无线传感网络国内外研究发展状况

    国内外研究发展状况

      监护系统的发展，可追溯至1962年，北美建立第一批冠心病监护病房（CCU），以后，监护系统得到了迅速发展，随着计算机和信号处理技术的不断发展，以及临床对危重患者和潜在危险患者的监护要求的不断提高，对CCU/ICU监护系统功能要求也不断提高；1988—1997年的10年间，一大批有价值的项目相继启动，它代表了第二代远程疗，其声势和影响远远超过了第一代技术。在远程医学系统的实施过程中，美国和西欧国家发展速度最快，联系方式多是通过卫星和综合业务数据网（ISDN),在远程咨询、远程会诊、医学图像的远距离传输、远程会议和军事医学方面取得了较大进展。目前，监护系统除具有以前的多参数生命体征监护的智能报警外，还要求在监护质量以及医院监护网络方面有进一步的提高，以更好地满足临床监护、药物评价和现代化医院管理的需要。

        中国金卫医疗网络即卫生部卫生卫星专网于1997年7月正式开通。它可以为各地疑难急重症患者进行远程、异地、实时、动态电视直播会诊，它已成功地进行大型国际会议全程转播、组织国内外专题讲座、学术交流和手术观摩数十次，标志着我国医疗卫生信息化事业跨入了世界先进水平。1997年9月，中国医学基金会成立了国际医学中国互联网委员会（IMNC）。该组织经过十年三个阶段即：电话线阶段；DDN、光缆、ISDN通讯联网阶段；卫星通讯阶段，逐步在我国开展医学信息及远程医疗工作，目前开展了可视电话系统的远程医疗。

       最早，心电监护的使用是对危重病人抢救开始的，心电监护的发展历程。

      1. 1933年：Hooker首次进行实验动物心脏复苏，通过密切观察心脏跳动状况，来总结和判断病人的危重抢救效果。
       2. 1943年：Claude Beek首次在手术室内实施电除颤，开始ECG的监测和临床应用。
       3. 1952年：Zoll首次推出心脏起搏术，通过对心脏功能未完全恢复的病人进行起搏、监护，使病人得以康复；
       4. 1956年：体外除颤仪问世，提高了危重病人抢救的存活率；

      5. 1960年：Kauwenhoven报道胸外心脏按摩有效，心脏复苏技术日渐成熟；
       6. 1970s：持续床边ECG监测，能够适时不断地监护病人的ECG状况，使得心脏病人及危重病人得以密切和连续的观察，同时帮助医务人员能对病人的心电情况做出连续的分析和判断；

      7. 1980s：Swan-Ganz肺动脉漂浮导管的出现及临床应用，将血流动力学监测（有创压、心排量等）引入临床，监测功能更加多，医务人员获取的客观监测信息更加丰富，从而大大促进医疗水平和科研；
       8. 1990s：临床开始应用持续无创血压监测技术；

       针对目前心电监护系统的研究现状，人们研制了具有快速、灵敏、操作方便等特点的无线监护系统，使病人不用再被繁冗的连线所束缚，可以在医院范围内随意走动，从而获得了较为真实准确的数据资料。当前国内外无线心电监护系统大多采用固定电话网（PSTN）、移动通讯网（GSM）、GPRS和蓝牙技术来实现，例如美国的HeartFAX系统、瑞典的Caliber Trigger Monitor系统、北京世纪今科的蓝牙PDA型心电监护系统等。

 

    无线传感器网络国内外研究现状与发展

       无线传感器网络作为信息领域的一个全新的方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间学术交叉的结果，已经引起了学术界和工业界的广泛关注。国外的许多大学和研究机构纷纷投入了大量的研发力量从事无线传感器网络软硬件系统的研究工作，最具代表性的是UC/Berkeley大学和Intel联合成立的被称为智能尘埃(Smart Dust)实验室。UCLA的WINS(Wireless Integrated Network Sensors)实验室对如何为嵌入式系统提供分布式网络和互联访问能力进行了大量研究，提供了在同一个系统中综合微型传感器技术、低功耗信号处理、低功耗计算、低功耗低成本无线网络等技术的解决方案。RICE大学研制的Gnomes传感器网络由低成本的定制节点组成。每个节点包含一个德州仪器（TI）的微控制器、传感器、和一个蓝牙通信模块。Gnomes节点既可以通过普通电池供电，又可以通过太阳能电池供电，并且可以配备GPS接收器来进行定位。

