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基于物联网的智能医护系统研究

1 引 言

目前,我国医院信息化建设处于探索阶段,临床护理业务仍采用人工操作半自动化的方式来实现。由于临床护理工作复杂琐碎,患者信息的采集、分类、汇总、保存占据了大量的人力、物力和时间,并且护理人员不能实时对患者信息进行监测控制。因此,如何减轻临床护理人员的工作压力,采用自动化的设备实时高效的采集和控制患者信息是亟需解决的问题。

随着物联网技术的发展,智慧医疗已成为医院在信息化发展的重要方向之一。智慧医疗主要是指物联网技术在医护系统的的应用,具体是指通过医学传感设备和网络将人体信息采集和计算机信息处理结合起来,实现患者生理参数的远程感知和控制。本研究基于物联网ZigBee模块的三层架构,进行了详细划分,提出了医院智能医护系统的四层功能模型及相关实现技术。该系统主要应用于医院对病人信息的自动实时采集和控制,既可以减轻医院护理的人力、物力和时间上的负担,又为远程医院专家会诊提供病人生理数据参数。本系统也为后续系统设计和物联网其它智能应用提供参考借鉴。

2 物联网智能医护系统的四层架构

依据物联网技术的架构,本系统将智能医护系统划分为四层,分别为:感知层、处理层、网络层、应用层。见图1。

图1 物联网智能医护系统四层架构模型

2.1 感知层

在本系统中,感知层主要是采集患者相应部位的生理参数,并将不同部位的数据信息分类汇聚后上传到处理层,同时接受处理层的控制信息,完成相应的任务。感知层主要实现两个功能,一是患者信息的ZigBee数据采集,二是不同信息的分类传输。

2.1.1 信息的采集

??? 患者信息采集包括身份识别、体温采集、血压采集、骨骼采集、心电采集、脉象采集等,主要采用射频识别技术(radio frequencyidentifi?cation,RFID)、温度传感器、骨密度传感器、压力传感器等感知相应的人体部位,获取相应的电信号。本系统在实现功能的同时,探究ZigBee数据采集信息的最佳方法,力求实现采集信息的准确性在±0.01。

2.1.2 信息的传输

由于需要采集人体多个部位的生理参数,如果对每个传感器都分配一个处理器,就不能充分利用有效资源。因此必须采用多信道传输技术实现对不同信息的单独传输,或者采用多传感器融合技术实现对信息不同分类。本系统采用基于ZigBee 规范的ZigBee无线模块传感器网络。

2.1.2.1 ZigBee 规范分析

本系统中要利用多个传感器测量患者的多个不同部位,需要构建大规模无线传感器网络(large scalewireless sensors net?work,LS -WSN),Zigbee 规范与其它无线传输协议相比,具有支持星形、树形和网状型多种网络拓扑、低功耗、低成本、低数据速率的WSN 应用。系统具体开发中采用Freescale 公司的BeeStack 协议栈,它采用了直接序列扩频,将2.4GHZ 频段划分为16个不相重叠的可选信道,使不同信道的传输不会相互干扰。ZigBee 规范的缺点是采用集中式管理,要构建LS -WSN,还需要使用一网关设备。

2.2 处理层

传感器设备将ZigBee数据采集直接传输到处理层,需要进行数据处理后,方可传输到服务器数据库,另外传感器还需要接受处理层的控制。这就需要在处理层通过一控制器实现这一功能。本系统采用美国Cypress MicroSystems 的可编程片上系统PSoC。

2.2.1 PSoC 的优势

PSoC 除了微控制器外,还包括了足够的资源,对于系统的开发设计几乎不需要外部电路。这些资源可以自由组合,其参数可选择或设定,再加上动态重构功能,足以替代几乎所有的常用外围器件,见图2。

图2 PSoC 结构图

使开发者由原来的电路芯片设计为核心的模式,转变为集成系统功能的组合模式。明显减轻了系统产品体积,缩短了开发周期,降低了开发成本,提高了开发效率

2.3 网络层

该层主要实现将处理的患者数据传输到服务器上,可以通过GPRS 模块的无线传输技术实现这一功能。同时接受上位机发送的控制信息。基于医院包括大量的病人数据信息传输,可以在每个护士站建立一个服务器,将多个海量的数据服务器形成云计算平台,利用云技术实现对数据的存储、分析、挖掘、查询。

2.3.1 云计算技术

云计算平台是医院信息化发展的重要载体,采用计算机分布式处理技术、网格计算、通信技术可以解决海量数据实时动态的存储和计算,可以实现数据处理的科学合理性,查询服务器数据源的多样性和负载均衡性,促进了“智慧医疗”和医院服务公用事业化的发展。

