыжов1, В. А. Лазарев1, Н. В. Малютин3,
Г. К. Мансуров1, М. Г. Попов1, 2
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Российская Федерация, 125009, Москва, ул. Моховая, 11, стр.7 2Московский физико-технический институт (государственный университет), Российская Федерация, 141700, Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9 3ОАО Научно-производственный центр "Сапсан" Российская Федерация, 115280, Москва, ул. Автозаводская, 23, корп. 15 E-mail: chaos@cplire.ru Поступила в редакцию 30.12.2014 г.
Предложена концепция сверхширокополосных (СШП) беспроводных сенсорных сетей (БСС) медицинского назначения, в которой в качестве носителей информации используются хаотические радиоимпульсы. Для обоснования концепции и проверки соответствия фактических свойств теоретическим оценкам создан ряд компонентов СШП БСС, реализованы фрагменты сетей с различной топологической структурой и проведены экспериментальные исследования по сбору медицинских данных.
DOI: 10.7868/S0033849415090041
ВВЕДЕНИЕ
В современной медицине существует проблема автоматизации процесса наблюдения за показателями физического состояния организма (электрокардиограмма, давление крови, пульс, дыхание, температура) пациентов, находящихся на стационарном лечении в больницах и клиниках. Ее решение позволит значительно улучшить ситуацию как с диагностикой заболеваний, так и с мониторингом состояния больных в процессе лечения. Об актуальности разработки и внедрения автоматизированных систем мониторинга свидетельствуют следующие цифры. По данным работ [1, 2] от 4 до 17% смертельных случаев в больницах США вызваны остановкой сердца. Исследование подобных случаев показало, что около 70% из них могли бы быть предотвращены при заблаговременном обнаружении ухудшения состояния пациентов. Выявление таких ситуаций возможно при помощи анализа данных, полученных при систематическом наблюдении за основными показателями состояния организма. Подобный непрерывный мониторинг этих параметров в настоящее время осуществляется лишь в реанимационных отделениях.
Проблема может быть решена при помощи беспроводных сенсорных сетей (БСС), которые позволят обеспечить мониторинг основных показателей состояния организма с необходимой ча-
стотой снятия данных [3]. При этом критически важным является выбор типа БСС, обеспечивающих решение требуемых задач.
В работе рассматривается задача создания БСС на основе сверхширокополосных (СШП) приемопередатчиков для сбора медицинских показателей пациентов.
В первом разделе проанализирован накопленный опыт по работе с экспериментальными узкополосными БСС в медицинских учреждениях [4—8] и возникающие при этом типичные проблемы.
Во втором разделе представлена теоретическая оценка характеристик СШП сети и проведено их сравнение с требованиями стандарта IEEE 802.15.6.
В третьем разделе предложена и рассмотрена структура сверхширокополосной беспроводной сети медицинского назначения, алгоритмы ее работы, включая алгоритмы сбора данных сенсором, а также приемопередающие узлы, в которых в качестве носителя информации используются хаотические радиоимпульсы.
Четвертый раздел посвящен испытаниям компонентов сети и сети в целом. Здесь представлены методика, описание и результаты проведенных экспериментов, в которых используются различные топологии сети, возможные при построении БСС в медицинских учреждениях.
1. ОБЗОР ОПУБЛИКОВАННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Созданию и испытаниям экспериментальных сенсорных сетей медицинского назначения в последние годы уделялось большое внимание. Ниже представлен краткий обзор результатов в этом направлении [4—9] и выявленных в процессе исследований проблем.
В работе [4] описано создание, разработка и экспериментальное исследование системы беспроводного клинического мониторинга, которая собирает данные о пульсе и насыщенности крови кислородом. Система состоит из базовой станции, ретрансляторов и оконечных узлов сети (сенсорных узлов), находящихся у пациентов. В сенсорных узлах и ретрансляторах используются приемопередатчики TelosB на основе технологии ZigBee в частотном диапазоне 2.4 ГГц. Для сбора данных из сети применяется протокол CTP (Collection Tree Protocol) [5], предназначенный для маршрутизации в беспроводных сетях, работающих на устройствах с операционной системой Tiny OS. Протокол обеспечивает передачу данных от одного или нескольких сенсоров до одного или нескольких корневых узлов.