        无线传感器网络存在着巨大的商业前景，也开始成为商家争相投资的对象，并且涌现出了很多专门从事无线传感器网络及相关产业的公司。在这些公司中应该首推Crossbow公司和DUST公司，它们都是由UC/Berkeley技术发展而来，前者主要针对航空电子、交通运输、无人探测、环境监控、测控测量等具体应用定制相应无线传感器网络节点和应用方案，后者主要提供了可靠的、可管理的和易于安装的SmartMeshTM传感器互联方案，该网络方案被Red Herring 组织评为2004 年度TOP100发明奖。Ember公司提供了与IEEE802.15.4/ZigBee兼容的射频芯片及相应的软件和开发工具的服务。LunaiMonitoring公司主要提供关于压力、液位、电量等无线智能监测技术及相应的硬件设备。MicroStrain公司基于无线传感器网络技术提供了在航空航天、国防军事、汽车电子、城市工程、生物制造等方面的应用。其它类似的公司还有Millennial Net、Sensoria Corp.、Xsilogy等。另外，IBM、Intel等公司也十分看好无线传感器网络这一新兴领域，也开始进行了与之相关的理论研究和产品开发^[1-5]。

       国内在无线传感器网络领域的研究也很快跟进，已经在很多研究所和高校广泛的展开。中科院上海微系统与信息技术研究所已经通过系统集成的方式完成了一些终端节点和基站的研发；中科院电子技术研究所和沈阳自动化所也分别从传感器技术和控制技术两种角度入手，它们专注于传感或控制执行部分；浙江大学现代控制工程研究所成立了“无线传感器网络控制实验室”，联合相关单位专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论方面的研究；山东省科学院也看到了无线传感器网络这一极具前景的领域，并且于2004年10月正式启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究；另外，中科院软件所、中科院自动化所、国防科技大学、清华大学，中国科学技术大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、山东大学、东南大学等单位在无线传感器网络方面也都有一定的工作。但整体而言，从研究的深度和投入的力量来说，国内的水平相对国外落后，从问题的点上研究较多，缺少对整个系统的创新性研究，具有自主知识产权较少，这和我国无线传感器网络飞速发展的市场需求不相称的^[6-7]。

本文拟将无线传感器网络技术应用到医院心电监护数字化中，目前国内外关于这方面的研究概况及与本文的差异分析如下：

美国GMP无线医疗公司开发了LIFESYNC无线心电图监护系统(如图2-1所示)，它由电极、导连线、病人用收发器和监视器用收发器构成，实现了无线监护，但它并不是基于无线传感器网络，采用的是2.4GHz蓝牙技术，另外心电波形显示必须借助于VGA或LCD显示器^[8]。

       国内调研结果是已见的有关医疗监护无线传感器网络方面的文献报道中，有些虽与本文研究内容相似^[10-13]，但^[10]在无线通信方面采用的是蓝牙技术，而且也不是基于无线传感器网络；^[11]仅仅是设计了个人医疗便携式设备，用于患者平时生理参数的采集，不具备无线传输功能，类似于Hotler；^[12-13]采用了无线传感器网络技术进行生理参数的采集和监护，但它们都采用了北京迈创通元电子仪器有限公司提供的现成血氧测量模块、心电采集模块，通过模块提供的TTL电平的异步串口与上位机通讯采集数据，这些采集模块电路板尺寸一般在10cmx10cm，所以设备体积大，技术含量低，而且无线通信技术采用的是非IEEE 802.15.4(Zigbee)标准，而本文将采用IEEE 802.15.4(Zigbee)标准，它更适用于无线传感器网络。