醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造與核心技術(shù)的論文

醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造與核心技術(shù)的論文醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造與核心技術(shù)的論文0引言物聯(lián)網(wǎng)的思想最早是由美國(guó)麻省理工學(xué)院Au-to-IDCenter的著名教授Ashton1999年提出的。隨著技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵不斷擴(kuò)展。真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物的感悟識(shí)別控制、網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián)和智能處理的有機(jī)統(tǒng)一[1].當(dāng)前，大型綜合醫(yī)院集中了大部分優(yōu)勢(shì)醫(yī)療資源，導(dǎo)致大型醫(yī)院就診人數(shù)日益劇增。但由于缺少必要的輔助工具，在設(shè)備管理、藥品管理等經(jīng)過(guò)中會(huì)出現(xiàn)一些人為過(guò)失[2].醫(yī)療設(shè)備科學(xué)、有效、安全的管理反映了當(dāng)下醫(yī)院的管理水平，是醫(yī)院信息化的重要組成部分。隨著醫(yī)療設(shè)備數(shù)量日益增加以及醫(yī)院管理智能化要求越來(lái)越高，醫(yī)院對(duì)醫(yī)療設(shè)備的管理流程越來(lái)越復(fù)雜[3].運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)⒏形蚣夹g(shù)、通信技術(shù)及軟件信息技術(shù)融合在一起；通過(guò)設(shè)備診斷技術(shù)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，在設(shè)備上建立狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)后通過(guò)傳感設(shè)備、微計(jì)算芯片和通信模塊，根據(jù)約定的協(xié)議，把目的設(shè)備統(tǒng)一連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、數(shù)據(jù)反應(yīng)等集群目的的主動(dòng)管理；利用信息管理平臺(tái)對(duì)設(shè)備運(yùn)作進(jìn)行分析判定和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備信息化管理。本文對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備管理體系構(gòu)造和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以供參考。1技術(shù)背景1.1體系構(gòu)造體系構(gòu)造本意是“統(tǒng)一的或一致的形式或構(gòu)造〞.體系構(gòu)造能夠準(zhǔn)確地定義系統(tǒng)的組成部件及其關(guān)系，引導(dǎo)開(kāi)發(fā)者遵循系統(tǒng)的一致性原則，以確保系統(tǒng)符合預(yù)期的要求。因而，物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的首要基礎(chǔ)[4].建立物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造的最主要經(jīng)過(guò)是從各種應(yīng)用需求中統(tǒng)一抽取出組成系統(tǒng)的部件以及部件之間的組織關(guān)系。圖1是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造的分類總結(jié)。1.2關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)主要是對(duì)感悟?qū)?、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用、實(shí)現(xiàn)、研究和開(kāi)發(fā)。其中感悟?qū)拥年P(guān)鍵技術(shù)見(jiàn)表1.其他關(guān)鍵技術(shù)有傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1平臺(tái)技術(shù)等[5].在物聯(lián)網(wǎng)中，不僅要實(shí)現(xiàn)物物相連，而且要做到識(shí)別、定位、追蹤和管理。而射頻識(shí)別〔radiofrequencyidentification,RFID〕技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)感悟?qū)雨P(guān)鍵技術(shù)中處于突出的地位[6-7],是物聯(lián)網(wǎng)中規(guī)?；R(shí)別技術(shù)的首要選擇。1.3存在問(wèn)題物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為醫(yī)療設(shè)備的管理帶來(lái)了新的思路。它利用感悟技術(shù)與智能裝置對(duì)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行感悟識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，到達(dá)對(duì)醫(yī)療設(shè)備實(shí)時(shí)控制、準(zhǔn)確管理和設(shè)備分享的目的[8].物聯(lián)網(wǎng)的研究、施行、發(fā)展和應(yīng)用還存在很多問(wèn)題，主要有：〔1〕規(guī)?；瘑?wèn)題。為獲得完好可靠的數(shù)據(jù)，智能節(jié)點(diǎn)和RFID設(shè)備必須大量且合理地布置。在感悟?qū)?，?dāng)一部分元件出現(xiàn)故障時(shí)，有其他元件能夠替代，這就需要規(guī)模化來(lái)保證[9].〔2〕標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。包括RFID技術(shù)、通信協(xié)議及應(yīng)用層的標(biāo)準(zhǔn)化?！?〕數(shù)據(jù)問(wèn)題。首先，要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)能夠持續(xù)、穩(wěn)定、安全地獲取數(shù)據(jù)；其次，數(shù)據(jù)的時(shí)效性要有保證，網(wǎng)絡(luò)傳輸信息延遲問(wèn)題要得到解決；最后，數(shù)據(jù)庫(kù)管理以及安全隱私問(wèn)題[10].其中，數(shù)據(jù)的獲取與采集非常重要。2醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在某一領(lǐng)域中的應(yīng)用，更多的是利用感悟?qū)?、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層3層框架。針對(duì)現(xiàn)有研究基礎(chǔ)和醫(yī)院實(shí)際環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)醫(yī)療設(shè)備也采用了3層體系架構(gòu)，但根據(jù)實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)對(duì)醫(yī)院進(jìn)行改良和細(xì)化。醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)與其他物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用相比，具有設(shè)備諸多，應(yīng)用復(fù)雜，系統(tǒng)中存在大量異構(gòu)數(shù)據(jù)、異構(gòu)接口和異構(gòu)協(xié)議轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)。在其體系架構(gòu)中，將數(shù)據(jù)采集的終端設(shè)備和保證數(shù)據(jù)安全接入的AP和網(wǎng)關(guān)歸屬于感悟?qū)樱恢虚g件、網(wǎng)絡(luò)管理軟件和信息采集、會(huì)聚、分析和發(fā)布軟件歸屬于傳輸層；醫(yī)院信息系統(tǒng)〔hospitialinformationsystem,HIS〕、實(shí)驗(yàn)室信息系統(tǒng)〔laboratoryinformationsystem,LIS〕等醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)歸屬于應(yīng)用層。醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造如圖2所示。2.1感悟?qū)俞t(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)感悟?qū)油ㄟ^(guò)傳感器設(shè)備來(lái)采集RFID標(biāo)簽或醫(yī)療設(shè)備等對(duì)象的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)藍(lán)牙、Wi-Fi等短距離傳輸技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物品感悟信息和控制信息的統(tǒng)一識(shí)別。感悟?qū)又饕≧FID標(biāo)簽、傳感器等關(guān)鍵技術(shù)以及醫(yī)療數(shù)據(jù)安全接入AP和智能網(wǎng)關(guān)等。其中，RFID是醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。它由電子標(biāo)簽和讀寫(xiě)器組成，在電子標(biāo)簽內(nèi)存儲(chǔ)特定格式標(biāo)志物體信息的電子數(shù)據(jù)，并采用非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，通過(guò)電子標(biāo)簽對(duì)其附著的物體進(jìn)行定位追蹤，具有讀取距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)存取速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[11-13].2.2傳輸層傳輸層包括中間件，網(wǎng)絡(luò)管理軟件，信息采集、會(huì)聚、分析和發(fā)布系統(tǒng)等，并與位于醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的HIS、LIS建立接口。傳輸層主要用于將感悟?qū)幼R(shí)別的各種感悟和控制信息根據(jù)通用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)人與物、物與物之間的互聯(lián)互通。2.3應(yīng)用層醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層主要完成對(duì)感悟?qū)硬杉臄?shù)據(jù)的計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，并將這些數(shù)據(jù)與醫(yī)療活動(dòng)中各種應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，如電子病歷、HIS、LIS、影像歸檔和通信系統(tǒng)〔picturearchivingandcom-muicationsystem,PACS〕等各種醫(yī)療信息系統(tǒng)和醫(yī)療設(shè)備管理平臺(tái)等應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)而為管理決策提供支持。3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)3.1智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)智能網(wǎng)關(guān)是醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本組件之一，它是物聯(lián)網(wǎng)感悟?qū)优c物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層之間的.橋梁。它一方面能夠?qū)⒏形驅(qū)荧@得的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、處理、存儲(chǔ)；另一方面能夠通過(guò)各種不同的手段將這些數(shù)據(jù)傳遞給服務(wù)器，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支持。網(wǎng)關(guān)支持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部數(shù)據(jù)協(xié)同和會(huì)聚，支持以傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議〔transmissioncontrolprotocol/internetprotocol,TCP/IP〕接入、3G接入或者其他接入方式，進(jìn)而橋接傳感器網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)[14-16].〔1〕硬件設(shè)計(jì)：智能網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。該設(shè)備器件采用低功耗設(shè)計(jì)，具備USB、Uart、SPI、I2C等傳感器硬件接口，并具備Wi-Fi、ZigBee、Inter-net等通信接口接入能力。