基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)

李長伍

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)

李長伍

(蘇州澤德醫(yī)療器械有限公司，江蘇 蘇州 215000)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)了智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)，在病床、醫(yī)療設(shè)備中內(nèi)嵌傳感器節(jié)點(diǎn)，在不觸及患者身體的情況下實(shí)時(shí)采集患者的心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率、體溫、翻身次數(shù)、離床時(shí)間、藥物輸注時(shí)間和藥物輸注量等重要參數(shù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者檢測、異常報(bào)警。該系統(tǒng)在醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；監(jiān)控；傳感器；異常報(bào)警

0 引言

醫(yī)療監(jiān)控是醫(yī)生對(duì)患者進(jìn)行診治的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的對(duì)患者生理數(shù)據(jù)采集的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備可分為有線和無線兩大類。有線的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備往往因?yàn)樾枰€纜連接而使其體積龐大進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備成本高，不便于攜帶。目前的大多數(shù)醫(yī)院仍然使用有線的醫(yī)用設(shè)備，醫(yī)務(wù)人員需要時(shí)刻在病人或者固定的醫(yī)用設(shè)備旁邊觀察病情，對(duì)重要的生命體征進(jìn)行人工采集，不僅繁瑣而且工作量大，無法做到實(shí)時(shí)、不間斷地采集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來越成熟，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建越來越受到關(guān)注。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)也使得患者生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測成為可能。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款無線的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備，通過無線網(wǎng)把采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)護(hù)人員手中，方便監(jiān)護(hù)人員掌握病人的具體情況。即使監(jiān)護(hù)人員不在病房內(nèi)，也可以對(duì)出現(xiàn)異常的病人進(jìn)行定位，以便醫(yī)療人員及時(shí)對(duì)病人進(jìn)行救治。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)按照字面可理解為物物相連所組成的網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)這個(gè)詞，國內(nèi)外普遍公認(rèn)的是Ashton教授于1999年在研究RFID時(shí)最早提出，標(biāo)志著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的誕生[1]。2005年國際電信聯(lián)盟發(fā)布的報(bào)告中重新定義了物聯(lián)網(wǎng)的定義和范圍，不再只是指基于RFID技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)。2009年8月溫家寶總理提出“感知中國”，物聯(lián)網(wǎng)被列為國家五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一引來了快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)形式多樣、技術(shù)復(fù)雜、涉及面廣，融合了半導(dǎo)體、傳感器、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)[2]。

本系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)，把采集數(shù)據(jù)的傳感器接入ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，并且把ZigBee內(nèi)嵌到醫(yī)用電氣設(shè)備中。其具有自組織多跳的機(jī)制，即使某一個(gè)傳輸路徑出錯(cuò)，還可以通過其他路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，改變了傳統(tǒng)的查房采集方式。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及主要功能

(3)0～10 cm土層，0.05～0.25 mm和<0.0 5 mm粒徑微團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳有顯著作用；10～20 cm土層，在1～2 mm、0.05～0.25 mm粒徑，團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳有顯著作用；20～40 cm和40～60 cm土層有機(jī)碳對(duì)團(tuán)聚體有機(jī)碳影響不明顯。這與植物根系分布深度及耕作施肥深度有關(guān)，同時(shí)也說明了紅壤有機(jī)碳的增加通過形成或進(jìn)入小團(tuán)聚體而實(shí)現(xiàn)。

中央控制器負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和識(shí)別，由于手機(jī)和計(jì)算機(jī)都沒有采用ZigBee技術(shù)，因此使用WiFi模塊負(fù)責(zé)上位機(jī)與中央控制器的通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)終端的通信。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、中央控制器、WiFi模塊和上位機(jī)軟件四個(gè)部分組成。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又由連接傳感器和醫(yī)用設(shè)備的各個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、中繼器和協(xié)調(diào)器組成，傳感器安裝在病床上采集病人的數(shù)據(jù)，終端醫(yī)用設(shè)備(如輸注泵、監(jiān)護(hù)儀等)安放在病床前。傳感器和終端醫(yī)用設(shè)備采集的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送給中繼器，中繼器接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的這些數(shù)據(jù)后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)調(diào)度整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)的軟件分為兩大塊，底層單片機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)編程設(shè)計(jì)。對(duì)于單片機(jī)程序的編寫，主要使用C語言編寫串口、IIC、SPI等程序與各外圍電路進(jìn)行信息的交互。

