A rede de sensores sem fio (Wireless Sensor Network) é uma tecnologia emergente que combina tecnologias em vários campos, como tecnologia de sensores, tecnologia de computação incorporada, redes modernas e tecnologia de comunicação sem fio, tecnologia de processamento de informação distribuída, com uma ampla gama de cenários de aplicação.

À medida que a tecnologia avança, a WSN (Wireless Sensor Network) terá um impacto profundo em muitos aspectos da prática médica. Este artigo aborda principalmente a arquitetura de sistemas de vigilância médica em redes de sensores sem fio e os princípios gerais do projeto de nós de vigilância.

Arquitetura de redes de sensores sem fio

Disponibilidade de um grande número de nós de sensores dentro da área de monitoramento, rede entre nós de forma auto-organizada e encaminhamento de dados usando tecnologia de comunicação sem fio, cada um com a dupla função de captura de dados e encaminhamento de fusão de dados. O nó realiza o processamento preliminar de dados e a fusão de informações sobre as informações coletadas por si mesmo e sobre as informações que outros nós lhe transmitem para a estação base por relé de nós vizinhos e, em seguida, para o usuário final por meio da Internet, satélite, etc.

Os nós são a unidade funcional básica da rede de sensores sem fio, com aplicações específicas diferentes e projetos diferentes. Os componentes básicos do nó de sensor são: unidade de sensor, unidade de processamento, unidade de comunicação e seção de alimentação. Além disso, de acordo com os requisitos específicos da aplicação, podem ser adicionadas unidades funcionais, como sistemas de localização, sistemas móveis e sistemas de alimentação de energia.

Aplicações de redes de sensores sem fio na saúde

A rede de sensores sem fio aproveita suas próprias vantagens (como a captura de vários parâmetros fisiológicos do paciente em tempo real de baixo custo, fácil, rápido e não invasivo, etc.), tornando-a um grande potencial de desenvolvimento em pesquisas médicas, salas gerais / UTI de hospitais ou cuidados diários em casa, e é um ponto quente no campo da pesquisa atual.

No corpo do paciente, nós de micro-sensores usados ​​para detectar parâmetros do corpo humano podem ser monitorados remotamente em tempo real para os parâmetros fisiológicos do paciente, como a frequência cardíaca, a pressão arterial, a eletricidade cardíaca e o som cardíaco, e a informação agregada é enviada ao centro de cuidados para processamento e feedback oportunos; A coleta a longo prazo de dados fisiológicos de pessoas observadas com o WSN é útil para entender a saúde humana e estudar doenças humanas. Além disso, também tem aplicações na gestão de medicamentos e desenvolvimento de novos medicamentos, gestão de sangue e muitos outros aspectos. Em suma, as redes de sensores sem fio oferecem uma implementação mais fácil e de baixo custo para os sistemas de vigilância de telemedicina do futuro.

Arquitetura médica baseada em redes de sensores sem fio

Os sistemas de assistência médica baseados em redes de sensores sem fio consistem principalmente em nós de sensores médicos, estações de base de assistência médica (nós SINK médicos) e centros de assistência comunitários/hospitalares.

Os nós de sensores médicos e as estações-base de vigilância formam redes de sensores sem fio pessoais / domésticos ou de salas, e várias dessas redes podem formar redes de vigilância comunitária ou hospital inteiro, ou até sistemas de vigilância remota. Em primeiro lugar, os nós de sensores médicos capturam os parâmetros fisiológicos do corpo humano e, após o processamento simples dos parâmetros capturados, transmitem dados direta ou indiretamente para a estação-base por meio de comunicação sem fio. Depois do processamento adicional dos dados pela estação de base de cuidados, os dados são encaminhados para o centro de cuidados, o centro de cuidados analisa o processamento e fornece informações oportunas ao paciente. Os centros de vigilância também podem fazer transferências remotas de dados de várias maneiras (Internet, redes móveis, etc.) para compartilhar informações com outros centros de vigilância.

Projeto de nós de sensores médicos

A estrutura básica dos nós de sensores médicos inclui módulos de processamento, módulos de sensores e módulos transceptores sem fio e módulos de alimentação.

Os módulos de sensores são usados para a percepção, captação e conversão de sinais de sensores externos. É o módulo em que todo o nó está realmente em contato com a quantidade de sinal externo. No entanto, os sensores médicos são medidos em corpos vivos. O corpo humano, em particular, é um sistema complexo do mundo, com um alto nível de correlação entre variáveis ​​fisiológicas e difícil de acessar. Portanto, os sensores médicos devem extrair quantidades fisiológicas preditivas de vários fenômenos para obter dados de medição confiáveis e significativos, ao mesmo tempo em que garantem a segurança dos sujeitos testados.

