傳感器在醫療儀器中的應用

摘 要：人口老齡化現象的日益嚴重，使社會普遍面臨著醫療資源緊缺的現實難題，在此形勢下，基于物聯網技術的智慧醫療應運而生。醫療物聯網的實現依賴于各類先進的人體傳感技術，因此研究傳感器在醫療領域的應用意義重大。本文提出了一套基于無線傳感技術的智能醫療系統，可以實現對多項人體參數的動態監測，監測數據可以實時傳輸給社區醫生進行在線診斷。本文的研究可以為醫療儀器的智能化發展提供參考。

關鍵詞：人體傳感器;智慧醫療;無線網絡

隨著“互聯網+”計劃的提出，物聯網技術也進入了新一輪的發展高潮，并在各領域中不斷滲透，使社會信息化和智能化程度進一步提升。在人口老齡化問題日益突出的今天，人們對醫療的需求也不斷提高，智慧醫療迅速成為物聯網技術應用的重要方向。通過物聯網技術的應用，可以在一定程度上解決醫療資源緊缺的矛盾，實現醫療資源的優化配置。物聯網的實現又對傳感器有著強烈的依賴性。本文主要介紹了傳感器技術在醫療儀器中的應用，希望可以為智慧醫療的發展提供一個全新的視角。

1.系統需求分析

從狹義的角度上看，基于傳感器的醫療儀器是指醫療儀器內部使用了傳感器技術，可以為醫生的診斷提供輔助功能。從廣義的角度上看，這里的醫療儀器應為一整套完整的醫療儀器健康管理系統，是以各類人體傳感器為基礎，通過無線網絡技術實現人體健康監測數據的傳輸，由醫生進行遠程分析并診斷，從而為病人提供醫療服務的一整套醫療體系。從當前的調查情況來看，受到物聯網技術的影響，人們普遍希望擁有一套智慧醫療系統，實現全天候、全方位的醫療服務。

為了實現該目的，醫療儀器不僅要包含各類人體傳感器，還需要具備控制系統，對數據進行傳輸和分析，并顯示出來供用戶查看。用戶健康數據應可以保留，為長期的人體健康監護提供數據支持。

2.系統總體架構分析

基于傳感器的醫療儀器系統包含三部分，分別為：人體參數采集及傳輸模塊、移動終端及監護軟件模塊、數據庫管理模塊。首先，在人體中安裝可穿戴型傳感器，對人體的血壓、血氧、脈搏、體溫等參數進行采集，采集到的數據可以通過數據線連接到醫療儀器上，由醫生進行現場分析。也可以通過無線傳感網絡上傳至服務器，并由服務器將數據推送到移動終端軟件上，用戶可以通過移動終端的監護軟件查看自身的參數數據，如有需要可向社區醫生發起視頻通話，實現遠程監護和診斷。系統的數據將存儲在數據庫中，形成健康檔案永久保存。

在數據傳輸方面，當前可實現無線傳輸的方案有很多，例如藍牙、WiFi、紅外技術、Zigbee、GPRS等等。對于醫療儀器而言，藍牙成本較高，傳輸距離較短，安全性也難以保證。WiFi不僅在功耗上不能滿足要求，而且很容易泄露信息，安全性不高。紅外技術在點對點傳輸方面有較大優勢，但不適用于醫療儀器組網。因此基于傳感器的醫療儀器系統采用Zigbee技術。

3.數據傳輸模塊分析

3.1通信傳輸模塊

基于傳感器的醫療儀器系統采用Zigbee技術，充分發揮其低成本、低功耗、多節點、安全可靠、自組網等特點，盡管Zigbee的帶寬不大，但對于醫療儀器來說是足夠的。系統采用CC2530控制器對通信傳輸進行控制，支持IEEE802.15.4和Zigbee標準，內容集成了2個UART接口、21個通用I/O，通過射頻收發器完成無數數據傳輸。考慮到后期物聯網的廣泛應用，專門設計了相應的移動通信接口，允許用戶通過GPRS、3G、4G等移動網絡單元或NB-IOT單元實現無線組網，以適應未來的物聯網發展。

