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無線感測網路技術:居家照護的小天使

 
 
 
近年來無線通訊、電池與嵌入式微控制器技術的整合與進步,帶動了無線感測器網路的發展。無線感測器網路是由許多的感測器節點所組成的,這些節點能夠在感測範圍內偵測目前的環境變數,也能透過無線通訊方式溝通傳輸範圍內的鄰近節點,還能把收集到的資訊以多點跳躍的方式回報給資料收集端,收集端便可以分析並應用感測器所收集的資料。

在國內外,近年來與遠距醫療或無線健康照護系統相關的研究蓬勃發展,例如有些研究著重在硬體的設計,包括使無線感測器的設計更人性化、訊號的偵測能夠連續而不中斷、訊號偵測範圍能夠更廣;有些著重在硬體與通訊介面的整合,讓更多不同的醫療儀器所偵測到的生理訊號,能夠互相傳輸並整合到資料庫中;有些著重在通訊網路的架構設計,建構出適合生理訊號擷取與傳送的架構;有些著重生理訊號量測工具的開發,讓病患在醫院的所有活動都能連續且確實地記錄下來。

在高齡化社會及慢性病為主的疾病型態趨勢下,長期居家照護及緊急醫療的需求大增。包括歐盟、美國、日本等先進國家,都正積極推動遠距居家照護,讓目前以「醫療機構」為主的照顧服務模式,逐漸地轉變成以「照護機構」、「居家長照」為主的醫療照護模式。

目前慢性疾病的健康照護,除了重症病患會在醫療機構進行救治外,對於需要長時間照護的慢性疾病患者,基於醫療成本與醫院床位數量的考量,都是以居家與照護中心的照護為主。但是,居家照護與照護中心都有一些缺點。在居家照護中,被照護者的健康萬一出了狀況,醫療機構無法即時了解被照護者的生理參數,而錯失了第一時間的緊急處理。在照護中心裡,則因為要照顧眾多的病患,所以需要龐大的人力來量測生理參數,而且整理儲存所記錄的生理參數也不是一件容易的事。

我們開發了一套以群蜂(ZigBee)做為無線個人區域網路基礎的遠距離健康照護監測系統,可以透過無線傳輸的方式,把收集到受測者的血氧濃度、心跳、脈搏變動圖、體溫、血壓與血糖資料,送到資料收集端的健康監控系統分析,並且把這些生理參數傳送到資料庫伺服器。醫護人員或受測者家屬便可以透過網際網路即時查看受測者的生理參數,也可以查看受測者的歷史資料。

在無線網路方面,採用的是以 IEEE 802.15.4 為基礎的 ZigBee 通訊協定,因為它有穩定的資料傳輸、短距離操作、成本低廉、低電源消耗、多網路節點等特點,正好符合系統建置的需求。在感測器方面,則挑選國人主要十大死因中能簡易探測的項目,以及容易使用、無需專業訓練便可以準確量測的生理參數,分別有體溫、心跳、血氧濃度、血壓和血糖。

ZigBee 主要有低耗電、低傳輸功率、低資料率、多節點的市場優勢,它的應用範圍以醫療照護、遠距離監控、玩具、感測器網路、自動化家庭與自動化工業為主。在感測器領域中,ZigBee 的優勢在於一個裝置可以應對 255 個裝置,整個網路可以有高達 65,535 個裝置。因此,對需要大量節點的無線感測器網路而言,ZigBee 是個很好的選擇。

在感測器網路中,感測器扮演著重要的角色,它負責把周遭環境的狀態轉為數位訊號,回傳給資料收集端。而資料收集端要處理這些資訊並分類,讓後端的操作者能夠快速地了解目前環境的狀況。

我們著重的應用是居家照護,以生理參數感測器為主,把這些感測器所讀取的生理參數,以無線方式傳送至後端,以便醫護人員能即時了解病患的生理狀況。一般常見的生理指標是體溫、心跳、血氧濃度、血壓和血糖,量測這些生理指標的儀器,在市面上隨手可得。而且,這些儀器都經過國家認證,在使用與量測上都有保障。

我們開發的系統以遠距離居家監測為主要目的,針對居家健康照護使感測器無線化,有別於一般的居家照護。在一般的居家照護系統中,只有使用者能看到這些生理參數,並無法即時與醫療機構溝通,有問題還需到醫療機構詢問。這個系統則把生理參數傳送到後端伺服器,讓醫護人員能夠隨時掌握受測者的身體狀況。此外,採用經過國家認證的量測儀器,不必憂慮使用上的安全問題,而且能夠準確地量測生理參數並簡易地操作。

