無線通信采集傳輸數(shù)傳技術的物聯(lián)網(wǎng)智能醫(yī)護智慧醫(yī)療

1引言目前，我國醫(yī)院信息化建設處于探索階段，臨床護理業(yè)務仍采用人工操作半自動化的方式來實現(xiàn)。由于臨床護理工作復雜瑣碎，患者信息的采集、分類、匯總、保存占據(jù)了大量的人力、物力和時間，并且護理人員不能實時對患者信息進行監(jiān)測控制。因此，如何減輕臨床護理人員的工作壓力，采用自動化的設備實時高效的采集和控制患者信息是亟需解決的問題隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，智慧醫(yī)療已成為醫(yī)院在信息化發(fā)展的重要方向之一。智慧醫(yī)療主要是指物聯(lián)網(wǎng)技術在醫(yī)護系統(tǒng)的的應用，具體是指通過醫(yī)學傳感設備和網(wǎng)絡將人體信息采集和計算機信息處理結合起來，實現(xiàn)患者生理參數(shù)的遠程感知和控制。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無線模塊的三層架構，進行了詳細劃分，提出了醫(yī)院智能醫(yī)護系統(tǒng)的四層功能模型及相關實現(xiàn)技術。該系統(tǒng)主要應用于醫(yī)院對病人信息的自動實時采集和控制，既可以減輕醫(yī)院護理的人力、物力和時間上的負擔，又為遠程醫(yī)院專家會診提供病人生理數(shù)據(jù)參數(shù)。本系統(tǒng)也為后續(xù)系統(tǒng)設計和物聯(lián)網(wǎng)其它智能應用提供參考借鑒。2物聯(lián)網(wǎng)智能醫(yī)護系統(tǒng)的四層架構依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術的架構，本系統(tǒng)將智能醫(yī)護系統(tǒng)劃分為四層，分別為：感知層、處理層、網(wǎng)絡層、應用層。見圖1。升JH刃工5￡事|iScL.r7?'V=升JH刃工5￡事|iScL.r7?'V=「二R二?第1：.1；14M11t：rIF.f*kiMN圖1物聯(lián)網(wǎng)智能醫(yī)護系統(tǒng)四層架構模型2．1感知層在本系統(tǒng)中，感知層主要是采集患者相應部位的生理參數(shù)，并將不同部位的數(shù)據(jù)信息分類匯聚后上傳到處理層，同時接受處理層的控制信息，完成相應的任務。感知層主要實現(xiàn)兩個功能，一是患者信息的ZigBee數(shù)據(jù)采集，二是不同信息的分類傳輸。2．1．1信息的采集患者信息采集包括身份識別、體溫采集、血壓采集、骨骼采集、心電采集、脈象采集等，主要采用射頻識別技術(radiofrequencyidentification,RFID).溫度傳感器、骨密度傳感器、壓力傳感器等感知相應的人體部位，獲取相應的電信號。本系統(tǒng)在實現(xiàn)功能的同時，探究ZigBee數(shù)據(jù)采集信息的最佳方法，力求實現(xiàn)采集信息的準確性在±0.01。2．1．2信息的傳輸由于需要采集人體多個部位的生理參數(shù)，如果對每個傳感器都分配一個處理器，就不能充分利用有效資源。因此必須采用多信道傳輸技術實現(xiàn)對不同信息的單獨傳輸，或者采用多傳感器融合技術實現(xiàn)對信息不同分類。本系統(tǒng)采用基于ZigBee規(guī)范的ZigBee無線模塊傳感器網(wǎng)絡。ZigBee規(guī)范分析本系統(tǒng)中要利用多個傳感器測量患者的多個不同部位，需要構建大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(largescalewirelesssensorsnetwork,l_S—WSN),Zigbee規(guī)范與其它無線傳輸協(xié)議相比，具有支持星形、樹形和網(wǎng)狀型多種網(wǎng)絡拓撲、低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)速率的WSN應用。