Высшего профессионального образования
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
____ Анализ особенностей построения сети стандарта 802.15.6 (WBAN) и ее ____ применения в медицине ___________________________
(тема ВКР)
Вид выпускной квалификационной работы
___ бакалаврская работа _____________________________________________
(бакалаврская работа, дипломная работа, дипломный проект)
Направление/специальность подготовки
___ 230100 Информатика и вычислительная техника ____________________
(код и наименование направления/специальности)
Профиль подготовки
__ Автоматизированные системы обработки информации и управления _____
(наименование)
Квалификация _____ бакалавр ________________________________________
(наименование квалификации в соответствии с ФГОС / ГОС ВПО)
Студент:
_ Суродеева Елизавета Владимировна ______ _________
(Ф.И.О., № группы) (подпись)
Научный руководитель:
д.т.н., проф., Комашинский Владимир Ильич _________
(учёная степень, учёное звание, Ф.И.О.) (подпись)
Санкт-Петербург
Работа написана мною самостоятельно и не содержит неправомерных заимствований
__________________ ______________________
(дата) (подпись)
Текст ВКР размещен в электронно-библиотечной системе университета
Руководитель отдела комплектования библиотеки ____________________________
(Ф.И.О.)
__________________ ___________________________
(дата) (подпись)
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
|
|
|
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
им. проф. М. А. БОНЧ-БРУЕВИЧА»
Факультет _______ ИКСС _____
Кафедра_______ СС и ПД _____
Направление (специальность)230100 Информатика и вычислительная техника (код и наименования)
Утверждаю:
Зав. кафедрой_ Кучерявый Андрей Евгеньевич
_______________________________
(Ф.И.О., подпись)
«______»_______________20 г.
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы (ВКР)
1. Студент__ Суродеева Елизавета Владимировна ___ № группы __ СУ-11
(фамилия, имя, отчество)
2. Руководитель____ Комашинский Владимир Ильич, доктор технических наук, профессор ___________________________________________
(фамилия, имя, отчество, должность, уч. степень и звание)
3. Квалификация_____ бакалавр ____________________________________
(наименование в соответствии с ФГОС / ГОС ВПО)
4. Вид работы_______ бакалаврская работа ________________________
(бакалаврская работа, дипломный проект, дипломная работа)
5. Тема ВКР___ Анализ особенностей построения сети стандарта 802.15.6 (WBAN) и ее применения в медицине ___________________________
утверждена приказом ректора университета от «_ 29.04.2015 _» № _ 258/КС __
6. Исходные данные (технические требования):____ Проанализировать особенности построения беспроводной нательной сети _______________
|
|
|
7. Содержание работы (анализ состояния проблемы, проведение исследований, разработка, расчеты параметров, экономическое обоснование и др.)
__ Введение ______________________________________________________
__ Глава 1. Анализ современного состояния и тенденций развития __
Глава 2. Анализ физической структуры и архитектуры WBAN
__ Глава 3. Анализ особенностей применения WBAN и ее место в Интернете вещей
Глава 4. Разработка предложений по применению WBAN в медицине __ Заключение _______________________________________________________ __ Список использованной литературы
8. Вид отчетных материалов, представляемых в ГЭК (пояснительная записка, перечень, графического материала, отчет о НИР, технический проект, образцы и др.):
___ 1. Пояснительная записка
2. Презентация к докладу защиты
___ 3. Электронная версия пояснительной записки
___ 4. Раздаточные материалы _________________
9. Консультанты по ВКР с указанием относящихся к ним разделов
| Раздел | Консультант | Подпись дата | |
| Задание выдал | Задание принял | ||
| 1. Анализ современного состояния и тенденций развития БНС | Комашинский В.И. | ||
| 2. Анализ физической структуры и архитектуры WBAN | Комашинский В.И. | ||
| 3. Анализ особенностей применения WBAN и ее место в Интернете вещей | Комашинский В.И. | ||
| 4. Разработка предложений по применению WBAN в медицине | Комашинский В.И. |
|
|
|
Дата выдачи задания «__ 13 _» ________ марта __________________2015 г.
Дата представления ВКР к защите «_ 29 _» ________ июня __________2015 г.
Руководитель ВКР_ ___________________________________________
(подпись)
Студент ________________________________________________
(подпись)
КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН
| № п/п | Наименование этапов выпускной квалификационной работы | Срок выполнения этапов ВКР | Примечание |
| Поиск и исследование литературы по теме выпускной квалификационной работы Изучение и перевод англоязычной литературы, необходимой для написания работы Постановка целей и задач. Формулировка темы исследования Анализ современного состояния и тенденций развития беспроводных нательных сетей Анализ физической структуры и архитектуры WBAN Анализ особенностей применения WBAN и ее место в Интернете вещей Разработка предложений по применению WBAN в медицине Работа над заключением ВКР Оформление пояснительной записки Представление бакалаврской работы руководителю Получение отзыва руководителя Представление бакалаврской работы заведующему кафедрой Представление бакалаврской работы к защите в ГЭК | 13.03 – 22.03 25.03 – 11.04 12.04 – 13.04 13.04 – 20.04 21.04 – 28.04 29.04 – 02.05 03.05 – 25.05 26.05. – 27.05 28.05 – 05.06 15.06 20.06 22.06 29.06 |
Студент _____________________________________________
|
|
|
(подпись)
Руководитель ВКР ____________________________________________
(подпись)
Реферат
Содержание
Список сокращений………………………………………………………14
Введение…………………………………………………………………..16
Глава 1. Анализ современного состояния и тенденций развития БНС..18
1.1. Ретроспективный анализ…………………………………………..18
1.2. Анализ современного состояния………………...………………..18
1.3. Тенденции развития………………………………………………..22
Глава 2. Анализ физической структуры и архитектуры WBAN…….25
2.1. Инфраструктура БНС…………………………………………..…..29
2.2. Архитектура протоколов……………………………………….…33
2.3. Физический уровень………………………………………………..34
Глава 3. Анализ особенностей применения WBAN и ее место в Интернете вещей………………………………………………………...….….39
Глава 4. Разработка предложений по применению WBAN в медицине………….……………………………………………….……….…...44
Заключение……………………………………………..………………..51
Список использованной литературы……………………………….…53
Список сокращений
6LoWPAN (IPv6 over wireless personal area network)
CES(Consumer Electronics Show)
ISM (Industrial Science Medical)
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
MAC (media access control)
PHR
PLCP
PSDU
QoS (quality of service) – качество обслуживания
SHR
SPI
USB
UWB (ultra wide band) - сверхширокополосный
WBAN (wireless body area network) – беспроводная нательная сеть
WLAN (wireless local area network) – беспроводная локальная сеть
WPAN (wireless personal area network) – беспроводная персональная сеть
БНС – беспроводная нательная сеть
ВОЗ – всемирная организация здравоохранения
ИБС - ишемическая болезнь сердца
ИСМ – индивидуальная система мониторинга
ОИМ – острый инфаркт миокарда
ОС – операционная система
ПД – передача данных
ПО – программное обеспечение
Введение.
