智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座

序言系統(tǒng)介紹系統(tǒng)組成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)智能醫(yī)療系統(tǒng)展望智能醫(yī)療系統(tǒng)智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第1頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是由布署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，經(jīng)過無線通信方式形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目標(biāo)是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是一項(xiàng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、當(dāng)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等各種領(lǐng)域技術(shù)新興技術(shù)，該技術(shù)含有廣泛應(yīng)用場景。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第2頁無線傳感網(wǎng)與醫(yī)療

伴隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)逐步進(jìn)入醫(yī)療領(lǐng)域，它作為傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及無線通信技術(shù)相結(jié)合新興產(chǎn)物，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)病人各種生理參數(shù)遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)檢測，幫助醫(yī)院醫(yī)護(hù)人員及時(shí)高效地對(duì)病人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與診療。我們主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)以及監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第3頁智能醫(yī)療概念智能醫(yī)療結(jié)合無線網(wǎng)技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)（RadioFrequencyIdentification）即RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)等許多方面工作無線化、智能化，全方面改變和處理當(dāng)代化數(shù)字醫(yī)療模式、智能醫(yī)療及健康管理、醫(yī)院信息系統(tǒng)等問題和困難.智能醫(yī)療經(jīng)過打造健康檔案區(qū)域醫(yī)療信息平臺(tái)，利用最先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間互動(dòng)，逐步到達(dá)信息化。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第4頁智能醫(yī)療發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況當(dāng)前無線醫(yī)療主要采取是無線局域網(wǎng)技術(shù)，即經(jīng)過無線局域網(wǎng)+RFID模式實(shí)現(xiàn)各種醫(yī)療應(yīng)用，終端方面則是采取了具備醫(yī)療定制服務(wù)功效PDA等。同時(shí)當(dāng)前智能醫(yī)療并沒有實(shí)現(xiàn)真正智能化，只是經(jīng)過設(shè)備提升了就診便利性，智能醫(yī)療還待深入研究和提升。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第5頁

依據(jù)實(shí)際需要，我們把智能醫(yī)療系統(tǒng)醫(yī)療分成三部分，分別為智能醫(yī)院系統(tǒng)、區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)以及家庭健康系統(tǒng)。智能醫(yī)療系統(tǒng)智能醫(yī)院系統(tǒng)區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)家庭健康系統(tǒng)（智能醫(yī)療系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)組成）返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第6頁智能醫(yī)院系統(tǒng)

智能醫(yī)院系統(tǒng)是一個(gè)基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)、經(jīng)過各樣傳感器和路由器實(shí)現(xiàn)智能化管理系統(tǒng)。包含以下部分：智能病房智能手術(shù)室智能導(dǎo)航對(duì)有特殊需要患者建立遠(yuǎn)程監(jiān)測關(guān)系，及時(shí)了解患者病情，并隨時(shí)提供醫(yī)療幫助指示返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第7頁智能醫(yī)院系統(tǒng)返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第8頁

在病房布署完全覆蓋傳感器網(wǎng)絡(luò)，用來監(jiān)測呼吸、血壓、心率等主要生理指標(biāo)，在實(shí)時(shí)監(jiān)測同時(shí)還確保了患者適當(dāng)活動(dòng)空間，了醫(yī)院人力資源成本；醫(yī)院依據(jù)患者病情需要配置對(duì)應(yīng)智能診療設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測重癥患者心率、血壓、脈搏等情況；病房內(nèi)使用智能藥瓶，智能提醒輸液患者輸液進(jìn)程和提醒患者用藥同時(shí)提供用藥常識(shí)。智能病房返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第9頁智能病房返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第10頁智能病房返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第11頁智能診療設(shè)備智能診療設(shè)備其實(shí)還在為了實(shí)時(shí)監(jiān)測患者健康情況，只是可穿戴設(shè)備更方便、更有效地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測實(shí)時(shí)性。

在智能診療設(shè)備設(shè)計(jì)上，是將傳感器設(shè)計(jì)在可穿戴設(shè)備中，經(jīng)過傳感器發(fā)送患者體征至醫(yī)院。詳細(xì)信息傳遞見智能導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)部分。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第12頁智能診療設(shè)備返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第13頁智能手術(shù)室

智能手術(shù)室結(jié)合了機(jī)器人系統(tǒng)、人類工程學(xué)設(shè)計(jì)以及先進(jìn)通訊技術(shù)。

機(jī)器人系統(tǒng)可依據(jù)醫(yī)生聲音進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作并只執(zhí)行其指令，機(jī)器人內(nèi)窺定位系統(tǒng)能夠提供非常清楚和全方面手術(shù)視野,使醫(yī)生能夠準(zhǔn)確進(jìn)行手術(shù)。手術(shù)室還配置有4臺(tái)電視監(jiān)控器,能夠隨時(shí)與外界保持直接交流。外科醫(yī)生能夠在熒光屏上看到病理切片結(jié)果,病理學(xué)家也能夠在手術(shù)室外逼真觀察到病人器官組織情況。這種手術(shù)室系統(tǒng)最終將可使遠(yuǎn)距離或超國界操作手術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。

