چکیده

شبکههای حسگر بیسیم ناحیه بدن نمونه از یک شبکه حسگر خاص است که با بکارگیری گرههای حسگر بیسیم در محدودهی بدن فرد پارامترهای فیزیولوژیکی همانند فشار خون، درجه حرارت بدن، ضربان قلب و سطح قند او را اندازهگیری میکند و مانیتورینگ سلامت او را از راه دور میسر میسازد و به دو نوع پوشیدنی و کاشتنی در دسترس میباشد. این سیستمها با ارائه سرویسهایی نظیر نظارت پزشکی و ارائه اطلاعات دارویی و پزشکی و ارتقاء حافظه افراد و کنترل دستگاههای خانگی و برقراری ارتباط در شرایط اورژانسی میتوانند کمک قابل توجهی به افراد نماید و همچنین میتواند به طور قابل توجهی هزینههای درمانی را کاهش دهد. برخلاف شبکههای حسگر بیسیم در شبکههای حسگر بدن از معماری توپولوژی ستارهای استفاده میشود. در این توپولوژی یک نقطه دسترسی (چاهک) برای جمعآوری دادهها از گرهها در بدن مستقر است. با این حال گرههای حسگر موجود در این شبکه با منابع انرژی محدود روبرو هستند. در شبکههای حسگر بدنی برای نظارت بر علائم حیاتی بیمار و یا تشخیص حرکت، حسگرهایی( مانند حسگرهای حرکتی) روی بدن بیماران نصب میشود. در حقیقت شبکه حسگر بدنی از چندین حسگر زیستی تشکیل شده است. یک شبکه حسگر بدنی بیسیم ضمن آنکه میتواند بر علائم حیاتی نظارت داشته باشد یک بازخورد بلادرنگ برای کاربر فراهم میکند که کاربر به واسطه آن میتواند پیشرفت بیماری خود را مشاهده و پیشگیریهای لازم را انجام دهد . در این نوع شبکهها مصرف انرژی حسگرها بسیار مهم است و اگر منبع انرژی حسگرها به پایان برسد طول عمر شبکه به مرور کاهش پیدا میکند. بنابراین در این مقاله ما، یک بررسی مختصر از شبکههای حسگر بدن با ویژگیها و چالشهای آن و همچنین پروتکلهای مسیریابی کارآمد که برای انرژی نیاز است را مطرح میکنیم. پروتکلهای مسیریابی طراحی شده در شبکههای حسگر بیسیم ممکن است برای شبکههای بیسیم بدن استفاده نشوند زیرا معماری و برنامههای آن متفاوت است. پس نیاز به پروتکلهای مسیریابی کارآمد با روش جدید برای شبکههای بیسیم بدن است. تا مشکل مصرف انرژی و طول عمر شبکه را رفع کنیم.

کلمات کلیدی: شبکههای حسگر بدن، چاهک، طول عمرشبکه، پروتکل مسیریابی، مصرف انرژی

-۱ مقدمه

هر فردی دارای یکسری ویژگی منحصر به فرد از جمله حساسیت نسبت به بیماری، داروها یا عملیات پزشکی میباشد. این موارد باعث ایجاد تغییر رویکرد در مراقبت سلامت را نشان میدهد. همه شاخههای پزشکی مدرن از پیشگیری تا درمانهای پیچیده کاملا وابسته به تشخیص زود هنگام، دقیق و همراه با بررسی نتایج از نزدیک است. برای رسیدن به این اهداف لازم است که اطلاعات دقیق فرد در سطحهای مختلف بصورت پیوسته دریافت شود. این دریافت اطلاعات باید به صورتی شکل گیرد که زندگی طبیعی فرد مشکلی را ایجاد نکند و از نظر هزینه منطقی و قابل تامین باشد. از این نظر نیاز به تکنولوژی میباشد که این مشکل را مرتفع کند. به همین منظور شبکههای حسگر بیسیم ناحیه

۱

بدن که زیر مجموعه از شبکههای حسگر بیسیم است. اغلباً میتواند با ارائه پارادیم بخصوص تشخیص زودهنگام بیماریهای مختلف را انجام دهند. این نوع شبکهها میتوانند با جمع آوری و تجزیه و تحلیل دادهها مربوطه و با بکارگیری انواع مختلف سنسورهای پزشکی نشانه حیاتی بیماران را نشان دهند.[۱] که به عنوان مثال (درجه حرارت بدن، ضربان قلب، فشار خون، نوار قلب، نوار مغز و بقیه سنسورها میباشد.) اینکار در یک دوره زمانی طولانی، نتیجه کاهش هزینه بهداشت و درمان را درپی دارد.

گرههای حسگر هم میتوانند بر روی بدن انسان و هم در داخل بدن انسان کار گذاشته شوند. هر گره اطلاعات خود را به ایستگاه پایه ارسال میکند. و ایستگاه پایه با توجه به اطلاعات هر گره وضعیت بیمار را به کاربر نشان میدهد.[۳][۲] در این نوع شبکهها مصرف انرژی حسگرها بسیار مهم است و اگر منبع انرژی حسگرها به پایان برسد طول عمر شبکه به مرور کاهش پیدا میکند و گرهها که کار انتقال اطلاعات برای رساندن علائم حیاتی بدن برای مراکز درمانی هستند زودتر میمیرند و انرژی آنها تخلیه میشود. با این وجود برای حفظ انرژی و بالا بردن طول عمر شبکه که نشاندهنده مجموع مدت زمان عملیات شبکه تا مردن تمام گرهها است، باید پروتکلهای مسیریابی را انتخاب کنیم که دارای حداقل انرژی مصرفی و کمترین فاصله مورد نیاز برای مسیریابی و انتقال داده به چاهک باشند.
بنابراین نیاز به مسیریابی کارآمد برای مصرف انرژی است تا با این مشکل بر محدودیت انرژی غلبه کند. پروتکلهای مسیریابی طراحی شده در شبکههای حسگر بیسیم ممکن است برای شبکههای بیسیم بدن استفاده نشوند، زیرا معماری و برنامههای آن متفاوت است. پس نیاز به مسیریابی کارآمد با روش جدید برای شبکههای بیسیم بدن است. تا مشکل مصرف انرژی و طول عمر شبکه را رفع کنیم.