射頻芯片CC2530采用了AES-128的加密算法保證數(shù)據(jù)的安全可靠，可對(duì)數(shù)據(jù)包完整性進(jìn)行檢查，支持鑒權(quán)和認(rèn)證。其低功耗的特性使各終端設(shè)備無需經(jīng)常更換電池，方便對(duì)設(shè)備的管理和維護(hù)。其使用ZigBee技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，具有可移動(dòng)的特性。

2.3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

由CC2530射頻芯片傳送過來的各終端的信息，經(jīng)中央控制器處理后通過STM32F103的串口發(fā)送給ESP8266無線WiFi模塊。

習(xí)近平指出：“從嚴(yán)治黨有其自身規(guī)律，對(duì)我們這樣一個(gè)老黨大黨來說，從嚴(yán)治黨更有其自身規(guī)律。我們黨在長期實(shí)踐中，不斷總結(jié)和運(yùn)用好自己正反兩方面經(jīng)驗(yàn)，也積極借鑒國外執(zhí)政黨建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，深刻認(rèn)識(shí)到了一些從嚴(yán)治黨規(guī)律，這些都要繼續(xù)運(yùn)用好?！保?］28－29

W25Q128存儲(chǔ)芯片通過SPI接口與主控芯片連接，用于存儲(chǔ)系統(tǒng)所采集到的臨時(shí)數(shù)據(jù)方便上位機(jī)實(shí)時(shí)查詢，也可存儲(chǔ)用戶設(shè)置的如床位號(hào)對(duì)應(yīng)的具體報(bào)警數(shù)值等特定參數(shù)。

中央控制器采用STM32F103作為主控芯片，它集成了串口、IIC和SPI通信接口，利用IIC接口可以控制液晶顯示的內(nèi)容、對(duì)比度和背光等，可與其他模塊通信，實(shí)現(xiàn)各硬件的管控，從而實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面的建立。

（1）Porter，Steers & Mowday（1974）開發(fā)出一份組織承諾量表OCQ。之后，他們對(duì)此份量表做了進(jìn)一步的完善，將該量表改為15個(gè)測量項(xiàng)目，其中6個(gè)為反向題，用來測量組織承諾的三個(gè)維度：對(duì)組織目前和價(jià)值觀的強(qiáng)烈認(rèn)同和接受；愿意為組織貢獻(xiàn)自己的力量；愿意保持組織成員身份的自豪感。該量表在應(yīng)用之初受到了廣泛的關(guān)注，但是近年來卻遭到了許多學(xué)者的質(zhì)疑，原因主要是這個(gè)量表不能明確的界定不同類型的組織承諾。

其中Tcoh表示總的相干積分時(shí)間，Ii(m)、Qi(m)分別表示第i個(gè)總相干積分時(shí)間Tcoh內(nèi)短時(shí)積分結(jié)果進(jìn)行FFT變換之后得到的實(shí)部和虛部，Tp=Tcoh/M，M表示相干積分分段數(shù)，L表示每一段短時(shí)相干積分時(shí)間內(nèi)的點(diǎn)數(shù)L=Tp/Ts，Ts表示采樣周期，Δf是本地信號(hào)與接收信號(hào)的頻差，R(τ)為L1OC信號(hào)的偽隨機(jī)碼和本地碼的互相關(guān)值，τ表示本地碼和接收信號(hào)的偽隨機(jī)碼的延遲。

3 各部分功能及構(gòu)成

3.1 傳感器采集

2組患者術(shù)后1周和末次隨訪時(shí)Cobb角較術(shù)前均明顯改善，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＜ 0.05，表2）。術(shù)前和術(shù)后1周Cobb角2組間相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＞ 0.05），末次隨訪時(shí)B組Cobb角顯著小于A組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＜ 0.05，表2）。末次隨訪時(shí)，B組Cobb角丟失1.22°±0.34°，A組丟失5.62°±1.16°，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P ＜ 0.05，表2）。

