Le réseau de capteurs sans fil (Wireless Sensor Network) est une technologie émergente qui intègre des technologies dans de nombreux domaines tels que la technologie des capteurs, l'informatique embarquée, les réseaux modernes et les technologies de communication sans fil, les technologies de traitement de l'information distribuée et un large éventail de scénarios d'application.

À mesure que la technologie évoluera, WSN (Wireless Sensor Network) aura un impact profond sur de nombreux aspects de la pratique médicale. Cet article traite principalement de l'architecture du système de surveillance médicale des réseaux de capteurs sans fil et des principes généraux de la conception des nœuds de surveillance.

Architecture d'un réseau de capteurs sans fil

Un grand nombre de noeuds de capteurs sont disposés dans la zone de surveillance, les noeuds sont auto - organisés en réseau et utilisent la technologie de communication sans fil pour la transmission de données, chaque noeud ayant une double fonction d'acquisition de données et de transmission de fusion de données. Le traitement préliminaire des données et la fusion des informations par le noeud sur les informations qu'il a lui - même acquises et qui lui sont transmises par d'autres noeuds sont ensuite transmises à la station de base par relais par les noeuds voisins, puis à l'utilisateur final par Internet, par satellite, etc.

Les nœuds sont les unités fonctionnelles de base d'un réseau de capteurs sans fil, les applications spécifiques sont différentes et la conception des nœuds n'est pas la même. Les modules constitutifs de base d'un noeud de capteur sont: une unité de détection, une unité de traitement, une unité de communication, ainsi qu'une Section d'alimentation. En outre, des unités fonctionnelles peuvent être ajoutées en fonction des exigences spécifiques de l'application, telles que: système de positionnement, système mobile, ainsi que le système d'alimentation électrique auto - alimenté, etc.

Applications des réseaux de capteurs sans fil en médecine

Les réseaux de capteurs sans fil tirent parti de leurs propres avantages (tels que le faible coût, la facilité, la rapidité, l'acquisition non invasive en temps réel de divers paramètres physiologiques des patients, etc.), ce qui en fait un grand potentiel de développement dans des domaines tels que la recherche médicale, les services généraux / USI des hôpitaux ou les soins quotidiens à domicile, et un point chaud dans le domaine de la recherche actuelle.

Placer sur le patient un nœud de capteur Miniature pour détecter les paramètres humains, qui peut surveiller à distance et en temps réel les paramètres physiologiques du patient tels que la fréquence cardiaque, la pression artérielle, l'électrocardiologie et la voix cardiaque, et transmettre des informations agrégées au centre de surveillance pour un traitement et une rétroaction rapides; L'utilisation du WSN pour la collecte à long terme de données physiologiques humaines sur les personnes observées peut être utile à la fois pour comprendre la santé humaine et pour étudier les maladies humaines. En outre, il existe des applications * dans la gestion des médicaments et le développement de nouveaux médicaments, la gestion du sang, etc. En résumé, les réseaux de capteurs sans fil offrent un moyen plus facile et moins coûteux de mettre en œuvre les futurs systèmes de télésurveillance.

Architecture médicale basée sur un réseau de capteurs sans fil

Un système de surveillance médicale basé sur un réseau de capteurs sans fil se compose principalement de nœuds de capteurs médicaux, de stations de base de surveillance médicale (nœuds Sink médicaux) et de plusieurs parties de centres de surveillance communautaires / hospitaliers.

Les nœuds de capteurs médicaux et les stations de base de soins forment un réseau de capteurs sans fil personnel / familial ou de service, et plusieurs de ces réseaux peuvent constituer un réseau de soins communautaires ou hospitaliers entiers, ou même un système de soins à distance plus large. Tout d'abord, le nœud de capteur médical acquiert des paramètres physiologiques humains et, après un traitement simple des paramètres acquis, transmet directement ou indirectement des données à la station de base par communication sans fil. Le traitement ultérieur des données par la station de base de la garde est transmis au centre de garde, qui effectue un traitement analytique et une rétroaction rapide des informations sur le patient. Les centres de tutelle peuvent également utiliser divers moyens (Internet, réseaux de communication mobiles, etc.) pour transmettre des données à distance et partager des informations avec d’autres centres de tutelle.

Conception de nœuds de capteurs médicaux

La structure de base d'un noeud de capteurs médicaux comprend un module de traitement, un module de capteurs et un module d'émission / réception sans fil, ainsi qu'un module d'alimentation électrique.

Les modules de capteurs sont utilisés pour la perception, l'acquisition et la conversion des signaux de capteurs externes. Est le module où le noeud entier est vraiment en contact avec le sémaphore externe. Cependant, les capteurs médicaux sont des objets de mesure avec des êtres vivants. Le corps humain, en particulier, est sans doute un système complexe dans le monde, où les variables physiologiques sont fortement corrélées et inaccessibles. Par conséquent, les capteurs médicaux prélèvent des quantités physiologiques prédites de nombreux phénomènes pour obtenir des données de mesure fiables et significatives, tout en assurant la sécurité des sujets testés.