系統(tǒng)具體開發(fā)中采用Freescale公司的BeeStack協(xié)議棧，它采用了直接序列擴頻，將2.4GHZ頻段劃分為16個不相重疊的可選信道，使不同信道的傳輸不會相互干擾°ZigBee規(guī)范的缺點是采用集中式管理，要構建l_S—WSN，還需要使用一網(wǎng)關設備。2.2處理層傳感器設備將ZigBee數(shù)據(jù)采集直接傳輸?shù)教幚韺?，需要進行數(shù)據(jù)處理后，方可傳輸?shù)椒掌鲾?shù)據(jù)庫，另外傳感器還需要接受處理層的控制。這就需要在處理層通過一控制器實現(xiàn)這—功能。本系統(tǒng)采用美國CypressMicroSystems的可編程片上系統(tǒng)PSoCoPSoC的優(yōu)勢PSoC除了微控制器外，還包括了足夠的資源，對于系統(tǒng)的開發(fā)設計幾乎不需要外部電路。這些資源可以自由組合，其參數(shù)可選擇或設定，再加上動態(tài)重構功能，足以替代幾乎所有的常用外圍器件，見圖2。圖2PSoC結構圖使開發(fā)者由原來的電路芯片設計為核心的模式，轉變?yōu)榧上到y(tǒng)功能的組合模式。明顯減輕了系統(tǒng)產(chǎn)品體積，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，提高了開發(fā)效率2.3網(wǎng)絡層該層主要實現(xiàn)將處理的患者數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌魃?，可以通過GPRS模塊的無線傳輸技術實現(xiàn)這一功能。同時接受上位機發(fā)送的控制信息?；卺t(yī)院包括大量的病人數(shù)據(jù)信息傳輸，可以在每個護士站建立一個服務器，將多個海量的數(shù)據(jù)服務器形成云計算平臺，利用云技術實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的存儲、分析、挖掘、查詢。云計算技術云計算平臺是醫(yī)院信息化發(fā)展的重要載體，采用計算機分布式處理技術、網(wǎng)格計算、通信技術可以解決海量數(shù)據(jù)實時動態(tài)的存儲和計算，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的科學合理性，查詢服務器數(shù)據(jù)源的多樣性和負載均衡性，促進了“智慧醫(yī)療”和醫(yī)院服務公用事業(yè)化的發(fā)展。2.4應用層本系統(tǒng)應用層采用B/S架構，處理層利用C#語言將處理信息通過網(wǎng)絡層傳輸?shù)絊QLServer進行保存，而應用層利用ASP.NET語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，客戶機根據(jù)相應的權限登陸系統(tǒng)進行訪問，主治醫(yī)師可以查看所屬患者的人體生理參數(shù)，根據(jù)患者的情況設置治療方案、開醫(yī)囑等；護士站的護理人員可以查看所屬科室患者的人體生理參數(shù)，根據(jù)醫(yī)囑、人體標準生理參數(shù)和智能專家提示對患者進行護理；患者家屬通過智能設備，根據(jù)住院號和設置的密碼異地登陸后實現(xiàn)對患者生理參數(shù)的查看，及時了解患者的病情，實現(xiàn)遠程陪護；同時異地專家還可以實現(xiàn)對患者的遠程會診。3智能醫(yī)護系統(tǒng)的總體設計方案結合目前醫(yī)院醫(yī)護工作的現(xiàn)狀,通過科學合理的設計，本系統(tǒng)力求實現(xiàn)以下幾大功能：（1）利用RFID無線射頻識別技術實現(xiàn)患者身份的識別。（2）通過傳感技術與合理的ZigBee數(shù)據(jù)采集方法實現(xiàn)患者信息的準確采集。（3）借助可編程片上系統(tǒng)PSoC平臺和無線通信技術GPRS實現(xiàn)患者信息的處理、實時傳輸?shù)椒掌?。?）設定基準參數(shù)和遺囑實現(xiàn)對患者異常生理參數(shù)的報警和護理提示，對身體健康和生活質(zhì)量智能決策。（5）基于B/S架構實現(xiàn)醫(yī)護人員信息查看、家屬遠程陪護和醫(yī)院專家遠程會診。