無線センサネットワーク（Wireless Sensor Network）はセンサ技術、組み込みコンピューティング技術、現代ネットワーク及び無線通信技術、分散情報処理技術などの多種分野の技術を統合した新興技術であり、この技術は広範な応用シーンを持っている。

技術の発展に伴い、WSN（Wireless Sensor Network）は医療実践の多くの面で深い影響を与えるだろう。本文は主に無線センサネットワーク医療モニタリングシステムのアーキテクチャ及びモニタリングノード設計の一般原則を述べた。

無線センサネットワークのアーキテクチャ

モニタリングエリア内に大量のセンサノードを配置し、ノード間で自己組織化方式を用いてネットワークを構築し、無線通信技術を利用してデータ転送を行い、各ノードはデータ収集とデータ融合転送の二重機能を有する。ノードは、自身が収集した情報と他のノードが転送した情報に対して予備的なデータ処理と情報融合を行った後、隣接ノードがリレーで基地局に転送し、その後、基地局を通じてインターネット、衛星などの方法でエンドユーザに転送する。

ノードは無線センサネットワークの基本機能ユニットであり、具体的な応用が異なり、ノードの設計も異なる。センサノードの基本的な構成モジュールは、センサユニット、処理ユニット、通信ユニット、および電源部分である。また、特定の用途要件に応じて、位置決めシステム、モバイルシステム、電源自己給電システムなどの機能ユニットを追加することができます。

医療における無線センサネットワークの応用状況

無線センサネットワークは、低費用、簡便、迅速、リアルタイムで非侵襲的に患者の各種生理パラメータを収集するなどの自身の利点を利用して、医療研究、病院一般／ICU病棟または家庭日常看護などの分野で大きな発展潜在力を持たせ、現在の研究分野のホットスポットである。

患者の体に人体パラメータを測定するためのマイクロセンサノードを置き、患者の心拍数、血圧、心電、心音などの生理パラメータを遠隔リアルタイムで監視測定し、そして情報をまとめて監護センターに送り、タイムリーな処理とフィードバックを行うことができる、WSNを利用して被観察者の人体生理データを長期的に収集することは、人体の健康状態を理解し、人体疾患を研究するのに役立つ。また、薬物管理や新規医薬品の開発、血液管理など多くの面で、その*の応用もある。要するに、無線センサネットワークは、将来の遠隔医療モニタリングシステムのために、より簡便で低コストな実現手段を提供する。

無線センサネットワークに基づく医療アーキテクチャ

無線センサネットワークに基づく医療モニタリングシステムは、主に医療センサノード、医療モニタリング基地局（医療SINKノード）、およびコミュニティ/病院モニタリングセンターのいくつかの部分から構成されている。

医療センサノードは、監視基地局と個人/家庭または病棟無線センサネットワークを構成し、複数のこのようなネットワークは、コミュニティまたは病院全体の監視ネットワーク、さらには広範囲の遠隔医療監視システムを構成することができる。まず、医療センサノードは人体生理パラメータを収集し、収集したパラメータを簡単に処理した後、無線通信の方式を通じて直接または間接的にホップ方式でデータを基地局に転送する。モニタリング基地局はデータをさらに処理した後、モニタリングセンターに転送し、モニタリングセンターは分析処理を行い、患者に対してタイムリーに情報フィードバックを行う。また、モニタリングセンターは、遠隔データ伝送を行うための複数の方法（インターネット、移動通信ネットワークなど）を使用して、他のモニタリングセンターと情報を共有することもできます。

医療センサノードの設計

医療センサノードの基本的な構造は、処理モジュール、センサモジュール、および無線送受信モジュール、および電源給電モジュールを含む。

センサモジュールは、外部センサ信号の感知、収集、変換を行うために使用される。ノード全体が本当に外部信号量に接触するモジュールです。しかし、医療用センサーは生命体を測定対象としている。特に人体は、世界中の複雑なシステムと言え、各生理変数間には高度な相関性が存在し、接近しにくい。だから医療用センサーは多くの現象から予測生理量を取り出し、信頼性があり有意義な測定データを得ると同時に、被測定対象の安全を確保しなければならない。