Иногда кажется, что технический прогресс уже достиг того этапа, когда придумать что-то новое невозможно. Но специалисты разных областей, объединяя знания и возможности, продолжают удивлять простого обывателя техническими новинками. Часто человек не успевает должным образом оценить только что внедренную инновацию, как на рынке появляется ещё более прогрессивная модель.
Но ошибочно будет полагать, будто область технического прогресса является обособленной и изолированной. Напротив, тенденция современности заключается в конвергенции знаний, и таким образом, инновации на рынке технических изобретений привносят позитивные изменения во множество сфер человеческой жизни.
Так, семейство стандартов 802.15 открыло миру не только технологии bluetooth и zigbee, но и регламентируемую стандартом 802.15.6 и призванную внести существенные изменения в область медицинских исследований технологию BAN. Рынок наводнили всевозможные "умные" часы и браслеты, фиксирующие такие важные жизненные показатели владельца как пульс, температуру тела, величину пройденного за день расстояния. Определив такой индивидуальный показатель как фаза сна, гаджет предлагал разбудить хозяина в наиболее благоприятное для этого время. Все данные прибор отправлял на мобильное устройство, оснащённое специальным приложением, где полученная информация подвергалась сравнению и анализу. Очевидно, такая новинка позволила перевести мониторинг здоровья и состояния человека на качественно новый уровень.
Целью данной дипломной работы является анализ особенностей построения сети стандарта 802.15.6, изучение технологии функционирования нательных сетей, ретро- и перспективный анализ, оптимизация структуры сети, разработка предложений по применению беспроводных нательных сетей в медицине
Для структуризации плана исследования были выделены следующие задачи:
- осветить историю создания и развития технологии, выяснить актуальность ее на сегодняшний день и составить прогноз её развития в будущем;
- рассмотреть особенности функционирования технологии на физическом и прикладном уровнях, уделив особое внимание архитектуре протоколов. Оценить пропускную способность сети, построенной согласно данной технологии;
- оценить место технологии в Интернете Вещей;
- рассмотреть эффективность наблюдения за здоровьем пациентов с помощью БНС и сравнить ее с эффективностью традиционного подхода.
Глава 1. Анализ современного состояния и тенденций развития БНС
1.1.Ретроспективный анализ
Интересно, что нательная техника существует ещё с 13 века, когда появились первые очки. Спустя несколько веков китайские умельцы времён династии Цинь создали счёты для ношения на пальце. Сегодня нательные технологии представлены в виде умной одежды, будь то кроссовки, очки, часы, кольца и т.п. Вне зависимости от их внешнего вида и способа использования они сыграют очень важную роль в развитии медицины.
Современные исследования БСС начались в первой половине 1990-х гг. В результате этих исследований в Калифорнийском университете (Беркли) была разработана концепция беспроводных сенсорных сетей, получившая название «Умная пыль». Идея «умной пыли» предполагает следующее: узлы сети - крошечные, беспроводные сенсоры или «пылинки», которые в процессе функционирования должны самостоятельно находить друг друга и организовывать коммуникационную сеть для передачи информации от сенсоров в пункт управления. На первом этапе инициаторам проекта было предложено создать прототипы пылинок на основе уже имеющейся элементной базы. Эта часть задачи была решена путем создания сенсорного узла MICA-2 и его вариантов.
1.2. Анализ современного состояния
2014 год вполне может стать годом нательной техники. Её влияние ощущается в образовании, коммуникациях, навигации и развлечениях, но, пожалуй, самый большой потенциал у неё в медицине. Нательная техника уже начала революцию в этой сфере. Так, она помогает врачам в операционной и позволяет просматривать истории болезни в реальном времени.
Однако помощь врачу при операции — это далеко не весь потенциал нательной техники в медицине. Во-первых, с её помощью пациенты могут сами непрерывно отслеживать состояние своего здоровья. На международной выставке CES(Consumer Electronics Show) 2014 года в Лас-Вегасе компании Sony, LG и Garmin показали устройства, записывающие всё, от пульса и кровяного давления до уровня насыщения кислорода. По прогнозам, к 2018 году общее количество поставленных на рынок нательных устройств достигнет 130 млн. При таком уровне проникновения вполне можно констатировать, что нательные устройства — это идеальное решение для медицины.
По мере улучшения точности и масштаба данных нательные устройства смогут снизить расходы на здравоохранение за счёт выявления тенденций и общих черт в группах населения, что позволит эффективнее предотвращать заболевания. Помимо вовлечения пациентов и помощи им, такие устройства смогут перенести акцент от работы с каждым пациентом в отдельности к эффективному управлению здоровьем населения в целом.
Несмотря на многочисленные преимущества беспроводных нательных сетей и потенциальные улучшения, которые они могут привнести в жизнь человека, есть и противники инновационной технологии. Прибыль крупнейших фармакологических компаний существенно сократится с перехода от системы лечения к системе здравоохранения. Производители лекарств заинтересованы в людях трудоспособных, но нездоровых, постоянно нуждающихся в фармакологической поддержке. БНС же подразумевает раннюю диагностику и предотвращение заболеваний.
Дав пациентам возможность играть более активную роль в сборе данных, нательные устройства смогут изменить методы сбора и анализа медицинских данных. Это может стать медицинским эквивалентом показа дорожного движения в Google Maps — медицинские схемы, основанные на обработке анонимных данных с нательных устройств и выводимые в реальном времени.
Стоит отметить, что интерес к нательной технике стремительно растет. Последний отчет компании IDC представил рейтинг поставщиков «носимой электроники».
| Бренд | Объем поставок 2015 | Доля на рынке 2015, % | Объем поставок 2014 | Доля на рынке 2014, % | Изменения за год, % |
| FitBit, США | 3,9 | 34,2 | 1,7 | 44,7 | 129,4 |
| Xiaomi, Китай | 2,8 | 24,6 | 0,0 | ||
| Garmin, США | 0,7 | 6,1 | 0,3 | 7,9 | 133,3 |
| Samsung, Южная Корея | 0,6 | 5,3 | 0,3 | 7,9 | 100,0 |
| Jawbone, США | 0,5 | 4,4 | 0,2 | 5,3 | 150,0 |
| Прочие | 2,9 | 25,4 | 1,3 | 34,2 | 123,1 |
| ИТОГ | 11,4 | 100,0 | 3,8 | 100,0 | 200,0 |
| Рис. График изменения объема поставок «умных» гаджетов за 2015 и 2014 гг. |
В то время как Европа уже вовсю пользуется «умными» браслетами, и компании – производители конкурируют за клиентов, в России есть только один проект, развивающий идею БНС. ОАО «Опека», производящее одноименные комплексы, предлагает три разновидности социально – медицинских браслета и один нательно – мобильный комплекс.
В ходе проведения небольшого социального опроса, выяснилось, что 90 % наших соотечественников никогда не слышали о технологии нательных сетей и решениях, которые реализуются с их помощью.
