بخشی از مقاله
راهحل هاي شبکه حسگر بي سيم پوشيدني و کاشتني براي نظارت بر سلامت
چکيده
شبکه هاي حسگر بي سيم يکي از زمينه هاي پژوهشي حوزه علوم کامپيوتر است که کاربردهاي متنوعي در حوزههاي نظامي ، خانگي ، تجاري و صنعتي دارد. يکي از کاربردهاي جالب توجه اين شبکه ها، در کنترل و ارتقاء وضعيت بهداشت و درمان کليه افراد به ويژه سالخوردگان، بيماران و کودکان مي باشد. شبکه بدني بي سيم يک شبکه حسگر بي سيم خاصمنظوره است که با به کارگيري گرههاي حسگر بي سيم در محدوده بدن فرد، اندازهگيري پارامترهاي بيولوژيکي وي را انجام مي دهد و مانيتورينگ سلامت او را از راه دور ميسر مي سازد. در اين مقاله ضمن معرفي شبکه هاي بدني بي سيم ، به دو نوع پوشيدني و کاشتني اين شبکه ها که تحولي در پزشکي ايجاد خواهند کرد پرداخته شده و بر مبناي آنها راهحل هايي براي نظارت بر سلامت ارائه شده است . همچنين سير تکامل گرههاي حسگر در آن ها مورد بررسي قرار گرفته است .
واژههاي کليدي: شبکه هاي حسگر بي سيم ، شبکه هاي بدني بي سيم ، پزشکي از راه دور، حسگرهاي بيولوژيکي
مقدمه
يکي از فناوريهاي نوظهور علم کامپيوتر که کاربردهاي قابل توجهي در سالهاي اخير يافته است فناوري شبکه هاي حسگر بي سيم است . اين فناوري اين قابليت را دارد که سبک زندگي انسان ها را در زمينه هاي مختلفي نظير بهداشت و درمان، تفريح و سرگرمي ، مسافرت، توليد، صنعت و مديريت شرايط غير مترقبه تغيير دهد. آميختن اين فناوري با محاسبات و هوش مصنوعي منجر به ظهور يک مفهوم ميان رشته اي به نام هوش محيطي ١ شده است که سعي در غلبه بر چالش هاي روزمره زندگي بشر دارد. (١)
يکي از اين چالش ها که بشر در سالهاي اخير با آن مواجه بوده است افزايش جمعيت افراد کهن سال است . بنا بر گزارش دفتر مرجع جمعيت ٢ که نهادي معتبر در ارائه آمارهاي جمعيتي دنياست تا سال ٢٠٢٥ در حدود ٢٠ درصد جمعيت کشورهاي توسعه يافته ، بالغ بر ٦٥ سال سن خواهند داشت . (٢) در نتيجه بايد تدابيري براي بهبود کيفيت زندگي و مراقبت از اين جمعيت دائما در حال افزايش در همه کشورهاي دنيا انديشيده شود.
ضمن اينکه پايين نگه داشتن هزينه اين گونه مراقبت ها براي فراهم کنندگان سرويس هاي درماني و دولتمردان فاکتور مهمي محسوب مي شود. انواع مختلف سيستم هاي شبکه حسگر بدني مانند نمونه هاي پوشيدني و کاشتني آنها ابزار مهمي براي نيل به اين هدف هستند که امکان نظارت بر عملکرد افراد را طي فعاليت هاي روزمره آنها فراهم مي نمايند. اين سيستم ها با ارائه سرويس هايي نظير نظارت پزشکي ، ارائه اطلاعات دارويي و پزشکي ، ارتقاء حافظه افراد، کنترل دستگاههاي خانگي و برقراري ارتباط در شرايط اورژانسي مي توانند کمک قابل توجهي به افراد (٤ ،٣) نمايند.
مانيتورينگ مداوم شبکه هاي حسگر پوشيدني و کاشتني امکان تشخيص زودهنگام شرايط اورژانسي را در بيماران با ريسک سلامت بالا افزايش مي دهد و محدوده وسيعي از سرويس هاي سلامت را براي افرادي با درجات مختلف ناتواني ادراکي ، حسي و حرکتي فراهم مي کند. قابليت هاي چنين شبکه هايي را نه تنها براي بيماران و سالخوردگان، براي کنترل و مراقبت از نوزادان و کودکان خردسال نيز مي توان به کار برد.