人体パラメータの多くは微弱な信号であるため、一般的には数mVレベル、さらにはそれ以下であり、複数のノイズ（測定環境ノイズ、機器と人体の摩擦ノイズ、機器自体のノイズなど）、周波数干渉（測定環境の周囲に50 Hzの電磁場が存在することに起因する）、および各種のノイズなどの不利な要素が存在する。そのため、具体的な医療センサノードの設計には、アナログ回路処理モジュールが組み込まれており、このモジュールは一般的に、増幅回路、フィルタ回路、ノッチ回路、およびAD変換回路などを含む。ノード設計において増幅回路は一般的に多段増幅（3段または4段）を採用し、最終段増幅回路は増幅機能のほかに一般的にレベル上昇機能を持つ、フィルタ回路：回路の簡潔、合理的なカットオフ周波数、柔軟で便利な高低通過カットオフ周波数の調節などの要求を満たし、合理的なフィルタリング信号中の高周波と低周波干渉、ノッチ回路：現在、対称性二重Tインピーダンス活性ノッチ又は集積スイッチング容量素子及び非対称インピーダンスネットワークノッチ等を広く採用している。要するに、アナログ回路処理モジュールは主に収集した信号に対して増幅、フィルタ、ノッチなどの処理を行い、信号中のノイズ、干渉を除去し、有用な信号を抽出する。

プロセッサモジュールはセンサノードの核心であり、ノード全体の設備制御、任務分配とスケジューリング、データ統合と伝送などを担当する。現在、プロセッサモジュールに多く使用されているのは、Atmel社のAVRシリーズモノリシック、TI社のMSP 430超低消費電力プロセッサ、Motorola社とRenesas社のプロセッサ、32ビット組み込みプロセッサであるARMモノリシックである。ノード設計においては、センサモジュールの収集制御、A／D変換の実現、および無線通信モジュールの送受信制御を実現するためのプロセッサモジュールのプログラムが必要である。

ワイヤレス送受信モジュールは、ノード間のデータ通信に使用されます。無線分野での応用が多い無線送受信モジュールはChipcon社のCCl 000、CC 2420、CC 2430である。一般的な無線通信技術は、IEEE 802.1 lb、IEEE 802.15.4（ZigBee）、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA（赤外線）などである。モニタリングシステムの多くは、IEEE 802.15.4（ZigBee）、Bluetoothを使用してノードとノードと基地局との間のデータ通信を実現しています。

電源モジュールはノードにエネルギーを提供し、無線センサノード全体の基礎モジュールである。しかし、ノードの体積によって制限され、センサノードのエネルギーは非常に限られている。そのため、ノード全体の設計において、低消費電力、高精度を主な要求として、エネルギーを節約するために一連の有効な措置をとる。また、医療センサノードは頻繁に電池を交換することができず、人の正常な生活に影響を与える。したがって、設計された医療ノードは長いライフサイクルを持つ必要があります。

医療用無線センサネットワーク監視システムの課題

無線センサネットワークは医療モニタリングシステムの構築において*優位性があるが、実際の医療への応用には以下の課題がある：

動的なネットワーク構築と大規模ネットワークにおけるノード移動性管理：監視システムがコミュニティ、都市、さらには全国に拡張されると、そのネットワーク規模は大きく、監視ノードと基地局はいずれも一定の移動性を持つ。したがって、適切なネットワークトポロジ管理構造およびノードモビリティ管理方法を設計する必要があります。

データ完全性とデータ圧縮：ノードは24時間に及ぶ人体パラメータの監視を必要とする場合があり、ノードが収集したデータ量は大きいが、ノードの記憶容量は小さく、常に圧縮アルゴリズムを用いてデータの記憶と伝送量を減少させる。しかし、従来のデータの圧縮アルゴリズムはオーバーヘッドが大きすぎてセンサノードには適していない。また、圧縮アルゴリズムは元のデータを損なうことはできません。そうしないと、患者の誤診断になります。

データセキュリティ：無線センサネットワークノードは自己組織化方式でネットワークを構築し、攻撃を受けやすく、また、患者の情報は秘密にする必要がある。しかし、センサノードの計算能力はかなり限られており、従来のセキュリティ技術と暗号化技術は適用されていない。したがって、センサノードに適した加復号アルゴリズムを設計する必要があります。