本系統(tǒng)在力求實現(xiàn)以上功能的同時，要盡量從傳感器、單片機等設備的體積微型化方面考慮，將傳感器、單片機等設備內(nèi)置于病號服中，患者只要穿上這種病號服，便自動將其信息和生理參數(shù)傳到服務器上。根據(jù)上述功能，本系統(tǒng)構建了如圖3所示的總體設計方案。圖3基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能醫(yī)護系統(tǒng)功能模塊圖4系統(tǒng)軟硬件設計以人體體溫參數(shù)監(jiān)測為例，傳統(tǒng)的體溫測量采用玻璃水銀體溫計，存在易碎、汞污染、主觀讀數(shù)不準確、不能實時測量等缺點。而采用數(shù)字電子設備測量人體溫度很好的解決了上述缺陷。4．1硬件設計感知層體溫采集傳感器選擇三晶電子公司MF5A-4型的NTC熱敏電阻，該產(chǎn)品采用圓柱形環(huán)氧封裝，直徑1.9mm，長25mm,具有敏感性高、體積小等特點。在設計體溫監(jiān)測點時為考慮檢測的準確性，采用多測量點測試監(jiān)測，探求最佳監(jiān)測位置，見圖4。圖4多點體溫監(jiān)測圖在數(shù)據(jù)處理層采用ZigBee數(shù)傳簇樹型無線網(wǎng)絡進行多點溫度數(shù)據(jù)傳輸，重點分析研究簇樹路由算法及其實現(xiàn)，提高數(shù)據(jù)采集的準確性和實時性。通過可編程片上系統(tǒng)PSoC的動態(tài)重構功能，利用PSoC充足的資源實現(xiàn)構建數(shù)據(jù)控制處理層。利用GPRS模塊的無線傳輸功能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌?.2軟件設計使用賽普拉斯的PSoCCreator作為本系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試工具，使用內(nèi)置的C/C++作為開發(fā)語言，為底層開發(fā)設計提供了極大的方便，服務器系統(tǒng)的開發(fā)使用ASP.NET+SQLserver,由于ASP.NET使用C#作為內(nèi)置語言，方便了與底層硬件接口的編程交互。系統(tǒng)每隔10秒將處理層處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器的數(shù)據(jù)庫中,客戶機實時刷新顯示人體溫度曲線,并能計算某一時候具體的數(shù)據(jù)值。5系統(tǒng)測試和優(yōu)化本系統(tǒng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)要進行全方位比較測試，對系統(tǒng)反復改進和優(yōu)化，以達到系統(tǒng)開發(fā)的目的。（1）對人體監(jiān)測部位的測試，通過多部位監(jiān)測測試，獲取最佳監(jiān)測部位點。（2）比較不同的監(jiān)測方法、傳感器儀器類型，對監(jiān)測方法逐步優(yōu)化，選擇體積小，穩(wěn)定性強、精確度準、性價比高的傳感設備。（3）隨機抓取數(shù)據(jù)包，測試數(shù)據(jù)傳輸速率和數(shù)據(jù)量，優(yōu)化網(wǎng)絡傳輸算法。（4）利用Spass軟件對病人生理參數(shù)抽樣測量，從多方面比較患者'醫(yī)生、護士、患者家屬對傳統(tǒng)監(jiān)測技術和本系統(tǒng)監(jiān)測的滿意度，以對系統(tǒng)進行逐步優(yōu)化。6結論綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee數(shù)傳技術的智能醫(yī)護系統(tǒng)。利用ZigBee無線模塊實現(xiàn)了人體生理參數(shù)的ZigBee數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、顯示等功能，具有以下四點優(yōu)勢和競爭力：（1）突破了原有外圍電路設計的單片機設計，使用目前領先的可編程片上系統(tǒng)PSoC,