基於物聯網的智能醫護系統研究

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１ 引 言

    目前，我國醫院資訊化建設處於探索階段，臨床護理業務仍採用人工操作半自動化的方式來實現。由於臨床護理工作複雜瑣碎，患者資訊的採集、分類、匯總、儲存佔據了大量的人力、物力和時間，並且護理人員不能即時對患者資訊進行監測控制。因此，如何減輕臨床護理人員的工作壓力，採用自動化的裝置即時高效的採集和控制患者資訊是亟需解決的問題。

    隨著物聯網技術的發展，智慧醫學已成為醫院在資訊化發展的重要方向之一。智慧醫學主要是指物聯網技術在醫護系統的的應用，具體是指通過醫學感測裝置和網路將人體資訊採集和電腦資訊處理結合起來，實現患者生理參數的遠程感知和控制。本研究基於物聯網ZigBee無線模組的三層架構，進行了詳細劃分，提出了醫院智能醫護系統的四層功能模型及相關實現技術。該系統主要應用於醫院對病人資訊的自動即時採集和控制，既可以減輕醫院護理的人力、物力和時間上的負擔，又為遠程醫院專家會診提供病人生理資料參數。本系統也為後續系統設計和物聯網其它智能應用提供參考借鑒。

２ 物聯網智能醫護系統的四層架構

    依據物聯網技術的架構，本系統將智能醫護系統劃分為四層，分別為：感知層、處理層、網路層、應用程式層。見圖１。

圖１ 物聯網智能醫護系統四層架構模型

２．１ 感知層

    在本系統中，感知層主要是採集患者相應部位的生理參數，並將不同部位的資料資訊分類匯聚後上傳到處理層，同時接受處理層的控制資訊，完成相應的任務。感知層主要實現兩個功能，一是患者資訊的ZigBee資料擷取，二是不同資訊的分類傳輸。

２．１．１ 資訊的採集

    患者資訊採集包括身份識別、體溫採集、血壓採集、骨骼採集、心電採集、脈象採集等，主要採用射頻識別技術（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ＲＦＩＤ）、溫度感應器、骨礦物質密度感應器、壓力感應器等感知相應的人體部位，擷取相應的電訊號。本系統在實現功能的同時，探究ZigBee資料擷取資訊的最佳方法，力求實現採集資訊的準確性在±０．０１。

２．１．２ 資訊的傳輸

    由於需要採集人體多個部位的生理參數，如果對每個感應器都分配一個處理器，就不能充分利用有效資源。因此必須採用多通道傳輸技術實現對不同資訊的單獨傳輸，或者採用多感應器融合技術實現對資訊不同分類。本系統採用基於ＺｉｇＢｅｅ 規範的ZigBee無線模組感應器網路。

２．１．２．１ ＺｉｇＢｅｅ 規範分析

    本系統中要利用多個感應器測量患者的多個不同部位，需要構建大規模無線感應器網路（ｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒｓ ｎｅｔｗｏｒｋ，ＬＳ －ＷＳＮ），Ｚｉｇｂｅｅ 規範與其它無線傳輸協議相比，具有支援星形、樹形和網狀型多種網路拓撲、低功耗、低成本、低資料速率的ＷＳＮ 應用。系統具體開發中採用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ 公司的ＢｅｅＳｔａｃｋ 協議棧，它採用了直接序列擴頻，將２．４ＧＨＺ 頻段劃分為１６個不相重疊的可選通道，使不同通道的傳輸不會相互幹擾。ＺｉｇＢｅｅ 規範的缺點是採用集中式管理，要構建ＬＳ －ＷＳＮ，還需要使用一網關裝置。

２．２ 處理層

    感應器裝置將ZigBee資料擷取直接傳輸到處理層，需要進行資料處理後，方可傳輸到伺服器資料庫，另外感應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這一功能。本系統採用美國Ｃｙｐｒｅｓｓ ＭｉｃｒｏＳｙｓｔｅｍｓ 的可程式化片上系統ＰＳｏＣ。

２．２．１ ＰＳｏＣ 的優勢

    ＰＳｏＣ 除了微控制器外，還包括了足夠的資源，對於系統的開發設計幾乎不需要外部電路。這些資源可以自由組合，其參數可選擇或設定，再加上動態重構功能，足以替代幾乎所有的常用外圍器件，見圖２。

圖２ ＰＳｏＣ 結構圖

    使開發人員由原來的電路晶片設計為核心的模式，轉變為整合系統功能的組合模式。明顯減輕了系統產品體積，縮短了開發週期，降低了開發成本，提高了開發效率

２．３ 網路層

    該層主要實現將處理的患者資料轉送到伺服器上，可以通過ＧＰＲＳ 模組的無線傳輸技術實現這一功能。同時接受上位機發送的控制資訊。基於醫院包括大量的病人資料資訊傳輸，可以在每個護士站建立一個伺服器，將多個海量的資料服務器形成雲端運算平台，利用雲技術實現對資料的儲存、分析、挖掘、查詢。

２．３．１ 雲端運算技術

    雲端運算平台是醫院資訊化發展的重要載體，採用電腦分散式處理技術、格線運算、通訊技術可以解決海量資料即時動態儲存和計算，可以實現資料處理的科學合理性，查詢服務器資料來源的多樣性和負載平衡性，促進了“智慧醫學”和醫院服務公用事業化的發展。