返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第14頁智能手術(shù)室返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第15頁智能導(dǎo)航智能導(dǎo)航建立在動(dòng)態(tài)監(jiān)測基礎(chǔ)上，包含終端、基站、觸發(fā)器、服務(wù)器和多媒體設(shè)備。

終端實(shí)時(shí)上傳并接收定位對(duì)象數(shù)據(jù)，基站接收終端上傳定位對(duì)象數(shù)據(jù)并傳送，觸發(fā)器將采集到對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，服務(wù)器接收、存放和處理定位對(duì)象數(shù)據(jù)及觸發(fā)器采集對(duì)象數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)定位，多媒體設(shè)備則用來將導(dǎo)航信息反饋到定位對(duì)象。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第16頁智能導(dǎo)航返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第17頁區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)是一個(gè)搜集、處理、傳輸人員活動(dòng)密集區(qū)域主要信息衛(wèi)生平臺(tái)，主要由布置在公共區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)和每個(gè)區(qū)域分站點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息采集，分站點(diǎn)負(fù)責(zé)信息初步處理、發(fā)送、預(yù)警等功效。主要應(yīng)對(duì)一些人員密集公共場所突發(fā)情況發(fā)生。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第18頁區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第19頁家庭健康系統(tǒng)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng)；智能提醒指導(dǎo)系統(tǒng)；智能呼救定位系統(tǒng)。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第20頁智能遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)主要是經(jīng)過在患者家中布署傳感器網(wǎng)絡(luò)來覆蓋患者活動(dòng)區(qū)域。患者依據(jù)病情情況和身體健康情況等佩戴能夠提供必要生理指標(biāo)（如心率、呼吸、血壓等）監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過這些節(jié)點(diǎn)能夠?qū)颊咧饕碇笜?biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。隨即在當(dāng)?shù)睾唵蔚靥幚韨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)所獲取數(shù)據(jù)，其后把整理出數(shù)據(jù)經(jīng)過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)傳送到為患者提供遠(yuǎn)程健康監(jiān)測服務(wù)醫(yī)院。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第21頁智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng)返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第22頁智能提醒指導(dǎo)系統(tǒng)

與醫(yī)院方面建立了智能遠(yuǎn)程監(jiān)測關(guān)系患者，醫(yī)院方面將依據(jù)收到被監(jiān)測患者生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，來診療患者健康情況，并依據(jù)診療結(jié)果指導(dǎo)是否需要送至醫(yī)院救治，假如只是常見疾病，就提供用藥常識(shí)和用藥提議。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第23頁智能提醒指導(dǎo)系統(tǒng)返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第24頁智能呼救定位系統(tǒng)智能呼救定位系統(tǒng)是建立在遠(yuǎn)程監(jiān)測基礎(chǔ)上，經(jīng)過患者隨身攜帶無線傳感設(shè)備，使用GPS定位技術(shù)。醫(yī)院方面使用GPS信號(hào)機(jī)接收監(jiān)測目標(biāo)衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而取得用戶位置，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位目標(biāo)。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第25頁GPS定位實(shí)例返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第26頁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最主要一部分，沒有系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，更談不上別了。對(duì)于我們智能醫(yī)療系統(tǒng)來講，因?yàn)槭怯扇齻€(gè)子系統(tǒng)組成，所以也由三部分拓?fù)湓O(shè)計(jì)組成：區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)；家庭健康系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第27頁區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)

對(duì)于區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)來說，因?yàn)楣芾砭嚯x相對(duì)較遠(yuǎn)，而且考慮到可拓展方面，我們選定用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)含有成本低、擴(kuò)充方便靈活、尋找鏈路路徑方便、易于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合大型區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)布置。以下圖：返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第28頁區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第29頁家庭健康系統(tǒng)

對(duì)于家庭健康系統(tǒng)來說，依據(jù)范圍不一樣分為內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于外部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來講，因?yàn)榧彝?shù)量比較多，并考慮到基本上每家每戶都有路由器，所以決定采取蜂窩型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；對(duì)于內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來講，采取星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。以下列圖：返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第30頁家庭健康系統(tǒng)返回外部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第31頁家庭健康系統(tǒng)返回內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第32頁物理層物理層是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要組成部分。物理層采取DSSS(直接序列擴(kuò)頻)技術(shù),可提供27個(gè)信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。使用ZigBee通信協(xié)議，ZigBee含有低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量、高安全等特點(diǎn)，而且有基于2.4GHz頻段“短距離”和868/915MHz頻段“長距離”兩個(gè)頻段，適合整個(gè)系統(tǒng)使用。

