Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là một công nghệ mới nổi kết hợp nhiều lĩnh vực như công nghệ cảm biến, công nghệ tính toán nhúng, mạng hiện đại và công nghệ truyền thông không dây, công nghệ xử lý thông tin phân tán, công nghệ này có nhiều ứng dụng.

Với sự phát triển của công nghệ, WSN (Wireless Sensor Network) sẽ có tác động sâu sắc đến nhiều khía cạnh của thực hành y tế. Bài viết này chủ yếu đề cập đến kiến trúc của hệ thống giám sát y tế cho mạng cảm biến không dây và các nguyên tắc chung về thiết kế nút giám sát.

Kiến trúc mạng cảm biến không dây

Một số lượng lớn các nút cảm biến được bố trí trong khu vực giám sát, giữa các nút sử dụng phương pháp tự tổ chức để tổ chức mạng và sử dụng công nghệ truyền thông không dây để chuyển tiếp dữ liệu, mỗi nút có chức năng kép là thu thập dữ liệu và chuyển tiếp hợp nhất dữ liệu. Các nút tiến hành xử lý dữ liệu bước đầu và hội nhập thông tin về thông tin mà bản thân thu thập được và các nút khác gửi đến các nút liền kết nối, sau đó truyền đến người dùng cuối bằng cách mạng In - tơ - nét, vệ tinh, v. v.

Nút là đơn vị chức năng cơ bản của mạng cảm biến không dây, ứng dụng cụ thể khác nhau, thiết kế nút cũng khác nhau. Các mô-đun thành phần cơ bản của nút cảm biến là: đơn vị cảm biến, đơn vị xử lý, đơn vị truyền thông và phần nguồn. Ngoài ra, các đơn vị chức năng có thể được thêm vào theo yêu cầu ứng dụng cụ thể, chẳng hạn như: hệ thống định vị, hệ thống di động và hệ thống tự cấp nguồn, v.v.

Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong y tế

Mạng cảm biến không dây sử dụng những ưu điểm riêng của nó (chẳng hạn như chi phí thấp, dễ dàng, nhanh chóng và không xâm lấn trong thời gian thực để thu thập các thông số sinh lý khác nhau của bệnh nhân, v.v.), làm cho nó có tiềm năng phát triển lớn trong nghiên cứu y tế, bệnh viện nói chung/ICU phường hoặc gia đình chăm sóc hàng ngày, và là một điểm nóng trong lĩnh vực nghiên cứu hiện nay.

Đặt các nút cảm biến nhỏ để phát hiện các thông số của con người trên cơ thể bệnh nhân, có thể theo dõi nhịp tim, huyết áp, điện tim, âm thanh tim và các thông số sinh lý khác theo thời gian thực từ xa, và tổng hợp thông tin đến trung tâm chăm sóc để xử lý và phản hồi kịp thời; Việc sử dụng WSN để thu thập dữ liệu sinh lý của người được quan sát trong một thời gian dài sẽ rất hữu ích trong việc hiểu tình trạng sức khỏe của con người cũng như nghiên cứu bệnh tật của con người. Ngoài ra, trong quản lý thuốc và nghiên cứu phát triển các loại thuốc mới, quản lý máu và nhiều khía cạnh khác, cũng có ứng dụng * của nó. Tóm lại, mạng cảm biến không dây cung cấp phương tiện thực hiện đơn giản hơn, chi phí thấp hơn cho hệ thống giám sát y tế từ xa trong tương lai.

Kiến trúc y tế dựa trên mạng cảm biến không dây

Hệ thống chăm sóc y tế dựa trên mạng cảm biến không dây chủ yếu bao gồm các nút cảm biến y tế, trạm gốc chăm sóc y tế (nút SINK y tế) và một số thành phần của trung tâm chăm sóc cộng đồng/bệnh viện.

