무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Network)는 센서 기술, 임베디드 컴퓨팅 기술, 현대 네트워크 및 무선 통신 기술, 분산 정보 처리 기술 등 다양한 분야의 기술을 종합한 신흥 기술로, 이 기술은 광범위한 응용 장면을 가지고 있다.

기술이 발전함에 따라 WSN (Wireless Sensor Network) 은 의료 관행의 많은 측면에서 큰 영향을 미칠 것입니다.본고는 주로 무선 센서 네트워크 의료 보호 시스템의 체계 구조와 보호 노드 설계의 일반적인 원칙을 논술한다.

무선 센서 네트워크의 아키텍처

모니터링 구역 내에 대량의 센서 노드를 배치하고, 노드 간에 자체 조직 방식을 채택하여 네트워크를 구성하고 무선 통신 기술을 이용하여 데이터 전송을 진행하며, 각 노드는 데이터 수집과 데이터 융합 전송의 이중 기능을 가지고 있다.노드는 자체적으로 수집한 정보와 기타 노드가 그에게 전달한 정보에 대해 초보적인 데이터처리와 정보융합을 진행한후 린접노드가 릴레이로 전송하는 방식으로 기지국에 전송한후 기지국을 통해 인터넷, 위성 등 방식으로 종사용자에게 전송한다.

노드는 무선 센서 네트워크의 기본 기능 단위로서 구체적인 응용이 다르고 노드의 설계도 다르다.센서 노드의 기본 구성 모듈은 센서 유닛, 처리 유닛, 통신 유닛 및 전원 섹션입니다.또한 포지셔닝 시스템, 모바일 시스템 및 전원 공급 장치 자체 공급 시스템과 같은 특정 응용 프로그램 요구 사항에 따라 기능 단위를 추가할 수 있습니다.

무선 센서 네트워크의 의료에서의 응용 현황

무선 센서 네트워크는 그 자체의 장점 (예를 들면 저비용, 간편함, 신속함, 실시간 무창조의 환자의 각종 생리 파라미터 수집 등) 을 이용하여 의료 연구, 병원 일반/ICU 병실 또는 가정 일상 감호 등 분야에서 매우 큰 발전 잠재력을 가지게 하는 것이 현재 연구 분야의 이슈이다.

환자의 몸에 인체 파라미터를 검측하는 데 사용되는 마이크로센서 노드를 배치하여 환자의 심박수, 혈압, 심전, 심음 등 생리 파라미터를 원격으로 실시간 검측하고 정보를 종합하여 감호센터에 전송하여 적시에 처리하고 피드백할 수 있다;WSN을 이용하여 피관찰자의 인체 생리 데이터를 장기간 수집하면 인체 건강 상태를 이해하고 인체 질병을 연구하는 데 도움이 된다.이밖에 약물관리와 신약품의 연구제작, 혈액관리 등 여러 방면에서도 그 *의 응용이 있다.총적으로 무선센서네트워크는 미래의 원격의료감호시스템에 더욱 간편하고 저비용의 실현수단을 제공해주었다.

무선 센서 네트워크 기반 의료 아키텍처

무선 센서 네트워크 기반 의료 보호 시스템은 주로 의료 센서 노드, 의료 보호 기지국 (의료 SINK 노드) 및 지역 사회/병원 보호 센터 부분으로 구성됩니다.

의료 센서 노드와 보호 기지국은 개인/가정 또는 병실 무선 센서 네트워크를 구성하며, 여러 개의 이러한 네트워크는 지역 사회 또는 전체 병원 보호 네트워크, 심지어 더 큰 범위의 원격 의료 보호 시스템을 구성할 수 있다.우선, 의료 센서 노드는 인체 생리 파라미터를 수집하고, 수집된 파라미터를 간단하게 처리한 후, 무선 통신 방식을 통해 직접 또는 간접적으로 점프하는 방식으로 데이터를 기지국에 전송한다.감호 기지국은 데이터를 진일보 처리한 후 감호 센터에 전달하고, 감호 센터는 분석 처리를 진행하며, 적시에 환자에 대한 정보 피드백을 진행한다.보호센터는 또 여러가지 방식(인터넷, 이동통신망 등)으로 원격데이터전송을 진행하여 기타 보호센터와 정보를 공유할수 있다.

의료 센서 노드 설계

의료 센서 노드의 기본 구조에는 처리 모듈, 센서 모듈, 무선 송수신 모듈, 전원 공급 모듈이 포함됩니다.

센서 모듈은 외부 센서 신호를 감지, 수집, 변환하는 데 사용됩니다.전체 노드가 실제로 외부 신호량과 접촉하는 모듈입니다.그러나 의료용 센서는 생명체를 측정 대상으로 한다.특히 인체는 세계의 복잡한 계통이라고 할수 있으며 각 생리변수간에는 고도의 관련성이 존재하며 쉽게 접근하지 못한다.그러므로 의료용센서는 많은 현상에서 예측생리량을 추출하여 믿음직하고 의의있는 측정수치를 얻어내야 하며 동시에 측정대상의 안전도 확보해야 한다.