По данным исследования, проводимого Всемирной Организацией Здравоохранения в 2013 году (рис. 1), Россия занимает 129 место в списке стран с наибольшей продолжительностью жизни – всего 68 лет. На первом месте – Япония (84 года), в первой десятке - страны Европы (от 83 до 82 лет).
| Рис. 1. Продолжительность жизни мужчин в мире |
На рис.1 видно, что наибольшая продолжительность жизни наблюдается в странах Европы, США, Канаде, Израиле, Японии и Австралии. Эти же страны известны как наиболее активные пользователи индивидуальных систем мониторинга здоровья, «умных браслетов». Пока за недостаточностью проведенных экспериментов и подсчетов невозможно говорить о какой-либо зависимости продолжительности жизни от использования гаджетов на базе БНС, но взять во внимание все-таки стоит.
Безусловно, на показатель продолжительности жизни влияют многие факторы. В качестве ответа на вопрос об основных причинах столь низких показателей в России обычно приводятся следующие факторы: высокий уровень зависимости от алкоголя и табакокурения, недостаточность усилий всей системы здравоохранения (первопричина – низкое финансирование), отсутствие профилактики заболеваний. Со всеми этими проблемами возможно справиться, например, с помощью фитнес – браслета. Пользователь наглядно оценит воздействие алкоголя на нервную систему благодаря анализу сна. При употреблении бутылки пива объемом 0,5 л человек засыпает быстрее, но качество сна значительно ухудшается – мозг не может достигнуть фазы глубокого сна и получить необходимый отдых. Возникшая утром головная боль и общее недомогание в организме объясняются именно недостатком отдыха.
1.3.Тенденции развития.
В этом году проект ATTACH получил 2,6 млн долларов от Агентства перспективных исследований проектов энергетики (ARPA-E) при Министерстве энергетики США. Цель разработчиков – создание особой ткани, которая будет регулировать комфортную температуру тела человека, вне зависимости от температуры окружающей среды. Джозеф Ванг, профессор, возглавивший исследование, считает, что на 15% можно будет снизить затраты электроэнергии на обогрев домов, так как ткань поддерживает температуру конкретного тела, а не всего окружающего пространства. В материал планируют встраивать биотопливные ячейки, которые будут извлекать энергию из человеческого пота.
Широкое распространение ученые прогнозируют роботизированной хирургии. Это направление не является новым, но внедрение инновационных технологий позволит повысить качество и эффективность операций. Высокий уровень точности, небольшие надрезы и, впоследствии, меньшие шрамы – далеко не весь перечень возможностей робототехники. Планируется введение нового сервиса, который позволит в режиме реального времени обращаться к истории болезни пациента и принимать решения исходя из данных конкретного анамнеза.
В Японии уже разрабатывается целый проект, нацеленный на улучшение качества жизни японских пенсионеров. Реализация предполагает распространение фитнес – браслетов и планшетов с установленными на них ПО и приложениями. Так, пожилой человек получит напоминание о необходимости выполнить какие-либо действия (например, принять лекарство), сможет заказать необходимые вещи и продукты и даже найти работу, которая будет ему по силам.
Аналитики CCS Insight прогнозируют стремительный рост рынка носимой электроники. Ожидается, что в 2014 году поставки смарт-браслетов, компьютеризированных часов, «умных» очков и других носимых гаджетов достигнут 22 млн штук, что на 129% больше прошлогоднего показателя в 9,7 млн штук. Еще через 4 года суммарный показатель превысит 135 млн устройств.
По мнению экспертов, львиную долю на рынке в рассматриваемый период будут занимать «умные» браслеты и смарт-часы — к 2018 году их поставки достигнут 50 и 68 млн соответственно. Что касается компьютеризированных очков, то их доля в общем объеме продаж через 4 года составит лишь 2%. Почти столько же — 3% — будет приходиться на различного рода аксессуары и украшения, в том числе ювелирные, полагают аналитики.
Выводы:
Глава 2. Анализ физической структуры и архитектуры WBAN
Несмотря на наличие ряда предшествующих стандартов персональной беспроводной связи, была выявлена необходимость в специальном новом стандарте для нательных беспроводных сетей. Так, в 2007 году была создана целевая группа 802.15.6, задачей которой стала разработка нового физического уровня и уровня доступа к среде, которые бы соответствовали необходимым условиям требуемой мощности и безопасности по отношению к человеку. Рассмотрим некоторые сравнительные данные для беспроводных стандартов связи общего применения и НБС нового стандарта.
IEEE 802.11 представляет собой группу стандартов для локальных беспроводных сетей – ЛБС (Wireless Local Area Networks – WLAN или Wi-Fi). Она включает разные варианты, такие как IEEE 802.11/a/b/g/n. ЛБС главным образом используются компьютерами или портативными устройствами и соединяют их с беспроводной коммуникационной средой. Но очевидно, что этот стандарт, в соответствии со своими применениями, не уделяет большого значения энергосбережению и сложности устройств. Это старый стандарт и от него нельзя ожидать слишком много.
Стандарт IEEE 802.15 сфокусирован на малых расстояниях передачи, невысокой сложности, низкой стоимости и малой потребляемой мощности. Он главным образом предназначен для беспроводных персональных сетей – БПС (Wireless Personal Area Networks – WPAN). Эта группа стандартов включает в себя IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.4 (ZigBee) и новый стандарт IEEE 802.15.6. Чтобы сделать сравнение более ясным и определенным, возьмем в качестве примера стандарт IEEE 802.15.4. Этот стандарт широко известен как ZigBee, хотя на самом деле ZigBee это – система, построенная на стандарте IEEE 802.15.4. Устройства ZigBee имеют более продолжительное время автономной работы по сравнению с устройствами Bluetooth, поскольку они требуют меньшего потребления энергии. Обычно ZigBee - приложения требуют меньших скоростей передачи, тогда как Bluetooth предназначен, в основном, для передачи данных на относительно высоких скоростях. Кроме того, устройства ZigBee имеют значительно меньшее время соединения в сети. Таким образом, они обладают рядом свойств, необходимых для БНС, но, несмотря на это, при сравнении их характеристик с требованиями для беспроводных нательных сетей, видна их функциональная недостаточность (см. Таблицу 1). Сравнение стандартов IEEE 802.15.4 и IEEE 802.15.6 показывает, что они используются в разной среде. Беспроводные нательные сети предназначены для более коротких расстояний передачи, но более высоких скоростей передачи данных. Что касается энергопотребления, то БНС должны иметь чрезвычайно малое потребление в спящем режиме (stand-by mode). и меньшую мощность излучения в активном режиме, по сравнению с ZigBee. Это обеспечивает устройствам длительный срок автономной службы и их рабочие характеристики. Из-за области применения БНС не требуют очень больших размеров сети, но должны отвечать требованиям безопасности и быть дружественными по биологическим параметрам, поскольку рабочая среда связана с телом человека. В целом, Беспроводные нательные сети представляют собой стандарт для беспроводных коммуникационных систем малого радиуса действия, предназначенных для работы в окрестности, или внутри тела человека (но не ограничивающиеся этим).