２．４ 應用程式層

    本系統應用程式層採用Ｂ／Ｓ 架構，處理層利用Ｃ＃語言將處理資訊通過網路層傳輸到ＳＱＬ Ｓｅｒｖｅｒ 進行儲存，而應用程式層利用ＡＳＰ．ＮＥＴ 語言實現資料的動態顯示，客戶機根據相應的許可權登陸系統進行訪問，主治醫師可以查看所屬患者的人體生理參數，根據患者的情況設定治療方案、開醫囑等；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，根據醫囑、人體標準生理參數和智能專家提示對患者進行護理；患者家屬通過智慧型裝置，根據住院號和設定的密碼異地登陸後實現對患者生理參數的查看，及時瞭解患者的病情，實現遠程陪護；同時異地專家還可以實現對患者的遠程會診。

３ 智能醫護系統的總體設計方案

    結合目前醫院醫護工作的現狀，通過科學合理的設計，本系統力求實現以下幾大功能：（１）利用ＲＦＩＤ 無線射頻識別技術實現患者身份的識別。（２）通過感測技術與合理的ZigBee資料擷取方法實現患者資訊的準確採集。（３）藉助可程式化片上系統ＰＳｏＣ 平台和無線通訊技術ＧＰＲＳ 實現患者資訊的處理、即時傳輸到伺服器。（４）設定基準參數和遺囑實現對患者異常生理參數的警示和護理提示，對身體健康和生活品質智能決策。（５）基於Ｂ／Ｓ 架構實現醫護人員資訊查看、家屬遠程陪護和醫院專家遠程會診。本系統在力求實現以上功能的同時，要盡量從感應器、單片機等裝置的體積微型化方面考慮，將感應器、單片機等裝置內建於病號服中，患者只要穿上這種病號服，便自動將其資訊和生理參數傳到伺服器上。根據上述功能，本系統構建了３ 所示的總體設計方案。

圖３ 基於物聯網技術的智能醫護系統功能模組圖

４ 系統軟硬體設計

    以人體體溫參數監測為例，傳統的體溫測量採用玻璃水銀體溫計，存在易碎、汞汙染、主觀讀數不準確、不能即時測量等缺點。而採用數字電子裝置測量人體溫度很好的解決了上述缺陷。

４．１ 硬體設計

    感知層體溫採集感應器選擇三晶電子公司ＭＦ５Ａ －４ 型的ＮＴＣ 熱敏電阻，該產品採用圓柱形環氧封裝，直徑１．９ ｍｍ，長２５ ｍｍ，具有敏感性高、體積小等特點。在設計體溫監測點時為考慮檢測的準確性，採用多測量點測試監測，探求最佳監測位置，見圖４。

圖４ 多點體溫監測圖

    在資料處理層採用ＺｉｇＢｅｅ數傳簇樹型無線網路進行多點溫度資料轉送，重點分析研究簇樹路由演算法及其實現，提高資料擷取的準確性和即時性。通過可程式化片上系統ＰＳｏＣ 的動態重構功能，利用ＰＳｏＣ充足的資源實現構建資料控制處理層。利用ＧＰＲＳ模組的無線傳輸功能將資料轉送到伺服器

４．２ 軟體設計

    使用賽普拉斯的ＰＳｏＣ Ｃｒｅａｔｏｒ 作為本系統的開發調試工具，使用內建的Ｃ ／Ｃ ＋＋作為開發語言，為底層開發設計提供了極大的方便，伺服器系統的開發使用ＡＳＰ．ＮＥＴ ＋ＳＱＬｓｅｒｖｅｒ，由於ＡＳＰ．ＮＥＴ 使用Ｃ＃作為內建語言，方便了與底層硬體介面的編程互動。系統每隔１０ 秒將處理層處理後的資料發送到伺服器的資料庫中，客戶機即時重新整理顯示人體溫度曲線，並能計算某一時候具體的資料值。

５ 系統測試和最佳化

    本系統對監測資料要進行全方位比較測試，對系統反覆改進和最佳化，以達到系統開發的目的。（１）對人體監測部位的測試，通過多部位監測測試，擷取最佳監測部位點。（２）比較不同的監測方法、感應器儀器類型，對監測方法逐步最佳化，選擇體積小，穩定性強、精確度准、性價比高的感測裝置。（３）隨機抓取資料包，測試資料轉送速率和資料量，最佳化網路傳輸演算法。（４）利用Ｓｐａｓｓ 軟體對病人生理參數抽樣測量，從多方面比較患者、醫生、護士、患者家屬對傳統監測技術和本系統監測的滿意度，以對系統進行逐步最佳化。

６ 結論

    綜上所述，基於物聯網ZigBee數傳技術的智能醫護系統。利用ZigBee無線模組實現了人體生理參數的ZigBee資料擷取、處理、傳輸、顯示等功能，具有以下四點優勢和競爭力：（１）突破了原有外圍電路設計的單片機設計，使用目前領先的可程式化片上系統ＰＳｏＣ，減低了開發成本，縮短了開發週期，加大了設計的靈活性。（２）使用ＺｉｇＢｅｅ數傳無線感測網，實現多點訊號監測，即時準確傳輸。（３）基於Ｂ／Ｓ 架構的Ｗｅｂ 應用程式層設計，採用異地遠端存取，減輕醫護人員的工作壓力和強度，縮減物力、財力。實現異地遠程專家會診和家屬護理患者。（４）設計過程中，充分考慮硬體裝置的微型化，使感測裝置內建於病號服中，力求實現“智能病號服”的目標。

基於物聯網的智能醫護系統研究