-۲ معماری شبکههای حسگر بدن

معماری شبکههای حسگر بیسیم بدن به سه سطح زیر تقسیمبندی میشود[۴] که در شکل شماره ۱ نشان داده شده است.

شکل -۱ معماری شبکههای حسگر بیسیم بدن

سطح -۱ گرههای حسگر پزشکی کاشته شده روی بدن انسان و یا داخل بدن به همراه چاهک در این سطح واقع شده است.
سطح-۲ در این سطح گرههای حسگر دادههای خود را به چاهک ارسال و چاهک با تجمیع دادهها و پردازش آن به ایستگاه پایه ارسال میکند. سطح-۳ در این سطح هم بعد از دریافت دادهها به ایستگاه پایه از طریق زیرساختهای اینترنت به مراکز پزشکی برای نظارت و درمان از راه دور ارسال میشود. در کل در معماری این نوع از شبکهها هر کدام از سنسورها با دریافت اطلاعات حسی از علائم حیاتی بدن و سپس با ارسال آن به ایستگاه پایه، سلامت فرد را برای مراکز کنترل پزشکی مانیتورینگ میکنند تا مراقبتهای درمانی صورت گیرد.

۲

-۳ ویژگی و چالشهای شبکه بی سیم بدن

-۱-۳ وظیفه شبکه حسگر بدن

گرههای حسگر وظیفه پایش پارامترهای مهم بدن را که وضعیت بیماری فرد و علائم حیاتی آن است را نشان میدهد را بر عهده دارد.[۵] در یک شبکه حسگر بدنی، علائم حیاتی که به طور عمده مورد پایش قرار میگیرند. دمای بدن، ضربان قلب، فشار خون، نرخ تنفس و میزان اکسیژن خون و غیره هستند.

علاوه بر علائم حیاتی، سایر کاربردهای حسگرهای پزشکی عبارتند از پایش سیگنال قلبی (ECG) برای مراقبت از فعالیتهای قلب، سیگنال مغزی (EEG)، سیگنال ماهیچهای (EMG)، مراقبت سطح گلوگز و پایش حرکات فیزیکی برای تعیین وضعیت افراد است.

در هنگام استفاده از شبکههای حسگر برای بدست آوردن نتایج منطقی و مناسب، باید حسگرهای متفاوتی را در شبکه قرار دهیم و از اطلاعات حسگرهای متفاوت برای بررسی شرایط بیمار استفاده شود و تصمیمات مناسب را اتخاذ گردد. نمونههایی از انواع حسگرهای به کار رفته شده به شکل مختلف از جمله الکترودهای پوستی، مچ بندها و غیره در جدول شماره ۱ نشان داده شده است.[۶]

جدول -۱ حسگرهای پزشکی مختلف روی بدن انسان
سنسور توضیحات
نوارقلب (ECG) فعالیتهای الکتریکی قلب ( به طور مداوم در هنگام استراحت بصورت پیوسته)
جریان خون اندازهگیری نیروهای شتاب دهنده در فضای سه بعدی از بدن
فشار خون نیروی اعمال شده توسط گردش خون در دیوارههای رگهای خونی
دمای بدن یا پوست شاخص توانایی بدن برای ایجاد و رهایی از گرما
میزان تنفس تعداد حرکات دم و بازدم در واحد زمان
میزان اکسیژن نشاندهنده اکسیژن که در خون بیمار در جریان است
ضربان قلب فرکانسی از سیکل قلبی
قند خون اندازهگیری مقدار قند ( نوع، منبع، انرژی) در خون
سیگنال ماهیچهای((EMG فعالیت الکتریکی عضلات اسکلتی (سیستم عصبی، عضلانی)
نوار مغز (EEG) اندازهگیری فعالیت مغز به صورت خودجوش و سایر پتانسیلهای مغز

همانطور که در جدول شماره ۱ مشاهده میکنید هر کدام از این سنسورها با توجه به موقعیت خود روی بدن انسان قرار میگیرند و مطابق با نوع حسگر، علائم بیمار را نشان میدهند. مثلا دمای بدن یکی از مهمترین عواملی است که باید برای تعیین وضعیت سلامت بیمار اندازهگیری شود. بالا بودن دمای بدن نشانه بیماری است و پائین بودن آن هم از یک حد معین نشان دهنده افزایش احتمال بیمار شدن است. از فشار خون، میتوان برای تخمین میزان بالا بودن کلسترول خون، گرفتگی شریانها، و یا نامنظم بودن فعالیت قلب استفاده کرد. از حسگر ثبت ضربان قلب (ECG) میتوان برای نشان دادن سطح و میزان استرس نیز استفاده کرد. زمانیکه فشار خون تحت تاثیر استرس اندازهگیری میشود در سطح نرمال قرار نمیگیرد و یا ECG و دمای بدن فرد با میزان فعالیت فرد رابطه مستقیم دارد.