Они используют существующие ISM (Industrial Science Medical) полосы частот, а также полосы частот принятые 57 национальными медицинскими и/или регулирующими органами. Поддержка качества обслуживания (Quality of Service – QoS), чрезвычайно малое потребление и скорости передачи до 10 Мбит/сек необходимы в них, чтобы обеспечить отсутствие интерференции с устройствами других типов. БНС сети в общем случае имеют очень сложный разнородный трафик. Существующие протоколы доступа к среде, разработанные для WLAN, Bluetooth, ZigBee не удовлетворяют требованиям низкого уровня излучения при передаче. И использовать сети ZigBee для работы в приложениях внутри тела из-за требуемого уровня мощности невозможно. Медицинские приложения должны иметь высокий приоритет и качество обслуживания. Сети ZigBee не могут обеспечить требуемых решений для всех медицинских и немедицинских приложений. Вследствие этого стандарт IEEE 802.15.6 предлагает новый MAC уровень с тремя различными опциями, а именно: режим с пилот сигналом и границами суперфрейма, режим без пилот сигнала с границами суперфрейма и режим без пилот сигнала и границ суперфрейма.
| IEEE 802.15.6, Требования стандарта | IEEE 802.15.4 | |
| Поддерживаемые приложения | Медицинские, игровые, развлекательные, спортивные и др | Домашние, освещение промышленная автоматизация, и др. |
| Дальность | 2 – 5 м В помещении | 10-100 м в свободном пространстве 5 - 30 м в помещении |
| Скорость передачи данных | 1 Кбит/сек – 10 Мбит/сек | 20, 40, 250 Кбит/сек |
| Потребляемая мощность | 0,01 мВт – спящий режим 40 мВт - активный (скорость не указана) | 135 – 150 мВт скорость 250 бит/сек. (модули ХВее, [4]) |
| Излучаемая мощность | 25 мкВт (-16 дБм) | 1 мВт (0 дБм) |
| Размер сети | Умеренный, до 256 узлов | Большой, до 65К узлов |
| Безопасность, дружествнность по биологическим параметрам | да | нет |
| Таблица 1 |
2.1. Инфраструктура БНС
БНС состоит из узлов, которые осуществляют постоянный мониторинг жизненно важной информации пациента для диагностики и рекомендаций.
Трафик БНС подразделяется по категориям на трафики по запросу, аварийный и нормальный. Трафик по запросу инициируется координатором или врачом для получения информации, в основном для целей диагностических рекомендаций. Он в свою очередь делится на непрерывный (в случае хирургических событий) и дискретный (когда информация требуется от случая к случаю). Аварийный трафик инициируется узлами, когда они преодолевают определенный порог и требуется принятие решения меньше чем за секунду. Этот вид трафика не генерируется через регулярные интервалы и в общем случае непредсказуем. Нормальный трафик представляет трафик в нормальных условиях при отсутствии критических событий и событий запросов. Он включает в себя ненавязчивый рутинный мониторинг здоровья пациента и наблюдение многих болезней, таких как болезни желудочно-кишечного тракта, неврологические нарушения, обнаружение рака, период реабилитации и наиболее опасные болезни сердца. Нормальные данные собираются и обрабатываются координатором.
В БНС различают три типа узлов.
1. Имплантированные узлы – узлы, которые помещены внутри тела человека. Они могут быть размещены непосредственно под кожей или значительно глубже внутри тела.
2. Поверхностные узлы – узлы, которые расположены на поверхности тела, или на расстоянии от него до 2 сантиметров.
3. Внешние узлы – узлы, которые не контактируют с кожей человека и расположены вне тела на расстояниях от нескольких сантиметров до 5 метров.
При коммуникациях по поверхности тела, расстояние между передающим и приемным узлом определяется как расстояние по дуге минимальной длины, проходящей по поверхности тела и соединяющий передатчик и приемник, а не как непосредственное расстояние между этими устройствами. Это позволяет рассматривать для связи поверхностные огибающие волны. Для внешнего коммуникационного узла расстояние между передатчиком и приемником рассматривается как длина прямой линии, соединяющей поверхностный узел с внешним узлом, Это расстояние может достигать 3 - 5 метров.
Целью BAN является мониторинг здоровья человека, интегрированный в широкую многоуровневую структуру телемедицинской системы. Телемедицинская система включает три уровня:
- индивидуальные систем мониторинга здоровья,
-персональные серверы, реализованные на ПК, мобильном устройстве и т.д.,
-медицинский сервер, являющийся верхушкой иерархии.
Первый уровень. Здесь пациент является ядром системы. Носимые сенсоры прикрепляются к телу пациента, образуя БНС, с целью мониторинга изменения жизненных показателей пациента и непосредственно и предоставления обратной связи в режиме реального времени для помощи в поддержании оптимального статуса здоровья пациента. Медицинские сенсоры состоят из пяти основных компонентов: сенсор, контролирующая часть, память, модуль связи, питание. Сложный сенсор интегрированный в БНС является суперсенсором, он имеет больше памяти, возможностей для обработки и поддержания связи, чем другие нательные сенсоры. Этот суперсенсор замерят, собирает множество зафиксированных нательными сенсорами жизненных показателей, фильтрует все избыточные данные, уменьшая объем передаваемой БСН информации, хранит их временно, обрабатывает и передает важные данные персональному серверу.
Второй уровень. Реализован на КПК (IPDA); собирает физиологические показатели здоровья от БНС, обрабатывает их и наделяет приоритетом критический данные, когда они являются внезапными клиническими изменениями в текущем состоянии пациента. Более того, IPDA способен выполнять задачи анализа физиологических данных интеллектуально и определять статус здоровья пациента, основываясь на данных, принятых от суперсенсора и предоставлять обратную связь через удобный пользователю графический интерфейс. 3 G связь используется для соединения с третьим уровнем.
Уровень 3. Медицинский сервер мониторинга здоровья (MSHM). Принимает данные от персонального сервера, расположен в медицинских центрах, предоставляющих соответствующие услуги. Он способен изучать особые критические показатели пациента и обращаться к истории болезни. MSHN хранит электронные медицинские записи зарегистрированных пациентов, доступные медицинскому персоналу, специалистам и докторам из их кабинетов в госпитале через Интернет. Терапевту доступны данные через Интернет, с помощью чего он может убедиться, что состояние пациента находиться в пределах нормы. Если принятые данные выходят из заданного предела или фиксируется серьезное изменение состояние здоровья, медицинский персонал будет уведомлен для осуществления дальнейших действий. Однако пациент находится далеко, поэтому врач будет исследовать данные, диагностировать их и предписывать необходимое лечение. Эта информация будет отправлена врачом в ближайшую к пациенту больницу через Интернет. MSHM так же предоставляет возможность обратной связи с врачом.