Comme les paramètres humains sont pour la plupart des signaux faibles, généralement seulement quelques niveaux de MV, voire moins, et qu'il existe de nombreux facteurs défavorables tels que le bruit ambiant de mesure, le bruit de frottement de l'instrument avec le corps humain et le bruit de l'instrument lui - même, etc.), les interférences de fréquence d'alimentation (causées par la présence d'un champ électromagnétique de 50 Hz autour de l'environnement de mesure) et divers bruits. Ainsi, dans une conception spécifique de noeud de capteur médical, on incorpore un module de traitement de circuit analogique comprenant généralement les parties suivantes: un circuit d'amplification, un circuit de filtrage, un circuit d'encoche ainsi qu'un circuit de conversion analogique - numérique (A / d), etc. Dans la conception du noeud, le circuit d'amplification adopte généralement l'amplification Multi - niveaux (trois ou quatre étages), le circuit d'amplification de l'étage final a généralement une fonction d'élévation de niveau en plus de la fonction d'amplification; Circuit de filtrage: devrait répondre aux exigences de circuit concis, fréquence de coupure raisonnable, fréquence de coupure passe - Bas réglable flexible et pratique, interférence de haute et basse fréquence dans le signal de filtrage raisonnable; Circuit coupe - vague: actuellement, il est largement utilisé symétrique double t condensateur à condensateur actif ou avec un dispositif à condensateur de commutation intégré et un réseau coupe - vague à condensateur asymétrique, etc. En résumé, le module de traitement du circuit analogique effectue principalement un traitement d'amplification, de filtrage, de piégeage, etc. du signal acquis, élimine le bruit, les interférences dans le signal et extrait le signal utile.

Le module processeur est au cœur du nœud capteur et est responsable du contrôle des équipements, de la répartition et de l'ordonnancement des tâches, de la consolidation et de la transmission des données, etc. sur l'ensemble du nœud. Les plus utilisés dans les modules de processeur actuels sont les monopuces de la série AVR d'Atmel, le processeur MSP430 ultra - basse consommation de TI, les processeurs de Motorola et Renesas et les monopuces arm en tant que processeurs embarqués 32 bits. Dans la conception du noeud, il est nécessaire de programmer la mise en oeuvre de la commande d'acquisition du module de détection par le module de traitement, la mise en oeuvre de la conversion A / D et la commande de l'émission et de la réception du module de communication sans fil.

Le module d'émission et de réception sans fil est utilisé pour la communication de données entre les noeuds. Les modules émetteurs / récepteurs sans fil les plus utilisés dans le domaine sans fil sont ccl000, cc2420, cc2430 de chipcon. Les technologies de communication sans fil couramment utilisées sont: IEEE 802.1lb, IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth, UWB, RFID, IRDA (infrarouge), etc. Les systèmes de tutelle utilisent principalement IEEE 802.15.4 (ZigBee), Bluetooth pour permettre la communication de données entre les nœuds et les stations de base.

Le module d'alimentation fournit de l'énergie aux nœuds et constitue le module de base de l'ensemble du nœud de capteur sans fil. Cependant, limitée par le volume du noeud, l'énergie du noeud capteur est très limitée. Par conséquent, une série de mesures efficaces sont prises pour économiser de l'énergie tout au long de la conception du nœud, avec une faible consommation d'énergie et une grande précision comme exigences principales. En outre, les nœuds de capteurs médicaux ne peuvent pas remplacer fréquemment la batterie, ce qui affecte la vie normale de la personne. Les nœuds médicaux conçus devraient donc avoir un cycle de vie plus long.

Les défis des systèmes de surveillance de réseau de capteurs sans fil médicaux

Bien que les réseaux de capteurs sans fil aient leurs avantages * dans la mise en place d'un système de surveillance médicale, l'application aux soins de santé réels présente également les défis suivants:

Gestion de la mobilité des nœuds dans les réseaux dynamiques et à grande échelle: lorsque le système de tutelle s'étend à une communauté, une ville ou même un pays, son réseau est énorme et les nœuds de tutelle et les stations de base ont une certaine mobilité. Il est donc essentiel de concevoir une structure de gestion de topologie de réseau appropriée ainsi qu'une méthode de gestion de la mobilité des nœuds.

Intégrité des données et compression des données: les nœuds nécessitent parfois jusqu'à 24 heures de surveillance des paramètres humains, la quantité de données collectées par les nœuds est importante et la capacité de stockage des nœuds est faible, souvent avec des algorithmes de compression pour réduire la quantité de données stockées et transférées. Cependant, la surcharge algorithmique de compression des données traditionnelles est trop importante pour les nœuds de capteurs. En outre, l'algorithme de compression ne peut pas endommager les données brutes, sinon il peut provoquer un diagnostic erroné du patient.

Sécurité des données: les nœuds de réseau de capteurs sans fil sont organisés en réseau de manière autonome et sont vulnérables aux attaques, de plus, les informations des patients doivent rester confidentielles. Cependant, la puissance de calcul des nœuds de capteurs est assez limitée et ni les techniques traditionnelles de sécurité ni de cryptage ne conviennent. Il est donc nécessaire de concevoir un algorithme de décryptage adapté aux noeuds du capteur.