인체 파라미터는 대부분 미약한 신호이기 때문에, 일반적으로 몇 mV급, 심지어 더 낮으며, 다양한 소음 (환경 소음 측정, 기기와 인체 마찰 소음 및 기기 자체 소음 등), 작업 주파수 간섭 (환경 주위에 50Hz의 전자장이 존재하는 것을 측정함) 및 각종 잡음 등 불리한 요소가 존재한다.따라서 구체적인 의료 센서 노드 설계에 아날로그 회로 처리 모듈을 추가하는데, 이 모듈은 일반적으로 증폭 회로, 필터 회로, 오목 회로 및 모듈 (A/D) 변환 회로 등 몇 가지 부분을 포함한다.노드 설계에서 증폭 회로는 일반적으로 다단계 증폭 (3급 또는 4급) 을 사용하며, 말단 증폭 회로는 증폭 기능 외에 일반적으로 전평 향상 기능도 가지고 있다;필터 회로: 회로가 간결하고 합리적인 마감 주파수, 유연하고 편리한 조절 고저통 마감 주파수 등 요구를 만족시키고 신호 중의 고주파와 저주파 간섭을 합리적으로 필터해야 한다;오실로그래프 회로: 현재 대칭성 이중 T 저용량 유원 오실로그래프 또는 집적 스위치 커패시터 및 비대칭 저용량 네트워크 오실로그래프 등을 광범위하게 사용하고 있다.총적으로 아날로그회로처리모듈은 주로 채집된 신호를 확대, 려과, 함파 등 처리하여 신호중의 소음, 교란을 제거하고 유용한 신호를 추출한다.

프로세서 모듈은 센서 노드의 핵심으로 전체 노드의 설비 제어, 임무 분배와 스케줄링, 데이터 통합과 전송 등을 담당한다.현재 프로세서 모듈에는 Atmel사의 AVR 시리즈 단편기, TI사의 MSP430 초저전력 프로세서, Motorola사와 Renesas사의 프로세서, 32비트 임베디드 프로세서인 ARM 단편기가 많이 사용되고 있다.노드 설계에서 프로세서 모듈의 센싱 모듈 수집 제어, A/D 변환 실현 및 무선 통신 모듈의 송수신 제어를 프로그래밍해야 한다.

무선 송수신 모듈은 노드 간의 데이터 통신에 사용됩니다.무선 분야에서 많이 사용되는 무선 송수신 모듈은 Chipcon사의 CCl000, CC2420, CC2430이다.자주 사용하는 무선통신 기술은 IEEE 802.1lb, IEEE 802.15.4(ZigBee), Bluetooth, UWB, RFID, IrDA(적외선) 등이다.보호 시스템은 대부분 IEEE 802.15.4(ZigBee), Bluetooth를 사용하여 노드와 기지국 간의 데이터 통신을 실현한다.

전원 모듈은 노드에 에너지를 공급하며 전체 무선 센서 노드의 기본 모듈입니다.그러나 센서 노드의 에너지는 노드 볼륨에 의해 제한됩니다.따라서 전체 노드 설계에서 저전력, 고정밀도를 주요 요구로 하여 일련의 효과적인 조치를 취하여 에너지를 절약한다.또 의료 센서 노드는 배터리를 자주 교체하지 못해 정상적인 생활에 영향을 미친다.따라서 설계된 의료 노드는 긴 라이프 사이클을 가져야 합니다.

의료 무선 센서 네트워크 모니터링 시스템의 문제점

무선 센서 네트워크는 의료 보호 시스템을 구축하는 데 *이점이 있지만 실제 의료에 적용하는 데는 다음 과제가 있습니다.

동적 네트워크 구성과 대규모 네트워크 중 노드 이동성 관리: 보호 시스템이 지역사회, 도시 심지어 전국으로 확장될 때 그 네트워크 규모는 거대하며 보호 노드와 기지국은 모두 일정한 이동성을 가지고 있다.따라서 적절한 네트워크 토폴로지 관리 구조와 노드 이동성 관리 방법을 설계해야 합니다.

데이터 무결성 및 데이터 압축: 노드는 때때로 24시간 동안 인체 매개변수를 모니터링해야 하는데, 노드가 수집한 데이터의 양은 크지만 노드의 저장 용량은 작기 때문에 항상 압축 알고리즘을 사용하여 데이터의 저장과 전송량을 줄인다.그러나 기존 데이터의 압축 알고리즘 오버헤드가 너무 커서 센서 노드에 적합하지 않습니다.또한 압축 알고리즘은 원본 데이터를 손상시킬 수 없으며 그렇지 않으면 환자에 대한 잘못된 진단을 초래할 수 있습니다.

데이터 보안: 무선 센서 네트워크 노드는 자체 조직 방식으로 네트워크를 구성하여 공격에 취약하며, 또한 환자의 정보는 비밀을 지켜야 합니다.그러나 센서 노드의 컴퓨팅 능력은 상당히 제한적이며 전통적인 보안 및 암호화 기술은 적용되지 않습니다.따라서 센서 노드에 적합한 복호화 알고리즘을 설계해야 합니다.