В качестве логической архитектуры индивидуальной системы мониторинга используется топологическая модель плоского дерева потому, что тело каждого пациента является узлом сети, который собирает данные со своей группы датчиков, и исключает помехи, возникающие в результате интерференции с другими узлами сети. Для достижения требуемой надежности такая сеть может строиться, например, на TinyOS – операционной системе, основанной на событиях, где все системные функции разбиты на отдельные компоненты. Такая структура ОС позволяет разработчикам приложений выбирать из набора системных компонентов только те, что наилучшим образом подходят для достижения целей приложения. Для уменьшения влияния радиоизлучения на человеческое тело реализуется энергосберегающий механизм, динамически подстраивающий мощность передатчика.
Охарактеризовать структуру всей сети можно как mesh, или ячеистую.
| Рис. 1. Структура сети мониторинга здоровья |
2.2. Архитектура протоколов
• Application
• TCP
• IPv6
• 6LoWPAN
• IEEE 802.15.6 MAC
• IEEE 802.15.6 PHY (Narrowband – NB, Ultra wideband – UWB, Human Body Communication – HBC)
Здесь для связи между суперсенсором и сенсорами на теле человека используются IEEE 802.15.6, однако для передачи информации на другие уровни сетевой архитектуры суперсенсору требуется шлюз – персональный сервер, способный передавать сообщения в IPv6/IPv4 сетях. Для преобразования IPv6 сообщений в понятный суперсенсору вид, на шлюзе присутствует адаптационный уровень - 6LoWPAN, ответственный за компрессию/декомпрессию и фрагментацию/сборку пакетов предназначенных для беспроводной сети или IPv6 клиента. На транспортном уровне используется TCP для надежной передачи, однако при необходимости может использоваться и UDP.
2.3 Физический уровень
Долгое время в качестве основного носителя информации рассматривались лишь гармонические колебания. Однако сейчас в практику радиосвязи активно вводятся сверхширокополосные радиосигналы. Они могут быть представлены сверхкороткими импульсами, хаотическими сигналами, OFDM-сигналами, ЛЧМ-сигналами и др. Одна из ключевых проблем применения СШП сигналов внутри помещений для радиосвязи на коротких расстояниях – вторичное использование спектра, т. е. применение сигналов настолько низкой спектральной плотности, что они не оказывают помех традиционным узкополосным системам радиосвязи, попадающим в их полосу; в то время как ширина полосы частот СШП сигналов достаточно велика, чтобы на расстояниях 1–30 м в приемном устройстве выполнялись необходимые требования по величине отношения сигнал/шум. В Российской Федерации для СШП связи выделен диапазон 2,85–10,6 ГГц
Одним из наиболее перспективных типов сигналов для СШП связи являются хаотические (шумоподобные) колебания, порождаемые нелинейными динамическими системами, генераторами хаоса. Ключевое понятие такой технологии связи – хаотический радиоимпульс. Он представляет собой фрагмент сигнала с длиной, превышающей длину квазипериода хаотических колебаний. Полоса частот хаотического радиоимпульса определяется полосой частоты исходного хаотического сигнала, генерируемого источником хаоса, и в широких пределах изменения длины импульса и не зависит от его длительности. Это существенно отличает хаотический радиоимпульс от классического, заполненного фрагментом периодической несущей, полоса частот которого определяется длиной импульса. Хаотические импульсы как носитель информации для беспроводных средств связи предложены в НРЭ им. В. А. Котельникова РАН в 2000 году. В 2007 году по предложению ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН и компании Samsung они включены в качестве опционального решения в стандарт беспроводной персональной связи IEEE 802.15.4a. Тогда хаотические радиоимпульсы были впервые признаны международным научно-техническим сообществом в качестве эффективного носителя информации для беспроводных сверхширокополосных систем связи. В начале 2012 года вышел новый стандарт IEEE 802.15.6 для беспроводных нательных сетей [7]. В нем используется беспроводная прямохаотическая передача информации, теперь уже в качестве одного из основных решений. В основу прямохаотической передачи положены следующие принципы: несущий хаотический сигнал генерируется непосредственно в полосе частот канала, выделенного для передачи информации; – передаваемая информация кодируется потоком хаотических радиоимпульсов, формируемых из несущего хаотического сигнала; – прием, демодуляция информации осуществляются в той полосе частот канала связи, без промежуточных преобразований частоты. Рис. 1. Структура прямохаотической системы связи В простейшем варианте система передачи реализуется следующим образом. Передатчик строится на основе генератора, генерирующего хаотические ограниченные по полосе колебания необходимого диапазона частот; модулятор представлен ключом, который пропускает хаотический сигнал на заданном временном интервале при передаче бинарного символа «1» и закрывается, если на этом временном интервале надо передать символ «0» («нулевой импульс»). Таким образом, информация кодируется ортогональной системой сигналов. Для надежности приема хаотических радио- импульсов в многолучевой среде формируются защитные «пустые» интервалы между позициями импульсов. Прием хаотических радиоимпульсов осуществляется энергетическим приемником на основе детектора огибающей и порогового устройства, преобразующего принятый сигнал в цифровую форму. Помимо описанного способа модуляции (ввода информации в хаотический сигнал) типа ООК, возможны системы сигналов, связанные с относительным положением хаотического радиоимпульса на временных позициях (например, PPM), дисперсией хаотических радиоимпульсов и т. д. Прямохаотические системы, у которых спектр мощности не зависит от длины импульса, а следовательно, и от величины базы сигнала, не имеют энергетических ограничений, свойственных системам с короткими импульсами, и при любой скорости передачи сохраняют в системах связи идеологию «один бит – один импульс». Это является одним из существенных естественных преимуществ по сравнению с другими СШП системами и значительно упрощает аппаратные решения. В настоящее время разработаны и выпускаются опытно-промышленными партиями сверхширокополосные приемопередатчики линейки ППС, представленные устройствами диапазона 3–5 ГГц (ширина полосы частот несущего сигнала 2 ГГц), предназначенными для связи на расстояниях до 10–30 м (в основном это связь внутри помещений). Физическая скорость передачи от 2,5 до 6 (12)Мбит/с, при этом скорость передачи данных может гибко изменяться от нуля до верхнего предела. Данные приемопередатчики характеризуются низким энергопотреблением, наличием универсального интерфейса USB; физический уровень приемопередатчиков соответствует стандартам 802. 15. 4а, 802.15.6; подключение сторонних источников данных осуществляет по UART, SPI и другим стандартным протоколам. Низкое энергопотребление приемопередатчиков ППС обеспечивается использованием соответствующих электронных компонентов, программированием спящих (standby) режимов различной «глубины», тщательным планированием энергопотребления элементами приемопередатчика во время рабочего цикла. Основное назначение СШП прямохаотических приемопередатчиков – работа в сети. В последнее десятилетие сетевые методы организации беспроводной передачи информации получили очень широкое распространение, начиная от сети Wi-Fi до беспроводного интернета в мобильных сетях, сетях Wi-Max и т. д. Основные области применения – беспроводные сенсорные сети сверхмалого потребления, связь персонального уровня, связь внутри зданий и помещений. Приемопередатчики ППС предназначены для передачи цифровых данных различного назначения, включая сенсорные данные, мультимедийные данные (речевые, видео), как в режиме «точка–точка», так и по сети. Приемопередатчики ППС разрабатывались именно для применения в сетевой инфраструктуре. Сетевые возможности приемопередатчиков обеспечиваются программным обеспечением (ПО), загружаемым в микроконтроллер, управляющий работой приемопередатчика. В настоящее время имеется ПО, позволяющее строить сети разной топологии, от простых сетей типа «звезда» до mesh-сетей (ячеистых), включая программное обеспечение для построения самоорганизующихся ad-hoc сетей сбора данных. Приемопередатчики ППС функционально взаимозаменяемы, каждый приемопередатчик способен работать как оконечное устройство, ретранслятор, базовая станция (при соединении с ПК). Благодаря низкому энергопотреблению в ряде приложений мониторинга данных приемопередатчики способны работать до года без замены батарей (при 10 % рабочем цикле).