در اين راستا تا کنون فعاليت هاي پژوهشي متعددي در زمينه 4 تلفيق فناوريهاي مخابراتي بي سيم نظير نسل سوم ٣، واي فاي و وايمکس ٥ با پزشکي از راه دور انجام شده است . مقالاتي در زمينه مانيتورينگ دائمي بيماران آلزايمري يا پارکينسوني منتشر شده است . برخي پژوهش ها در زمينه تشخيص افتادن فرد، شناسايي وضعيت قرار گرفتن فرد و نيز رديابي موقعيت فرد به مطالعه پرداخته اند؛ در حالي که مقالات ديگري استفاده از حسگرهاي بيولوژيکي و محيطي را براي شناسايي وضعيت تندرستي بيمار را مورد مطالعه قرار داده اند.
عيب شبکه هاي سيمي و کابلي که در بسياري از دستگاه هاي مانيتورينگ استفاده مي شوند، محدود کردن توان حرکتي بيماران و آسيب هاي احتمالي پوستي است که در نهايت مي تواند به تندرستي بيماران آسيب برساند. در نتيجه شبکه هاي حسگر بي سيم بهبود قابل توجهي را نسبت به شبکه هاي سيمي ارائه مي دهند. (٥) به همين دليل است که امروزه بسترهاي جمع آوري دادههاي فيزيولوژيکي زيادي پيشنهاد شده يا توسعه يافته اند که از پيوندهاي بي سيم براي ارتباط استفاده مي نمايند. به عنوان مثال در (٦) سيستمي براي مانيتورينگ پيوسته فشار مثانه به صورت بي سيم پيشنهاد شده است . در (٩ ،٨ ،٧) نيز نويسندگان ابزارهايي براي ارتباط عصبي اعضاي مصنوعي ساخته اند.
تانگ و سايرين در (٠ ١) تصور خود را از آينده وقتي که دستگاهي قادر باشد يک شبکه حسگر بي سيم با تعداد زيادي گره در داخل و خارج بدن انسان بسازد بيان کرده اند. اين تصور تنها با استفاده از پروتکل هاي ارتباطي شبکه هاي حسگر بي سيم ميسر است .
معماري هاي استاندارد شده سخت افزاري و نرمافزاري خواهند توانست دستگاه ها و ابزارهاي سازگار با آن معماري ها را پشتيباني نمايند و به اين ترتيب نسل آينده سيستم هاي مراقبتي بهداشت و درمان را تحت تأثير قرار خواهند داد. برخي از اين دستگاه ها مي توانند در شبکه هاي بي سيم بدني گنجانده شوند و فرصت هاي تازهاي را براي نظارت بر وضعيت سلامت انسان ايجاد نمايند. (١١)
ادامه اين مقاله به اين صورت سازمان يافته است : در بخش دوم شبکه هاي حسگر بي سيم به عنوان زيرساخت اصلي و پيش زمينه بحث معرفي خواهند شد. بخش سوم به تعريف و تاريخچه شبکه هاي بدني بي سيم خواهد پرداخت . در بخش چهارم به معماري شبکه هاي بي سيم بدني پوشيدني پرداخته خواهد شد و پارهاي از مسائل اجرايي آن مورد بررسي قرار خواهد گرفت .
بخش پنجم به يکي ديگر از انواع شبکه هاي بي سيم بدني که براي اندازهگيري پارامترهاي سلامت نياز به تماس نزديک با بدن دارند يعني شبکه بي سيم بدني کاشتني مربوط مي شود.
نسل هاي جديد حسگر براي شبکه هاي بي سيم بدني در بخش ششم معرفي خواهند شد. در نهايت بخش هفتم شامل جمع بندي و نتيجه گيري خواهد بود.