Các nút cảm biến y tế và các trạm cơ sở chăm sóc sức khỏe tạo thành mạng cảm biến không dây cá nhân/gia đình hoặc phòng bệnh, và nhiều mạng như vậy có thể tạo thành mạng lưới chăm sóc sức khỏe cộng đồng hoặc toàn bộ bệnh viện hoặc thậm chí là một hệ thống chăm sóc sức khỏe từ xa rộng lớn hơn. Đầu tiên, các nút cảm biến y tế thu thập các thông số sinh lý của con người, và sau khi xử lý đơn giản các thông số thu thập được, truyền dữ liệu đến trạm cơ sở bằng cách truyền thông không dây trực tiếp hoặc gián tiếp. Trạm giám hộ sau khi xử lý thêm dữ liệu sẽ chuyển đến Trung tâm giám hộ, Trung tâm giám hộ tiến hành phân tích xử lý và kịp thời phản hồi thông tin về bệnh nhân. Trung tâm giám hộ cũng có thể sử dụng nhiều phương thức (Internet, mạng viễn thông di động, v.v.) để truyền dữ liệu từ xa, chia sẻ thông tin với các trung tâm giám hộ khác.

Thiết kế nút cảm biến y tế

Cấu trúc cơ bản của các nút cảm biến y tế bao gồm mô-đun xử lý, mô-đun cảm biến và mô-đun thu phát không dây cũng như mô-đun cung cấp năng lượng.

Mô-đun cảm biến được sử dụng để nhận biết, thu thập, chuyển đổi tín hiệu cảm biến bên ngoài. Là mô - đun mà toàn bộ nút thực sự tiếp xúc với các tín hiệu bên ngoài. Tuy nhiên, các cảm biến y tế được đo bằng cơ thể sống. Nhất là cơ thể con người, có thể nói là hệ thống phức tạp trên thế giới, giữa các biến số sinh lý tồn tại tương quan cao độ hơn nữa không dễ tiếp cận. Vì vậy, cảm biến y tế phải lấy khối lượng sinh lý dự đoán từ nhiều hiện tượng, để có được dữ liệu đo lường đáng tin cậy và có ý nghĩa, đồng thời đảm bảo sự an toàn của đối tượng được thử nghiệm.

Vì các thông số cơ thể con người chủ yếu là tín hiệu yếu, thường chỉ có một vài mức mV, hoặc thậm chí thấp hơn, và có nhiều loại tiếng ồn (tiếng ồn xung quanh đo lường, tiếng ồn ma sát của dụng cụ và cơ thể con người và tiếng ồn của chính dụng cụ, vv), nhiễu tần số công suất (do sự hiện diện của trường điện từ 50 Hz xung quanh môi trường đo) và các yếu tố bất lợi khác. Do đó, trong thiết kế nút cảm biến y tế cụ thể, mô-đun xử lý mạch tương tự được thêm vào, thường bao gồm các phần sau: mạch khuếch đại, mạch lọc, mạch chìm và mạch chuyển đổi mô-đun (A/D), v.v. Trong thiết kế nút mạch khuếch đại thường sử dụng khuếch đại đa giai đoạn (ba hoặc bốn giai đoạn), mạch khuếch đại giai đoạn cuối ngoài chức năng khuếch đại thường có chức năng nâng cấp; Mạch lọc: phải đáp ứng các yêu cầu mạch ngắn gọn, tần số cắt hợp lý, điều chỉnh linh hoạt và thuận tiện tần số cắt cao và thấp, lọc hợp lý tín hiệu nhiễu tần số cao và tần số thấp; Mạch chìm: hiện nay sử dụng rộng rãi đối xứng đôi T-resistance chủ động tramper hoặc sử dụng tích hợp switch tụ điện và không đối xứng điện trở mạng lưới tramper vv Tóm lại, mô-đun xử lý mạch analog chủ yếu để khuếch đại tín hiệu thu được, lọc, bẫy và xử lý khác, loại bỏ tiếng ồn, nhiễu trong tín hiệu và trích xuất tín hiệu hữu ích.