圖4為智能網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖。感悟節(jié)點(diǎn)采用MSP430和CC2420作為處理器和無(wú)線通信模塊，嵌入了基于ZigBee芯片的無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸，通用無(wú)線分組〔generalpacketradioservice,GPRS〕通信模塊作為傳感網(wǎng)絡(luò)與物理室之間的橋梁。一方面實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)、3G、Wi-Fi、RS485、CAN總線等通信接口用于網(wǎng)絡(luò)層互聯(lián)；另一方面利用ZigBee、射頻等無(wú)線傳輸手段實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)感悟傳感器的交互連接。并添加WebServer、液晶顯示屏〔liquidcrystaldisplay,LCD〕、鍵盤(pán)、I/O接口、SD卡等功能，能夠根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行功能定制?！?〕軟件設(shè)計(jì)：智能網(wǎng)關(guān)位于傳輸層，負(fù)責(zé)與管理平臺(tái)與感悟節(jié)點(diǎn)交互。醫(yī)療設(shè)備智能網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)的配置管理，同時(shí)針對(duì)醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量龐大、各終端工作狀態(tài)需實(shí)時(shí)監(jiān)控等特點(diǎn)，對(duì)每一個(gè)終端設(shè)備分配一個(gè)可管理的地址，如IP地址等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信安全設(shè)置、不同時(shí)間段各通信信道負(fù)載與平衡控制、運(yùn)行時(shí)物聯(lián)網(wǎng)信息可靠性驗(yàn)證、故障檢測(cè)及診斷日志等功能。智能網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)如圖5所示。3.2中間件設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)的中間件是處在物聯(lián)網(wǎng)感悟?qū)雍蛡鬏攲又g的一種中間件系統(tǒng)，它起到一個(gè)中介的作用，屏蔽前端硬件的復(fù)雜性，并把采集到的數(shù)據(jù)送到后端的應(yīng)用系統(tǒng)[17].在后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)和讀寫(xiě)器之間，通過(guò)設(shè)置一個(gè)通用接口和平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)應(yīng)用環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化和各應(yīng)用系統(tǒng)之間的通信，該通用接口和平臺(tái)即醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中間件。中間件捕獲實(shí)時(shí)信息和事件，并將其傳輸至后臺(tái)應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)或RFID讀寫(xiě)器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)RFID讀寫(xiě)器與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)之間的信息交互[16].醫(yī)療設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)中間件是RFID讀寫(xiě)器與信息系統(tǒng)之間的紐帶，采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和接口技術(shù)。開(kāi)發(fā)醫(yī)療設(shè)備管理中間件要遵守醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的要求與標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)RFID讀寫(xiě)器與各應(yīng)用系統(tǒng)之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸[18].RFID讀寫(xiě)器讀取各種數(shù)據(jù)信息，通過(guò)中間件提取、解密、過(guò)濾、格式轉(zhuǎn)換、導(dǎo)入信息平臺(tái)的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)反映設(shè)備的狀態(tài)，并通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)響應(yīng)于程序界面，供用戶閱讀、選擇、修改、查詢[19].中間件系統(tǒng)的軟件構(gòu)造主要由系統(tǒng)管理服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集組成，如圖6所示。3.3基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備管理平臺(tái)設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設(shè)備管理服務(wù)平臺(tái)對(duì)感悟信息進(jìn)行采集、會(huì)聚、分析和處理，主要包括用戶管理、設(shè)備參數(shù)維護(hù)、信息與圖形操作、綜合分析、日常管理、數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)分析等；主要針對(duì)醫(yī)療設(shè)備感悟信息進(jìn)行自動(dòng)化采集、全面化會(huì)聚、全局化分析，為醫(yī)療設(shè)備管理者和工程技術(shù)人員提供設(shè)備運(yùn)行的技術(shù)狀態(tài)、使用情況、運(yùn)行維護(hù)等實(shí)時(shí)信息，解決操作管理層、決策層等不同層次應(yīng)用人員的實(shí)際要求。系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)功能和關(guān)系能夠分為4層：數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、應(yīng)用層。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)層是數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)邏輯層之間的