پيش زمينه : شبکه هاي حسگر بي سيم
شبکه حسگر بي سيم WSNبه يک شبکه بي سيم از حسگرهاي خود مختار گفته مي شود که با فاصله متغير از يکديگر پخش شدهاند و براي اندازه گيري برخي از کميت هاي فيزيکي يا شرايط محيطي مانند دما، دود، صدا، لرزش، فشار، حرکت يا برخي آلايندهها در يک محدوده مشخص و ارسال داده هاي جمع آوري شده به يک موجوديت مرکزي به کار مي روند. اين شبکه ها امروزه با اهداف مختلفي مورد استفاده قرار مي گيرند که از جمله آن ها مي توان نظارت و کنترل فرآيندهاي صنعتي ، نظارت بر عملکرد دستگاهها و ماشين آلات، نظارت بر محيط کار يا خانه ، مراقبت از سلامتي ، خانه هاي هوشمند و کنترل ترافيک را نام برد.
هر شبکه حسگر شامل تعدادي گره ٧ است که عناصر تشکيل دهنده شبکه هستند. تعداد اين گرهها بسته به کاربرد ممکن است از چند تا چندين هزار متغير باشد. هر يک از گرهها بايد از طريق حداقل يک گره ديگر به شبکه متصل باشد. چنين گره اي علاوه بر يک يا چند حسگر مجهز به يک فرستنده- گيرنده راديويي با يک آنتن داخلي يا اتصالي به يک آنتن خارجي ، يک ميکروکنترلر کوچک، يک مدار الکترونيکي که واسط آن با حسگرهاست ، و يک منبع انرژي (معمولا يک باتري) است . هر گره شبکه حسگر بي سيم براي مسيريابي و ارسال داده هاي جمع آوري شده، به کمک ديگر گره ها نيازمند است و از طريق اين همکاري دادهها را به سوي مقصد نهايي رهنمون مي سازد. معماري يک شبکه حسگر بي سيم در شکل ١ نشان داده شده است .
اندازه يک گره حسگر متغير است و ممکن است به بزرگي يک جعبه کفش يا کوچکي يک دانه شن باشد. به طور مشابه قيمت هر گره حسگر مي تواند بين چند صد دلار تا چند سنت ، بسته به اندازه و پيچيدگي مورد نياز يک گره متفاوت باشد.
محدوديت هاي قيمت و اندازه در گرههاي حسگر منجر به محدوديت در منابعي مانند انرژي، حافظه ، سرعت پردازش و پهناي باند در آنها مي شود.
در حال حاضر شبکه هاي بي سيم حسگر يکي از موضوعات فعال تحقيقاتي در حوزه علوم کامپيوتر و ارتباطات است و هر ساله تعداد بي شماري کارگاه و کنفرانس علمي در اين زمينه انجام مي شود.
شبکه هاي بدني بي سيم
توسعه شبکه هاي حسگر بي سيم براي کاربردهاي پزشکي اين فناوري را به سمت شبکه هاي حسگر بدني (BSNS)8 سوق مي دهد. حسگرهاي بيولوژيکي قادر به ثبت الکتريکي ضربان قلب ، فعاليت ماهيچه اي، اندازهگيري دماي بدن و فشار خون، فعاليت الکترودرمال در کنار ديگر پارامترهاي بهداشت و درمان هستند. به عنوان مثال شتابسنج ها٩ مي توانند براي تشخيص آهنگ ضربان قلب ، حرکت يا حتي فعاليت هاي ماهيچه اي مورد استفاده قرار بگيرند.
به دليل قابل حمل بودن دستگاه هايي مانند پخش کنندههاي MP3 و تلفن هاي سلولي که رواج نيز يافته اند مردم به طور معمول اين دستگاهها را پيرامون بدن خود حمل مي کنند. در سال ١٩٩٥ زيمرمن ١٠ به مطالعه درباره نحوه عملکرد اين قبيل دستگاه هاي الکترونيکي در نزديکي يا داخل بدن انسان پرداخت .(١٢) او اصطلاح شبکه بي سيم شخصي PAN را به کار برد و از آن به عنوان يک کانال ارتباطي براي ارتباطات درون بدني استفاده نمود. بعدها در حدود سال ٠١ ٢٠ اصطلاح PAN
براي در بر گرفتن ارتباطات و موارد کاربرد قابل کاشت در بدن و پوشيده شدن در اطراف يا داخل بدن به شبکه بدني BAN تغيير شکل داد. (١٢) شبکه حسگري که پارامترهاي سلامتي بدن را تشخيص دهد شبکه حسگر بدني (BSN) ناميده مي شود.