以遠距離居家監測系統為例,這個系統收集受測者的生理參數,利用無線網路,把生理參數傳送到資料收集端,經由資料收集端分析後,再透過「開放式資料庫連接」的「應用程式設計介面」,把這些生理參數傳送至資料庫伺服器儲存。醫護人員可以透過網際網路連結到網頁伺服器,這個網頁伺服器會連結到資料庫伺服器,讀取受測者的生理參數。醫護人員便可即時查看受測者的生理參數,也可以查看受測者的歷史資料。

生理參數感測器

每一個受測者使用一套量測儀器,每套有 3 件生理參數感測器。第1件是血氧濃度感測器,量測時只需把手指放入感測器中,感測器便開始擷取血氧濃度、心跳、脈搏變動等生理參數。感測器節點接收感測器所擷取的生理參數後,再把生理參數轉為 ZigBee 無線傳輸格式,用無線網路的方式傳出這些資料。

第2件是紅外線體溫感測器,這個感測器是耳/額溫槍。為了取得較精準的體溫,量測時還是以耳溫為主。第3件是血壓血糖感測器,這個感測器是二合一的血壓血糖機,可以同時量測血壓與血糖。當這兩個感測器取得體溫、血壓及血糖參數時,透過連接線與感測節點連接,感測器節點便會下指令給感測器,並接收所擷取的參數。之後,也會把所擷取的參數轉為 ZigBee 無線傳輸格式,用無線的方式把資料傳出。

遠距離居家監測系統

在系統建置上,以兩套量測儀器來展示,包括一個裝置協調器、一個路由器、兩套血氧濃度感測器加上無線感測節點的裝置(SPO2 Device)、兩套體溫感測器裝置(耳/額溫槍加上無線感測節點),以及兩套血壓血糖器裝置(血壓血糖機加上無線感測節點)。

無線感測節點會接收感測器的生理參數,其中 SPO2 Device 是連續傳送的感測節點,主要目的是即時監控受測者的血氧濃度、心跳與脈搏變動圖,以立即了解受測者的生理狀況。體溫感測裝置與血壓血糖裝置則屬於「量測一次、傳送一次」的感測節點。

當無線感測節點擷取完生理參數後,會把生理參數傳送給路由器,路由器則做為中繼站把這些資料傳給裝置協調器。最後,裝置協調器會透過 RS-232C 串列介面,把所接收的資料傳送給資料收集端。

當資料收集端的健康監控程式收到裝置協調器傳來的資料後,會依照使用者的 ID 與感測器的類別加以分類,並且以圖形介面的方式把資料顯示在螢幕上。此外,也會對所接收的生理參數做分析,以燈號的方式表示生理參數是否正常。為了讓使用者了解受測者的身體狀況,燈號的意義如下:

藍燈:生理參數正常;紅燈:生理參數異常;灰色:未收到感測節點的資料;黑色:心跳與血氧專用,表示感測器內無測量對象。

之後,健康監控程式會進一步使用網路,透過開放式資料庫連接,即時把這些生理參數上傳至後端伺服器。在醫療機構的醫護人員透過網路,連線到線上即時生理訊號監測網頁,便可以立即了解使用者的健康狀況。

健康監控系統則能完整顯示受測者的生理參數,並且做初步的分析。這個系統會依照標準值判斷受測者的健康狀況,讓使用者能容易了解受測者的狀況,並把所量測的生理參數透過開放式資料庫連接傳送至後端的資料庫伺服器。醫護人員或受測者家屬也可以透過網際網路,即時查看受測者的生理參數,也可以查看受測者的歷史資料。

在居家照護中,如果遇到緊急狀況,這個系統可以在第一時間讓醫療人員了解病患的生理狀況,使醫療人員可以下達正確的急救指示,以減少病患的傷害。在照護中心,這個系統則可以減少整理與記錄病患生理參數的人力,也可以方便監控病患的生理參數。

這個系統還支援多工處理,最多可以同時監測 6 個受測者,監測範圍是離路由器半徑 18 公尺以內。感測器裝置會透過路由器中繼點,把生理參數傳送至裝置協調器,最遠可以達到 36 公尺。在多工處理下,當系統連接到 6 個連續傳輸裝置時,資料傳輸率可以達到 97.92%。在最大負載連接時,也就是有10個連續傳輸裝置時,資料傳輸率可以達到 92.5%。如果是低資料率傳輸,則可以處理 44 個裝置。

我們以無線感測器網路技術,架構一套遠距離健康照護監測系統,實現 ZigBee 無線傳輸,透過無線生理參數感測器擷取受測者的血氧濃度、心跳、脈搏變動圖、體溫、血壓、血糖等生理參數。此外,所用的量測儀器都是經過國家認證的生理參數量測器,在使用上安全無慮,而且量測數值精準。

這個系統可以讓被居家照護者安心地待在熟悉的家中,而不是在醫療院所中養病。如此一來,不僅病人得到恢復健康的機會,整個國家社會醫療、健保的支出也可以降低,讓更多的人得到更完整的照護。
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