Стандарт IEEE 802.15.6 определяет три физических уровня – узкополосный (Narrowband – NB), сверхширокополосный (Ultra wideband – UWB) и связь по телу человека (Human Body Communication – HBC). Выбор каждого типа физического уровня зависит от требований к конкретному применению.
1) Узкополосный уровень - отвечает за активацию\деактивацию радио трансивера, оценку пропускной способности канала в пределах текущего канала и прием\передачу данных. Физическая единица данных протокола содержит Физический уровень конвергенции процесса PLCP преамбулу, PLCP-заголовок и PSDU. PLCP преамбула помогает приемнику в временной синхронизации и восстановлении смещения несущей. Это первый передаваемый компонент. Заголовок передает информацию необходимую для успешного декодирования пакета приемником. Заголовок передается после преамбулы, используя данную скорость передачи данных заголовка в действующем диапазоне частот. Последний компонент - PSDU, который состоит из MAC - заголовка, тела фрейма, последовательности проверки фрейма и передается после PLCP-заголовка, используя любую из доступных скоростей в действующем диапазоне частот.
2) Ультраширокополосный - действует в двух частотных диапазонах - низком и высоком. Каждый диапазон разделен на два канала, каждый из которых характеризуется пропускной способностью в 499.2 МГц. Низкий диапазон состоит только из трех каналов. 2 канал имеет центральную частоту 3993.6 МГц и является обязательным. Высокий диапазон состоит из восьми каналов, где седьмой обладает центральной частотой 7987.2 МГц и является обязательным, в то время как остальные - дополнительными. Типичное UWB - устройство должно поддерживать по крайней мере один из обязательных каналов. UWB приемопередатчики допускают низкую сложность внедрения и создают уровни мощности сигнала в порядке их использования в MICS диапазоне.
3) Коммуникации человеческого тела - действуют в двух частотных диапазонах, сосредоточенных на 16 Мгц и 27 МГц с полосой пропускания 4 МГц. оба операционных диапазона доступны для США, Японии и Кореи, операционный диапазон 27 МГц доступен для Европы. HBC - спецификация PHY, которая покрывает весь протокол для WBAN: пакетная структура, модуляция, преамбула и т.д.
Выводы:
Глава 3. Анализ особенностей применения WBAN и её место в Интернете вещей
Интернет вещей стремительно набирает популярность среди современных технологий. По прогнозам экспертов, технология в корне изменит взаимоотношения человека со множеством устройств, которые его окружают, заставляя контролировать каждое. Главный вопрос, которым задаются разработчики – как сделать IoT еще более эффективным. Но каким бы легким и увлекательным ни был обновленный процесс управления устройствами, его ценность меркнет по сравнению со здоровьем человека. Именно поэтому одним из важнейших направлений Интернета вещей стали медицинские сети и их конвергенция с уже имеющимися технологиями.
Проблемы со здоровьем зачастую возникают у людей именно потому, что те ошибочно полагают, что выполняют все необходимые нормы поддержания здорового образа жизни. Например, молодому здоровому человеку 18-25 лет необходимо проходить в день около 10000 шагов. Самому контролировать эту величину даже примерно вряд ли удастся. На этот случай уже разработано несколько вариаций приложений для смартфона, которые помимо двигательной активности помогут отследить количество и калорийность потребляемой пищи, поступление необходимого объема воды и т.д.
НБС имеют большой потенциал для нескольких направлений применения, включая удаленную медицинскую диагностику, интерактивные игры и военные применения. Приложения внутри тела включают мониторинг и программу изменений для кардиостимуляторов и имплантируемых сердечных дефибрилляторов, контроль функций мочевого пузыря и реабилитацию движения конечностей. Медицинские применения на теле человека включают в себя мониторинг ЭКГ, давления крови, температуры и дыхания. К немедицинским применениям относятся: мониторинг забытых вещей, создание социальных сетей, снижение усталости солдат и повышение боеготовности. Рассмотрим некоторые из этих применений подробнее.
Традиционно холтеровские мониторы использовались для сбора нарушений сердечного ритма в режиме “offline” без обратной связи. Однако в таком режиме использования иногда трудно обнаружить переходные аномалии. Например, многие сердечные заболевания ассоциируются с эпизодическими, а не с непрерывными аномалиями, такими как волны перехода в кровяном давлении, мерцательная аритмия или индуцированные эпизоды ишемии миокарда, и время их наступления на может быть точно предсказано. НБС является ключевой технологией предупреждения наступления инфаркта миокарда, мониторинга эпизодических событий и других аномальных условий и может быть использована для амбулаторного наблюдения за здоровьем.
Рак остается одной из самых больших опасностей для жизни человека. Согласно Национальному центру статистики здоровья, в 1999 году 9 миллионов жителей США имели диагноз ракового заболевания. Множество миниатюрных сенсоров, способных обнаружить раковые клетки могут быть равномерно интегрированы в НБС. Это позволит медикам диагностировать новообразования без биопсии.
НБС могут помочь миллионам людей страдающих от астмы путем мониторинга аллергенов в воздухе и предоставления медикам обратной связь в режиме реального времени. Предложен прибор на основе GPS-технологии, который осуществляет мониторинг факторов окружающей среды и включает сигнал тревоги при обнаружении информации об аллергенах для пациента.
Существующие телемедицинские системы либо используют выделенные беспроводные каналы для передачи информации удаленным станциям, либо мощные протоколы по запросу, такие как Bluetooth, которые не защищены от интерференции с другими устройствами, работающими в той же полосе частот. Это накладывает ограничения на продолжительность мониторинга здоровья. НБС может быть интегрирована в телемедицинскую систему, которая осуществляет незаметный амбулаторный мониторинг в течение длительного времени.
Чипы с протезом сетчатки могут быть имплантированы в глаз человека, что помогает пациенту с ослабленным зрением, или незрячему видеть на адекватном уровне.