Mô-đun bộ xử lý là cốt lõi của nút cảm biến, chịu trách nhiệm kiểm soát thiết bị trong toàn bộ nút, phân công và lập kế hoạch nhiệm vụ, tích hợp và truyền dữ liệu, v.v. Các mô-đun bộ xử lý được sử dụng nhiều nhất hiện nay là chip đơn AVR của Atmel, bộ xử lý công suất cực thấp MSP430 của TI, bộ xử lý của Motorola và Renesas và chip đơn ARM là bộ xử lý nhúng 32 bit. Trong thiết kế nút, phải được lập trình để thực hiện điều khiển thu nhận mô-đun cảm biến của mô-đun bộ xử lý, thực hiện chuyển đổi A/D và kiểm soát việc gửi và nhận mô-đun truyền thông không dây.

Mô-đun thu phát không dây được sử dụng để truyền dữ liệu giữa các nút. Các mô-đun thu phát không dây được sử dụng nhiều hơn trong lĩnh vực không dây là CCl000, CC2420, CC2430 của Chipcon. Các công nghệ truyền thông không dây phổ biến là: IEEE 802.1lb, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth, UWB, RFID, IrDA (hồng ngoại), v.v. Hệ thống giám hộ chủ yếu sử dụng IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth để cho phép giao tiếp dữ liệu giữa các nút và trạm gốc.

Mô-đun nguồn cung cấp năng lượng cho các nút và là mô-đun cơ bản cho toàn bộ nút cảm biến không dây. Tuy nhiên, bị giới hạn bởi khối lượng nút, các nút cảm biến có năng lượng rất hạn chế. Do đó, trong toàn bộ thiết kế nút, với mức tiêu thụ điện năng thấp, độ chính xác cao là yêu cầu chính, một loạt các biện pháp hiệu quả được thực hiện để tiết kiệm năng lượng. Ngoài ra, các nút cảm biến y tế không thể thay pin thường xuyên, ảnh hưởng đến cuộc sống bình thường của con người. Vì vậy, các nút y tế được thiết kế nên có vòng đời dài hơn.

Những thách thức tồn tại đối với hệ thống giám sát mạng cảm biến không dây y tế

Mặc dù mạng cảm biến không dây có những lợi thế * của nó trong việc hình thành một hệ thống chăm sóc y tế, có những thách thức sau đây để áp dụng vào chăm sóc sức khỏe thực tế:

Quản lý tính di động của nút trong mạng lưới động và mạng lưới quy mô lớn: Khi hệ thống giám sát mở rộng đến các cộng đồng, thành phố và thậm chí cả quốc gia, mạng lưới của nó rất lớn và các nút giám sát và trạm cơ sở đều có tính di động nhất định. Do đó, một cấu trúc quản lý topo mạng thích hợp cũng như phương pháp quản lý tính di động của nút phải được thiết kế.

Tính toàn vẹn dữ liệu và nén dữ liệu: Các nút đôi khi cần đến 24 giờ để theo dõi các thông số của con người, các nút thu thập dữ liệu lớn và dung lượng lưu trữ của các nút nhỏ, thường sử dụng các thuật toán nén để giảm lưu trữ và truyền dữ liệu. Tuy nhiên, chi phí của thuật toán nén dữ liệu truyền thống là quá lớn để phù hợp với các nút cảm biến. Ngoài ra, thuật toán nén không thể làm hỏng dữ liệu gốc, nếu không nó sẽ gây ra chẩn đoán sai cho bệnh nhân.

Bảo mật dữ liệu: Các nút mạng cảm biến không dây được tổ chức theo cách tự tổ chức, dễ bị tấn công, ngoài ra, thông tin của bệnh nhân cần được giữ bí mật. Tuy nhiên, các nút cảm biến có khả năng tính toán khá hạn chế và cả bảo mật và mã hóa truyền thống đều không phù hợp. Do đó, một thuật toán cộng giải mã phù hợp với các nút cảm biến phải được thiết kế.