3.2 數據接口

系統提供了以太網接口、RS485、RS232等標準接口，可以滿足用戶的多元化需求。以太網接口通常是用戶首選的通信方式，這是因為在條件允許的前提下，采用有線以太網絡進行數據傳輸可以取得更高的傳輸質量和穩定性。以太網不僅可以直接通過路由設備接入局域網或互聯網，還可以通過4G路由器實現無線通信。為了滿足近場數據傳輸，控制模塊還提供了RS-232、RS-485、UART和CAN總線接口，使用戶只需要一要串口線就能完成近場的數據傳輸，對于目前的醫療設備而言，串口通信仍然是必不可少的。考慮到醫院或社區的大規模組網需求，還提供了CAN總線接口，CAN數據收發由TAJ1050芯片完成。多元化的數據接口基本保證了各類數據傳輸需求。

4.電源模塊

電源是電子醫療儀器功能實現的基礎，為硬件電路提供能量來源，穩定的供電系統是保證控制器可靠工作的前提，因此電源模塊的設計對于醫療儀器系統的綜合性能影響巨大。在電源設計過程中，充分考慮了濾波、穩壓、隔離和電氣保護等要求，提高了電源的抗干擾性。本模塊采用了DC-DC隔離電源芯片B1205S-2W，直接把24V直接電轉換到5V，為光電耦合器、傳感器等模塊提供工作電壓。5V直流電再經過LM2576-5以及LM1117-3.3線性穩壓器，得到高度穩定的3.3V直流電壓，為Zigbee 無線節點和協調器供電。為了避免電路之間的相互干擾，電源的各供電線路分別接獨立的地線，同時在電源輸入端接濾波電容，提高電壓穩定性。通過接入熔斷器防止短路或過載造成設備燒壞，采用電感器過濾交流信號成份，抑制諧波的生成。

5.人體參數傳感器應用

5.1血壓傳感器

血壓是醫療診斷的重要參數，也是許多疾病判定的重要依據。系統采用HKB-08B血壓傳感器對人體血壓進行測量，該傳感器采用了壁式測量方式，具有精度高、穩定性好、響應范圍大等優點，測量范圍在最小為-300mmHg，最高可達800mmHg，分辨率精確到1mmHg。血壓傳感器與Zigbee采集節點通過USB數據線相連。

5.2血氧傳感器

系統采用HKS-12U數字血氧飽和度測量傳感器，可以實現對人體血氧的動態測量，其基本原理是先向血液樣本中發射紅外測試信號，部分紅外能量會被血液中的血紅蛋白和氧合血紅蛋白吸收，但兩者的吸收率有明顯的差異，通過分析這種差異即可計算出血氧飽和度。用HKS-12U具有較強的抗干擾能力，分辨率為1%，精度為2%。傳感器通過TTL接口與Zigbee采集節點相連。

5.3脈搏傳感器

人體脈搏的測量采用了HK-2000C型數字脈搏傳感器，該傳感器內部集成了壓電薄膜、感溫元器件、信號處理單元、放大器、A/D轉換以及串行接口等片上資源，采用了壓電式感應技術，將脈搏的壓力轉化為電信號，由A/D 轉換器轉換為數字信號后輸出。傳感器通過RS232串行接口與Zigbee采集節點相連。

5.4體溫傳感器

體溫測量與通常的溫度測量原理大體一致，本系統采用了單總線型數字溫度傳感器DS18B20。該傳感器由于結構簡單、接線簡潔、性能穩定、精度較高等優勢而得到廣泛的應用。DS18B20一共引出3只引腳，分別為地線、電源線和信號線，工作電壓為3.0-5.5V，響應范圍處于-55- +125℃之間，精度在±0.5℃內。顯然測量精度還不能滿足體溫測量要求，因此采用多個DS18B20 并聯的方式提高測量精度，使測量精度達到了±0.1℃，基本滿足醫療設備對人體溫度的測量需求。

6.結語

隨著各類人體傳感器的進步，對人體進行遠程實時監測已不是什么難題，但要實現整個醫療系統的信息化和智能化發展卻并非易事。相信在不久的將來，社區醫療將逐步走向物聯網集成方向，為醫護人員和被監護人之間架起一座強大的信息橋梁。可見，傳感器在醫療儀器的應用有著廣闊的市場前景。在人口老齡化不斷加深的背景下，傳感器的應用將突破單臺儀器的范圍，在無線網絡技術的支持下，朝著整個智慧醫療系統的層次發展。

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作者簡介：

王智鵬，男，漢族，湖北武漢，湖北科技學院在讀，生物醫學工程學院，生物醫學工程專業（儀器方向）