Измерить уровень глюкозы в крови можно теперь с помощью специального мобильного глюкометра. Фармацевтическая компания Sanofi предлагает диабетикам новый способ контролировать уровень сахара в крови. В мобильный глюкометр iBG-Star, присоединенный к iPhone или iPod touch, вставляется тестовая полоска с каплей крови, и содержание глюкозы определяется по технологии WaveSense. Эти данные появляются на дисплее и хранятся в мобильном приложении iBG-Star. Пациенты могут вести на своем смартфоне мониторинг потребляемых углеводов, вводимого инсулина и уровня глюкозы.
НБС могут быть использованы для связи между солдатами на поле боя и передачи данных об их активности командиру. То есть бежит солдат, стреляет или ползет. Солдаты должны иметь секретный канал связи, чтобы предотвратить засады.
Еще одно недавно представленное на рынке устройство обладает многими функциями «умного» браслета, но помимо этого осуществляет контроль осанки хозяина – как только тот принимает неправильное положение, устройство вибрирует.
Чашка Vessyl, разработанная выпускником Королевского университета, умеет определять, что за напиток в неё налит. Устройство при этом синхронизируется с приложением в смартфоне, где можно узнать о калорийности продукта и других параметрах. Устройство предоставляет и другие интересные данные, например разницу между крепким и слабым кофе или количество содержащегося сахара. Если методично пользоваться только этой чашкой, устройство расскажет вам об уровне гидратации организма, что позволит потреблять нужное количество жидкости для вашего роста и веса.
Компания Hapilabs разработала «умную» вилку под названием HAPIfork. По тому, как часто вы подносите вилку ко рту за обедом, гаджет фиксирует, насколько вы торопитесь и как много времени у вас уходит на порцию. Как известно, быстрое поедание пищи — это привычка дурная, поэтому HAPIfork сигнализирует, если едок слишком спешит. Устройство также синхронизируется со смартфоном через Bluetooth и отправляет результаты на сервер компании, где также можно ознакомиться со своими успехами и получить персональные рекомендации.
Компания Oral-B совместно с Braun создала зубную щетку TriZone 7000, которая подключается к смартфону по Bluetooth 4.0 и в реальном времени отправляет советы о чистке зубов на экран смартфона. «Умная» щётка регистрирует каждую чистку и ведёт детальный лог, в котором отображаются время, длительность и режим работы. График можно будет отправить своему стоматологу и наверняка поделиться с друзьями в Facebook.
В сентябре 2013-го Джон Роджерс из университета штата Иллинойс показал разработанную им серию носимых тонких и гибких устройств, которые получили название «электронные татуировки». Гаджет, похожий на металлический штрих-код, представляет собой гиперчувствительный термометр, который клеится на кожу и может выполнять те же функции, что и инфракрасная камера за четверть миллиона долларов. Устройство контролирует температуру кожи вплоть до 1/2000 градуса по Фаренгейту, что позволяет следить за состоянием сети кровеносных сосудов и предупредить проблемы, связанные с сердечно-сосудистыми заболеваниями. В данный момент учёные заняты тем, чтобы сделать эти устройства по-настоящему беспроводными. Многие эксперты сходятся во мнении, что в обозримом будущем подобные устройства выйдут далеко за пределы примитивных датчиков температуры. В человеческое тело будут вживляться чувствительные датчики, которые смогут полностью оценивают состояние здоровья, фиксировать удары сердца, уровень сахара в крови и даже изменения настроения.
Необходимо отметить, что сфера применения беспроводных нательных сетей не ограничивается медициной. Модный дизайнер Ашер Ливайн не хочет, чтобы созданные им вещи терялись. В предметы одежды его коллекции вшиваются Bluetooth-микрочипы, по которым можно найти их месторасположение. Хозяин вещи, используя iPhone-приложение, может заставить предмет гардероба зазвонить или же отследить его в Google Maps.
Выводы:
Глава 4. Разработка предложений по применению WBAN в медицине
В этой главе будет рассмотрена еще одна важнейшая функция, неочевидная при первом рассмотрении, которую обеспечивают нательные сети – дифференциация больных, а также сбор и обработка Big Data – большого объема информации.
По данным Всемирной Организации Здравоохранения за 2012 год, наибольшее количество смертей произошло по причине ишемической болезни сердца. Врачи сходятся во мнении, что на сегодняшний день невозможно полностью вылечить это заболевание, но при ранней диагностике и должном лечении и контроле возможно продлить жизнь пациенту на несколько десятков лет.
| Рис. Статистика смертности населения от различных заболеваний |
Не стоит забывать и о том, что хроническая сердечная недостаточность - это прогрессирующий синдром. Поэтому пациенты, на данный момент имеющие только лишь скрытую форму хронической сердечной недостаточности, в течение всего нескольких лет могут перейти в группу самых тяжелых больных, плохо поддающихся лечению.
В доказательство приведем данные исследования, проведенного несколько лет назад в Великобритании. Согласно этим данным, выживаемость больных в течение года после появления первых признаков (симптомов) сердечной недостаточности составляла 57% для мужчин и 64% для женщин. По прошествии пяти лет эти цифры сократились до 25% и 38% соответственно. Другими словами, через 5 лет после появления первых симптомов сердечной недостаточности, в живых остался только один мужчина из четырех и каждая третья женщина.
На сегодняшний день единственным доступным средством для ранней диагностики и выявления хронических заболеваний является диспансеризация. Таким образом, каждый человек должен проходить плановое обследование один раз в три года. По данным статистики одной из государственных поликлиник в 2013 году из запланированных 100155 человек осмотр прошли только 32000, то есть всего 32%. Из этого следует, что механизм плановой диспансеризации не удовлетворяет требованиям безопасности и здравоохранения.
Очевидная необходимость в реформации системы контроля и охраны здоровья населения может быть реализована посредством технологии нательных сетей.
Рассмотрим пример модели прогнозирования заболеваний, связанных с сердечной недостаточностью. Стоит отметить, что подобное исследование без применения инновационных технологий состоялось в американском городе Фремингем и заняло почти 65 лет. В ходе эксперимента были выявлены основные причины сердечной недостаточности, известные на сегодняшний день. Ввиду сложности процесса сбора данных ученым потребовался столь долгий срок.
Цель: классифицировать случаи сердечной недостаточности без очного контроля пациентов.
Аудитория:
– 50,625 Пациентов (Клиника Geisinger PCPs)
– Случаи: 4,644 пациентов с СН
– Контрольная группа 45,981 (подходящих по возрасту, полу)
| Рис |
Мы определяем:
-дату диагноза и показательную дату
- период наблюдения и прогнозирования
Признаки формируются исходя из периода наблюдения и прогноза сердечной недостаточности.