智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第33頁數(shù)據(jù)鏈路層因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸是在廣播無線信道上，所以WSN介質(zhì)訪問（MAC）協(xié)議設(shè)計(jì)至關(guān)主要。本系統(tǒng)選取是基于競爭MAC協(xié)議中CC-MAC協(xié)議。該協(xié)議適合用于高密度網(wǎng)絡(luò)，這也是本系統(tǒng)所需要。智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第34頁網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層是WSN協(xié)議棧中研究最多部分。在這部分，主要是處理路由選擇問題。使用鏈路狀態(tài)路由協(xié)議中最短路徑優(yōu)先（OSPF）協(xié)議作為路由協(xié)議。智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第35頁傳輸層因?yàn)椴荒苁褂肨CP和UDP協(xié)議，所以本系統(tǒng)采取了IFRC協(xié)議和BCR協(xié)議。IFRC能著重確保信道帶寬能更公平地被相鄰多個(gè)節(jié)點(diǎn)所分享，用在傳感器通信上；BGR能在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來擴(kuò)大轉(zhuǎn)發(fā)路徑可選范圍，用在路由器之間通信上。智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第36頁應(yīng)用層在應(yīng)用層，主要是數(shù)據(jù)壓縮和傳輸技術(shù)。本系統(tǒng)利用了S-LZW（以節(jié)點(diǎn)為中心壓縮機(jī)制）協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，包含了S-LZW-MC-BWT（用于圖像、聲音、文本預(yù)處理壓縮）協(xié)議和S-LZW-MC-ST（基于監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）協(xié)議。使用COUGAR協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。經(jīng)過MANNA方案進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)管理。智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第37頁跨層處理方案因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源十分有限，而且采取分層體系結(jié)構(gòu)，各層設(shè)計(jì)相互獨(dú)立且含有一定不足，因而各層優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)最優(yōu)?？鐚釉O(shè)計(jì)目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)邏輯上并不相鄰協(xié)議層次間設(shè)計(jì)互動(dòng)與性能平衡，支持網(wǎng)絡(luò)能量管理優(yōu)化，提升網(wǎng)絡(luò)實(shí)用性和可行性。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采取自適應(yīng)跨層優(yōu)化協(xié)議，能夠在能量受限情況下，有效節(jié)約能量，延長網(wǎng)絡(luò)生存期，滿足應(yīng)用高吞吐量、低延遲等要求。智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第38頁定位相比較很多系統(tǒng)而言，定位技術(shù)是不可防止一項(xiàng)。因?yàn)椴豢赡芙o每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都安裝一個(gè)GPS，所以無法使用GPS定位系統(tǒng)，所以定位技術(shù)主要性可想而知。本系統(tǒng)使用是APIT（近似三角形內(nèi)點(diǎn)）協(xié)議進(jìn)行定位。該方法復(fù)雜度較低，與其它定位方法相比，系統(tǒng)開銷小，很適合大規(guī)模無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)使用。智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第39頁智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)優(yōu)先通信服務(wù)挑戰(zhàn)：傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于自組織形式，且節(jié)點(diǎn)能源和計(jì)算能力是有限。在實(shí)際利用中，為了為有效地降低耗能，節(jié)點(diǎn)必須要保障連接健壯性且盡可能降低傳輸耗能，并最大程度地防止網(wǎng)絡(luò)干擾。另外，網(wǎng)絡(luò)必須能夠優(yōu)先關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸。不過當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)在提供了良好服務(wù)質(zhì)量同時(shí)卻并沒有明確提供優(yōu)先通信服務(wù)，而優(yōu)先通信這一點(diǎn)卻恰恰是此技術(shù)應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域中關(guān)鍵。動(dòng)態(tài)組網(wǎng)與大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理：當(dāng)監(jiān)返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第40頁智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)伴隨系統(tǒng)擴(kuò)展范圍越來越大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變得非常巨大，而且許多監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)與基站都含有運(yùn)動(dòng)性。拓?fù)涔芾矸矫婷媾R著很大挑戰(zhàn)性。數(shù)據(jù)安全性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采取自組織方式組網(wǎng)，輕易受到攻擊，另外，病人信息需要保密。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力相當(dāng)有限，傳統(tǒng)安全和加密技術(shù)都不適用。所以，安全問題也是一大重點(diǎn)。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第41頁智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)完整性與數(shù)據(jù)壓縮：許多節(jié)點(diǎn)需要24小時(shí)無間斷監(jiān)測人體參數(shù)，節(jié)點(diǎn)所采集到數(shù)據(jù)量大，而節(jié)點(diǎn)存放容量小，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)壓縮算法開銷太大不適合傳感器節(jié)點(diǎn)。另外，壓縮算法不能損壞原始數(shù)據(jù)，不然會(huì)造成對(duì)病人錯(cuò)誤診療。這是在數(shù)據(jù)壓縮方面挑戰(zhàn)。返回智能醫(yī)療系統(tǒng)專家講座第42頁智能醫(yī)療系統(tǒng)展望從當(dāng)前醫(yī)療信息化發(fā)展來看，伴隨醫(yī)療衛(wèi)生小區(qū)化、保健化發(fā)展趨勢日益顯著，經(jīng)過射頻儀器等相關(guān)終端設(shè)備在家庭中進(jìn)行體征信息實(shí)時(shí)跟蹤與監(jiān)控，經(jīng)過有效傳感網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)院對(duì)患者或者是亞健康病人實(shí)時(shí)診療與健康提醒，從而有效地降低和控制病患發(fā)生與發(fā)展。另外，傳感網(wǎng)技術(shù)在藥品管理和用藥步驟應(yīng)用過程也將發(fā)揮巨大作用。伴隨移動(dòng)