شبکه بدني بي سيم (WBAN)١٣ نيز يک شبکه حسگر بي سيم خاص منظوره است که با ترکيب شبکه ها و دستگاههاي بي سيم مختلف در محيط هاي مختلف مانيتورينگ از راه دور را امکانپذير مي سازد.
يکي از موارد کاربرد WBANها در محيط هاي پزشکي است که در آنها وضعيت تعداد زيادي از بيماران بايد به طور دائمي و بلادرنگ کنترل شود. در حال حاضر مانيتورينگ بي سيم سيگنالهاي فيزيولوژيکي بيماران يکي از نيازهاي اساسي به استقرار يک WSN کامل در سيستم هاي بهداشت و درمان است .
هدف اصلي WBANها ارائه اطلاعات بازخورد بيولوژيکي و قابليت کنترل مداوم پارامترهاي سلامتي مانند دماي بدن، آهنگ ضربان قلب ، و فشار خون شرياني با يک روش ساده و کارآمد است . (١٣)
در حال حاضر مانيتورينگ سلامت انسان يکي از موارد کاربرد مهم شبکه هاي حسگر تعبيه شده محسوب مي شود. (١٤ ،٨) براي ايجاد يک WBAN تعدادي حسگر بي سيم بسيار کوچک در (15)نواحي استراتژيک داخل يا روي بدن بيمار قرار داده مي شود.
يک WBAN با کنترل علائم حياتي و ارائه بلادرنگ بازخورد، به بسياري از روشهاي تشخيصي امکان مانيتورينگ مستمر شرايط مزمن يا پيشرفت بهبودي يک بيماري را مي دهد. پيشرفت هاي اخير فناوري در شبکه بندي بي سيم نويد دهنده نسل جديدي از شبکه هاي حسگر بي سيم براي سيستم هاي شبکه شده درون يا روي بدني است .
جمع آوري دادهها در ميان اين قبيل حسگرها، بسته به کاربرد خاص مي تواند به صورت نقطه به نقطه ١٤ يا چند نقطه به نقطه ١٥ باشد. در حالي که تشخيص توزيع شده وضعيت حرکت يک ورزشکار به اشتراک داده نقطه به نقطه ، ميان حسگرهاي مختلف روي بدن نياز دارد، در موارد کاربردي مانند مانيتورينگ علائم حياتي همچنان که در شکل ٢ نشان داده شده است نياز است همه حسگرهايي که در بدن نصب يا کاشته شده اند، دادهها را به صورت چند نقطه به نقطه به يک گره دريافت کننده خاص انتقال دهند که مي تواند اطلاعات را به صورت بي سيم به يک (١٧ ،١٦ ،١٥) سرور در خارج از بدن منتقل کند.
شکل ٢- سيستم WSN نوعي براي تشخيص و انتقال سيگنال ها از بدن انسان : (الف ) کاربرد فعلي شبکه حسگر بهداشت و درمان و (ب) کاربرد آينده شبکه حسگر بهداشت و درمان با استفاده از شبکه بدني بي سيم
تبادل اطلاعات نيز مي تواند به صورت بلادرنگ يا غير بلادرنگ باشد. اگر چه در برخي از کاربردها مانيتورينگ بيمار نياز به مسيريابي بلادرنگ بسته هاي اطلاعاتي دارد، مانيتورينگ دادههاي فيزيولوژيکي يک ورزشکار مي تواند به صورت آفلاين به منظور پردازش و تجزيه و تحليل آماري فعاليت هاي وي جمع آوري شود.
يک شبکه بدني بي سيم نوعي ، از تعدادي دستگاه حسگر کوچک، سبک و کم مصرف، فرستنده - گيرندههاي بي سيم و دستگاههاي الکترونيکي مديريتي تشکيل مي شود. به عنوان يک بخش ضروري از سيستم ، منبع تغذيه اين مؤلفه ها نيز بايد کوچک، سبک، سازگار با محيط اطراف و بادوام باشد.