2.4 应用层

本系统应用层采用B/S 架构,处理层利用C#语言将处理信息通过网络层传输到SQL Server 进行保存,而应用层利用ASP.NET 语言实现数据的动态显示,客户机根据相应的权限登陆系统进行访问,主治医师可以查看所属患者的人体生理参数,根据患者的情况设置治疗方案、开医嘱等;护士站的护理人员可以查看所属科室患者的人体生理参数,根据医嘱、人体标准生理参数和智能专家提示对患者进行护理;患者家属通过智能设备,根据住院号和设置的密码异地登陆后实现对患者生理参数的查看,及时了解患者的病情,实现远程陪护;同时异地专家还可以实现对患者的远程会诊。

3 智能医护系统的总体设计方案

结合目前医院医护工作的现状,通过科学合理的设计,本系统力求实现以下几大功能:(1)利用RFID 无线射频识别技术实现患者身份的识别。(2)通过传感技术与合理的ZigBee数据采集方法实现患者信息的准确采集。(3)借助可编程片上系统PSoC 平台和无线通信技术GPRS 实现患者信息的处理、实时传输到服务器。(4)设定基准参数和遗嘱实现对患者异常生理参数的报警和护理提示,对身体健康和生活质量智能决策。(5)基于B/S 架构实现医护人员信息查看、家属远程陪护和医院专家远程会诊。本系统在力求实现以上功能的同时,要尽量从传感器、单片机等设备的体积微型化方面考虑,将传感器、单片机等设备内置于病号服中,患者只要穿上这种病号服,便自动将其信息和生理参数传到服务器上。根据上述功能,本系统构建了如图3 所示的总体设计方案。

图3 基于物联网技术的智能医护系统功能模块图

4 系统软硬件设计

以人体体温参数监测为例,传统的体温测量采用玻璃水银体温计,存在易碎、汞污染、主观读数不准确、不能实时测量等缺点。而采用数字电子设备测量人体温度很好的解决了上述缺陷。

4.1 硬件设计

感知层体温采集传感器选择三晶电子公司MF5A -4 型的NTC 热敏电阻,该产品采用圆柱形环氧封装,直径1.9 mm,长25 mm,具有敏感性高、体积小等特点。在设计体温监测点时为考虑检测的准确性,采用多测量点测试监测,探求最佳监测位置,见图4。

图4 多点体温监测图

在数据处理层采用ZigBee数传簇树型无线网络进行多点温度数据传输,重点分析研究簇树路由算法及其实现,提高数据采集的准确性和实时性。通过可编程片上系统PSoC 的动态重构功能,利用PSoC充足的资源实现构建数据控制处理层。利用GPRS模块的无线传输功能将数据传输到服务器

4.2 软件设计

使用赛普拉斯的PSoC Creator 作为本系统的开发调试工具,使用内置的C /C ++作为开发语言,为底层开发设计提供了极大的方便,服务器系统的开发使用ASP.NET +SQLserver,由于ASP.NET 使用C#作为内置语言,方便了与底层硬件接口的编程交互。系统每隔10 秒将处理层处理后的数据发送到服务器的数据库中,客户机实时刷新显示人体温度曲线,并能计算某一时候具体的数据值。

5 系统测试和优化

本系统对监测数据要进行全方位比较测试,对系统反复改进和优化,以达到系统开发的目的。(1)对人体监测部位的测试,通过多部位监测测试,获取最佳监测部位点。(2)比较不同的监测方法、传感器仪器类型,对监测方法逐步优化,选择体积小,稳定性强、精确度准、性价比高的传感设备。(3)随机抓取数据包,测试数据传输速率和数据量,优化网络传输算法。(4)利用Spass 软件对病人生理参数抽样测量,从多方面比较患者、医生、护士、患者家属对传统监测技术和本系统监测的满意度,以对系统进行逐步优化。

6 结论

综上所述,基于物联网ZigBee数传技术的智能医护系统。利用ZigBee模块实现了人体生理参数的ZigBee数据采集、处理、传输、显示等功能,具有以下四点优势和竞争力:(1)突破了原有外围电路设计的单片机设计,使用目前领先的可编程片上系统PSoC,减低了开发成本,缩短了开发周期,加大了设计的灵活性。(2)使用ZigBee数传无线传感网,实现多点信号监测,实时准确传输。(3)基于B/S 架构的Web 应用层设计,采用异地远程访问,减轻医护人员的工作压力和强度,缩减物力、财力。实现异地远程专家会诊和家属护理患者。(4)设计过程中,充分考虑硬件设备的微型化,使传感设备内置于病号服中,力求实现“智能病号服”的目标。

博主
liqingk@163.com
jlinkcnedn
学习和研究ZigBee技术应用