В ходе эксперимента выделилось более 20 тысяч признаков разного типа. Посредством выбора конкретного признака и обобщения, получаем в качестве результата следующие признаки.
| признак | Количество случаев | Прогнозирующие признаки |
| диагноз | Диабет, ИБС (ишемическая болезнь сердца), артериальные гипертензии, порок клапана, левая желудочковая гипертрофия, стенокардия, мерцательная аритмия, острый инфаркт миокарда, хроническая обструктивная болезнь легких | |
| Демографические данные | Возраст, раса, пол, статус курильщика | |
| Лабораторные анализы | альбумин, глюкоза, холестерин, креатинин, кардиомегалия, гемоглобин | |
| лекарства | гипотензивное средство, понижение, бета блокатор, мочегонное средство, противоаритмическое | |
| Жизненно важные показатели | кровяное давление и частота сердечных сокращений |
Работа прогнозирования на различных стадиях
| Рис |
С увеличением периода прогнозирования вероятность точности прогноза постепенно уменьшается.
| Рис |
С увеличением периода наблюдения увеличивается вероятность точности прогноза, то есть чем больше данных для большего промежутка времени, тем лучше прогнозирующая модель. Достичь таких результатов без помощи беспроводных нательных сетей практически невозможно.
Для оценки модели использовался метод перекрёстной проверки, когда имеющиеся в наличии данные разбиваются на k частей. Затем на k−1 частях данных производится обучение модели, а оставшаяся часть данных используется для тестирования. Процедура повторяется k раз; в итоге каждая из k частей данных используется для тестирования. В результате получается оценка эффективности выбранной модели с наиболее равномерным использованием имеющихся данных. В данном случае данные были разбиты на 10 частей, обучение проведено на 9 частях, 1 часть была протестирована, процедура повторялась 10 раз.
Наилучший результат сочетаемые функции показали при периоде наблюдения в 720 дней.
Учитывая полученные результаты, можно сформулировать следующее предложение:
- постепенно внедрять технологию WBAN в систему здравоохранения. Например, осуществлять плановую диспансеризацию посредством БНС. Например, группе, подлежащей проверке выдать ИСМ - браслет, фиксирующий жизненно важные показатели. Это позволит упростить процесс диспансеризации для занятых людей, не имеющих возможности тратить время на многократное посещение поликлиники. Далее в случае выявления патологии приглашать конкретного пациента на прием к врачу. Это позволит сократить расходы на ведение пациентов, не нуждающихся в лечении, содержание поликлиник. Более того, более пристальное наблюдение за образом жизни пациента покажет полную картину развивающегося заболевания и поможет дать более точные рекомендации.
- по словам директора Территориального фонда обязательного медицинского страхования на каждого пациента в 2015 году выделяется около 8 тысяч рублей. Стоимость одного «умного» браслета начинается от 2 тысяч рублей. Персональный сервер может быть реализован программно на портативном устройстве пользователя. Очевидно, что остальное оборудование (медицинский сервер) потребуется в гораздо меньшем количестве. Основные расходы будут связаны с организацией сети и обучением персонала. Возможно предположить, что внедрение технологии нательной сети потенциально вписывается в бюджет.
Вывод: цель исследования (классифицировать случаи сердечной недостаточности без очного контроля пациентов) не может быть достигнута путем традиционного контроля за здоровьем пациента. Как было сказано выше, диспансеризацию проходит лишь 32% от запланированного числа пациентов, вероятность своевременного обнаружения патологии 0,32, в то время как дистанционное наблюдение за состоянием пациента не требует от него каких-либо физических и временных затрат (что также подразумевает доступность для недееспособных групп населения), то есть при условии 100%-ого обеспечения группы пациентов ИСМ (браслет, часы, сенсоры и др.) вероятность своевременного обнаружения патологии стремится к 1. Перевод наблюдения за пациентами в дистанционный режим позволит существенно снизить временные и финансовые затраты. Очевидно, что имеется множество предпосылок для внедрения технологии БНС в область здравоохранения в России, но резкий переход к такой системе невозможен. Поэтому требуется более тщательное изучение стоимости и возможностей финансирования государством такого проекта.
Заключение
В ходе данного исследования были изучены и проанализированы особенности построения сети стандарта 802.15.6, рассмотрен вопрос современного состояния и тенденций развития нательных сетей, а также была представлена разработка предложений по применению нательных сетей в медицине.
Очевидно, что беспроводные сети имеют огромный потенциал для развития. Возможно, благодаря огромной базе данных с дифференциацией больных и диагнозов, врачам удастся тщательнее изучить или даже победить неизлечимые на сегодняшний день болезни.
Современная модель здравоохранения базируется на обслуживании населения через сети поликлиник и больниц (клиник, госпиталей). Она хорошо зарекомендовала себя в двадцатом веке, но на сегодняшний день является устаревшей, зачастую не удовлетворяет потребностей пользователей и нуждается в изменениях. Внедрение нового подхода к мониторингу состояния здоровья, безусловно, займет немало времени и средств, однако он позволит перевести качество жизни пациента на совершенно иной уровень.
Интересно, что в ходе проведения небольшого опроса, выяснилось, что о БНС никто из респондентов (наших соотечественников) не слышал, в то время как в соседней Европе "умными" браслетами уже едва ли можно кого-то удивить. Хочется верить, что в ближайшем будущем ситуация в корне изменится.
Многие противники плотного внедрения «умных» гаджетов в систему здравоохранения главным аргументом выдвигают отсутствие подобных технических устройств у предыдущих поколений человечества и способность ведения нормальной жизнедеятельности без участия сложных технологий. Однако это не совсем справедливо, потому что, учитывая плачевное состояние экологической ситуации, катастрофическое снижение двигательной активности, уровень стресса у жителей мегаполисов и многие другие факторы, актуальные для нынешнего времени, становится очевидной необходимость более тщательного контроля за своим здоровьем.
В ходе работы были изучены особенности стандарта IEEE 802.15.6, рассмотрены следующие смежные понятия: беспроводные сенсорные сети, ячеистая топология, принципы самоорганизации сетей, Интернет Вещей;
выполнен обзор современного состояния и тенденций развития беспроводных сенсорных сетей в структуре Интернета Вещей;
в ходе анализа материала, представленного в работе, выявлены особенности построения сетей стандарта 802.15 с точки зрения их применения в медицине; показана эффективность использования сетей стандарта IEEE 802.15.6 в медицине.
Таким образом, можно отметить, что поставленная цель данного исследования – изучить и анализировать особенности построения сети стандарта 802.15.6 и ее применения в медицине – была достигнуты в полном объеме.
Список использованной литературы
1. A.W. ASTRIN, H.-B. LI, and R. KOHNO. Standardization for body area networks. //IEICE Transactions on Communications. V. E92.B. №. 2. З. 366-372. 2009.
2. А.С. Дмитриев, Е.В. Ефремова, А.В. Клецов и др. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. // РЭ. 2008. Т. 53. № 10. С. 1278-1289
3. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks - Part 15.6: Wireless Body Areа Networks. 29 February 2012.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Дата добавления: 2015-12-19; просмотров: 53; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!