Como os parâmetros do corpo humano são principalmente sinais fracos, geralmente apenas alguns níveis de mV ou até menos, e existem vários ruídos (ruído ambiental de medição, ruído de atrito entre o instrumento e o corpo humano e ruído do próprio instrumento, etc.), interferência de frequência de trabalho (causada pela presença de campos eletromagnéticos de 50 Hz ao redor do ambiente de medição) e vários ruídos. Portanto, no projeto específico de nós de sensores médicos, um módulo de processamento de circuito analógico é adicionado, que geralmente inclui as seguintes partes: circuito de amplificação, circuito de filtro, circuito de trampa e circuito de conversão de módulo (A / D). No projeto do nó, o circuito de amplificação geralmente usa amplificação multinível (nível três ou quatro), e o circuito de amplificação de nível final, além da função de amplificação, geralmente tem função de elevação de nível; Circuito de filtro: deve atender aos requisitos do circuito simples, frequência de corte razoável, flexibilidade e conveniência para ajustar a frequência de corte de alta e baixa passagem, razoável para filtrar a interferência de alta e baixa frequência no sinal; Circuito de armadilha: atualmente amplamente adotada armadilha ativa de resistência dupla T simétrica ou com dispositivos de capacitor de comutador integrado e armadilha de rede de resistência assimétrica. Em resumo, o módulo de processamento de circuito analógico principalmente amplifica, filtra e processa o sinal capturado para remover o ruído e a interferência do sinal e extrair sinais úteis.

O módulo de processador é o núcleo do nó de sensor e é responsável pelo controle de equipamento, alocação e agendamento de tarefas, integração e transmissão de dados para todo o nó. Atualmente, os módulos de processador mais usados ​​são os chipsets AVR da Atmel, o processador MSP430 de ultra-baixa potência da TI, os processadores da Motorola e da Renesas e os chipsets ARM como processadores embutidos de 32 bits. No projeto do nó, é necessário programar a implementação do controle de captura do módulo do processador para o módulo do sensor, a implementação da conversão A/D e o controle da transmissão e recepção do módulo de comunicação sem fio.

O módulo transceiver sem fio é usado para a comunicação de dados entre nós. Os módulos sem fio mais usados ​​no campo sem fio são os CCl000, CC2420 e CC2430 da Chipcon. As tecnologias de comunicação sem fio mais usadas são: IEEE 802.1lb, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth, UWB, RFID, IrDA (infravermelho), etc. A maioria dos sistemas de vigilância usa IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth para permitir a comunicação de dados entre nós e estações-base.

O módulo de alimentação fornece energia ao nó e é o módulo básico de todo o nó de sensor sem fio. No entanto, limitado pelo volume do nó, a energia do nó do sensor é muito limitada. Portanto, em todo o projeto do nó, com baixo consumo de energia e alta precisão como requisitos principais, uma série de medidas eficazes para poupar energia são tomadas. Além disso, os nós de sensores médicos não podem substituir a bateria com frequência, afetando a vida normal das pessoas. Portanto, os nós médicos projetados devem ter um ciclo de vida mais longo.

Os desafios dos sistemas de monitoramento de redes de sensores sem fio médicos

Embora as redes de sensores sem fio tenham suas vantagens na construção de sistemas de vigilância médica, ainda existem os seguintes desafios para a aplicação na saúde prática:

Gerenciamento de mobilidade de nós em redes de grupos dinâmicos e redes de grande escala: Quando o sistema de vigilância se expande para comunidades, cidades e até mesmo países, a rede é enorme e os nós de vigilância e as estações-base têm alguma mobilidade. Portanto, é necessário projetar uma estrutura de gerenciamento de topologia de rede adequada e um método de gerenciamento de mobilidade de nós.

Integridade de dados e compressão de dados: os nós às vezes exigem até 24 horas de monitoramento de parâmetros humanos, os nós coletam grandes quantidades de dados e os nós têm pequena capacidade de armazenamento, muitas vezes usando algoritmos de compressão para reduzir o armazenamento e a transferência de dados. No entanto, o custo dos algoritmos de compressão de dados tradicionais é muito alto para os nós de sensores. Além disso, os algoritmos de compressão não podem danificar os dados em bruto, o que pode resultar em um diagnóstico errado do paciente.

Segurança dos dados: os nós de rede de sensores sem fio se agrupam de forma auto-organizada e são vulneráveis ​​a ataques e, além disso, as informações do paciente precisam ser confidenciais. No entanto, a capacidade de computação do nó do sensor é bastante limitada e as tecnologias tradicionais de segurança e criptografia não são aplicáveis. Portanto, é necessário projetar um algoritmo de criptografia adequado ao nó do sensor.