В экспериментальной системе использовали 18 ретрансляторов и одну базовую станцию, которые покрывали 16 палат в отделении (в ходе испытаний единовременно наблюдали не более трех пациентов, большую часть времени наблюдали одного пациента). Система работала в госпитале на протяжении семи месяцев, из них полное время активной работы системы составило 41 день. За это время наблюдали в общей сложности 41 пациента. Время активной работы радиочасти составило от 0.12 до 2.09%. Данные с сенсорных узлов собирали один раз в минуту. Таким образом, поток полезных данных от одного сенсорного узла не превышал десятки байт в минуту. Основное достижение работы заключается во всестороннем клиническом испытании БСС для мониторинга пациентов в госпитале. Представлен детальный анализ длительного мониторинга пациентов в отделении кардиологии. В среднем по ансамблю сенсоров надежность работы сети составила 99.68%, а надежность передачи данных от сенсоров — 80.85% (под надежностью сети в работе понимается вероятность доставки данных до места сбора данных, а под надежностью передачи от сенсоров — вероятность правильно принятых данных от сенсоров). Анализ полученных данных показал, что система имеет достаточное временное разрешение для сбора информации, необходимой для обнаружения ухудшения состояния пациентов.
Исследования, опубликованные в [6], являются продолжением представленных в [4], где изложены результаты экспериментов для крупномасштаб-
ных систем беспроводного клинического мониторинга (развернутая сенсорная сеть покрывает пять отделений госпиталя, в каждом отделении находятся одна базовая станция и 14—16 ретрансляторов). Наблюдение за пациентами осуществлялось в течение 14 месяцев, за это время были собраны данные от 355 пациентов.
В работе [7] предложена БСС медицинского назначения для приложений, требующих малых задержек в передаче данных и повышенную надежность (система "тревожная кнопка", которая должна обеспечивать надежную передачу сигнала тревоги от пациента в случае возникновения опасности). Рассматриваемая БСС состоит из трех типов устройств: базовой станции, ретрансляторов и сенсорных узлов (расположенных непосредственно у пациентов). Сенсорные узлы активно работают незначительное время (приемопередатчик выходит из спящего режима только для передачи данных), в то время как ретрансляторы прослушивают радиоэфир постоянно. Передача данных от сенсорных узлов осуществляется с подтверждениями о том, что данные были приняты. В сети используется частотное разделение каналов: одна полоса для передачи служебной информации, а другая — для транслирования самих данных. В качестве приемопередатчика использован радиомодуль Nordic Semiconductor nRF24L01. Устройства были настроены на скорость передачи данных 0.5 Мбит/с в диапазоне 2.4 ГГц. Описаны эксперименты в офисе и в госпитале (в госпитале располагали девять базовых станций, 41 ретранслятор и 12 сенсорных узлов). Задача экспериментов состояла в испытании надежности БСС и времени задержек при передаче данных. Основные результаты испытаний следующие: 97% пакетов было передано с задержкой менее 3.2 с (при этом все сигналы тревоги были успешно переданы по сети), потребление сенсорных узлов варьировалось от 0.55 мВт до 4.5 мВт, потребление ретрансляторов в среднем составило 70 мВт.
В работе [8] описана БСС miTag, предназначенная для использования в медицинских целях в госпиталях и при чрезвычайных ситуациях. Сеть miTag состоит из следующих компонентов: беспроводных нательных сенсорных подсетей малого радиуса действия (несколько метров), осуществляющих сбор необходимых данных у пациентов; беспроводной сенсорной подсети большого радиуса действия (десятки метров), которая служит для доставки данных от пациентов до пункта сбора данных и сервера, который осуществляет сбор, обработку и перенос данных на различные средства отображения (монитор, планшет, телефон и т.д.). Сенсорные узлы сети miTag оснащены радиомодулем ZigBee диапазона 2.4 ГГц. В работе использовались датчики, измеряющие следующие параметры: насыщенность кислородом крови, давление крови,
температуру, электрокардиограмму (ЭКГ) с частотой съема данных в диапазоне от 100 до 250 Гц (поток данных 1—2 кбит/с).
В экспериментах с сетью не было обнаружено помех со стороны посторонних радиосредств, находящихся в зоне сети, включая роутеры, работающие на частоте 2.4 ГГц, СШП-метки для отслеживания местоположения внутри зданий и станция наблюдения данных телеметрии GE Apex Pro, работающая на частоте около 400 МГц.
В работе [9] описана система LOBIN по наблюдению за состоянием пациентов, позволяющая осуществлять мониторинг ЭКГ, пульса, температуры тела и других физиологических параметров тела, а также отслеживать местоположение пациентов в рамках госпиталя (с точностью до комнаты, где они находятся). Описываемая система основана на комбинации технологий электронной одежды (e-textile) и БСС. Представлена архитектура сети, описано ее развертывание и приведены результаты испытания в лабораторных условиях и в условиях кардиологического отделения одного из госпиталей Мадрида. Система LOBIN содержит четыре подсистемы: сенсоры для мониторинга физиологических параметров тела, подсистему позиционирования, БСС на основе устройств ZigBee диапазона 2.4 ГГц и систему управления.
В лабораторных условиях были проведены две серии экспериментов: в первой серии использовалась полностью беспроводная се
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.