بر خلاف WSNهاي متداول، WBANها همانطور که در شکل ٣ نشان داده شده است شامل گرههاي کمتر و کوچک تر و فضاي تحت پوشش محدودتر مي شوند. WBANها همچنين داراي يک طبيعت سلسله مراتبي مشخص هستند. آنها به طور مداوم دادههايي را که ريزپردازندهها به منظور استخراج اطلاعات مورد نياز بايد پردازش کنند ضبط مي کنند. پردازش دادهها بايد به شکل سلسله مراتبي انجام شود تا از منابع ناهمجور بيشترين بهره را ببرد؛ کارايي سيستم را حفظ کند؛ و از دسترس بودن داده ها اطمينان حاصل کند. (١٨)
شکل ٣- WBAN و محيط آن
کاربرد WBANها در زمينه پزشکي شامل گرههاي حسگر پوشيدني و کاشتني مي شود که مي توانند اطلاعات بيولوژيکي را از بدن انسان دريافت کرده و آن ها را در يک مسافت کوتاه به صورت بي سيم به يک دستگاه کنترل پوشيده شده روي بدن يا قرار داده شده در يک محل قابل دسترس انتقال دهند. مدارات الکترونيکي حسگر بايد کوچک، کم مصرف، با قابليت تشخيص سيگنالهاي پزشکي مانند ثبت الکتريکي ضربان قلب ، حجم خون، فعاليت الکتريکي مغز، آهنگ ضربان و نيز فشار و دما 237 باشند. دادههاي جمع آوري شده از دستگاه هاي کنترل سپس با استفاده از يک شبکه بي سيم ديگر براي انتقال دور برد، به منظور تشخيص و درمان به مقصد دورتري در يک شبکه بدني بي سيم انتقال داده مي شوند.
در حال حاضر دستگاههاي مانيتورينگ که در مراکز پزشکي مورد استفاده قرار مي گيرند به دليل حجيم بودن مدارات الکترونيکي و استفاده از سيم براي برقراري ارتباط بين حسگرها به طور کامل پوشيدني نيستند. شکل ٢ (الف ) نشاندهنده کاربرد فعلي شبکه حسگر در برخي از مراکز پزشکي امروزي است . واحد کنترل بي سيم ، اطلاعات را از حسگرها از طريق سيم ها جمع آوري کرده و آن ها را براي مانيتورينگ به يک ايستگاه دور انتقال مي دهد. واحد کنترل مايه زحمت است و استفاده از سيم ها براي راحتي بيماران توصيه نمي شود.
همان طور که در شکل ٢ (ب) نشان داده شده است شبکه هاي حسگر پزشکي آينده، به گرههاي حسگر کوچک و پوشيدني که بتوانند به صورت بي سيم با دستگاه گيرنده ارتباط برقرار کنند مجهز خواهند شد.
شبکه بدني بي سيم پوشيدني
فناوري شبکه حسگر بي سيم (WSN) داراي پتانسيل ارائه طيف وسيعي از منافع به بيماران، کارکنان پزشکي و جامعه از طريق مانيتورينگ مستمر در محيط سيار، تشخيص زود هنگام شرايط غيرطبيعي ، توان بخشي نظارت شده، کشف بالقوه دانش از طريق دادهکاوي تمام اطلاعات جمع آوري شده مي باشد. اين بخش چگونگي استفاده از معماري و مکانيزم شبکه هاي بدني بي سيم پوشيدني WWBAN را به عنوان يکي از نکات اصلي اين مقاله و يک زيرساخت کليدي لازم براي مانيتورينگ ساده، مستمر و روزانه سلامت شرح مي دهد. علاوه بر اين برخي از مسائل اجرايي مهم را توصيف کرده و در نهايت به معرفي بعضي از کاربردهاي حسگرهاي پوشيدني مي پردازد.
سيستم هاي پوشيدني مانيتورينگ سلامت به فرد امکان از نزديک دنبال کردن تغييرات اعمال حياتي خود را داده و بازخورد لازم براي حفظ وضعيت سلامتي مطلوب را ارائه مي دهند. اين قبيل سيستم ها در صورت يکپارچه شدن با سيستم پزشکي از راه دور١٧ مي توانند هنگام رخ دادن تغييرات تهديدآميز زندگي به پرسنل پزشکي هشدار دهند. علاوه بر اين بيماران مي توانند از مانيتورينگ بلند مدت مستمر به عنوان بخشي از روند تشخيصي مربوطه بهره مند شوند. با استفاده از اين