傳感器是系統(tǒng)感知患者體征的眼睛，傳感器主要放置在病床上，將患者翻身次數(shù)、離床時(shí)間和睡眠質(zhì)量等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并且使用非接觸式采集，不額外添加接觸患者的設(shè)備；低功耗，無需經(jīng)常更換電池；通過無線的方式采集傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3.2 醫(yī)用設(shè)備數(shù)據(jù)采集

上位機(jī)編程可細(xì)分為Windows計(jì)算機(jī)終端、Android終端和蘋果終端，三個(gè)平臺(tái)編程方法各有不同，Windows計(jì)算機(jī)終端編程采用微軟公司提供的可視化集成開發(fā)環(huán)境Visual C++6.0，其包含許多組件，如編輯器、調(diào)試器、程序向?qū)ppWizard、類向?qū)lass Wizard等開發(fā)工具，非常適合Windows系統(tǒng)下的軟件編寫。Android終端編程采用開放源代碼、基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺(tái)的Eclipse集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。蘋果終端編程采用Xcode集成開發(fā)環(huán)境，它具有統(tǒng)一的用戶界面設(shè)計(jì)，并且編碼、測試和調(diào)試都在一個(gè)簡單的窗口內(nèi)完成。

對(duì)醫(yī)用設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，主要通過在醫(yī)用設(shè)備中內(nèi)嵌無線采集節(jié)點(diǎn)，把設(shè)備運(yùn)行的一些例如監(jiān)護(hù)儀上的人體心電信號(hào)、心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率、體溫狀態(tài)以及輸注泵上的藥物輸注時(shí)間、藥物輸注量和輸注速度等信息實(shí)時(shí)傳送給控制器，并且設(shè)備的歷史運(yùn)行記錄可在需要的時(shí)候調(diào)取出來。

3.3 控制器

控制器作為整個(gè)系統(tǒng)硬件的心臟，負(fù)責(zé)各無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算整合、數(shù)據(jù)緩沖、接收和識(shí)別命令、地址識(shí)別等，還可用于各外圍電路信號(hào)交換的橋梁。通過無線WiFi模塊可將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)院局域網(wǎng)中。

“你把這個(gè)帶去吧！放在包袱里，別叫人給你搶去，娘一個(gè)錢也沒有。若餓肚時(shí)，你就去賣掉，買個(gè)干糧吃吧！”走出門去還聽母親說：“遇見日本子，你快伏在蒿子下。”

檢測單元主要包括固定式皮帶輸送帶、可旋轉(zhuǎn)皮帶輸送帶、滾子輸送帶、CCD檢測攝像頭及圖像處理電腦、搬運(yùn)機(jī)器人以及電氣控制柜等部分(圖2)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)托盤中的大、小工件進(jìn)行CCD檢測的功能。

3.4 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，監(jiān)控到整個(gè)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有患者的信息；系統(tǒng)能為醫(yī)務(wù)人員提供患者實(shí)時(shí)的生命體征信息作為診斷參考；可為某一個(gè)患者設(shè)置某一特定的報(bào)警閾值，超過了系統(tǒng)自動(dòng)提示報(bào)警；系統(tǒng)可在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板電腦等不同終端上使用。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在硬件上設(shè)計(jì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)采集患者心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率、體溫等參數(shù)，對(duì)醫(yī)療診治具有非常重要的作用，該設(shè)備具有抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、安全性能高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而目前國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)院無法實(shí)時(shí)地采集這些數(shù)據(jù)，智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要需解決了這些難題，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2011.

[2] 杜軍朝，劉惠，劉傳益，等.ZigBee技術(shù)原理與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

The intelligent medical monitoring system based on Internet of Things

Li Changwu

(Suzhou Zede Medical Instrument Co., Ltd., Suzhou 215000, China)

Based on Internet of Things technology, this paper develops and designs an intelligent medical monitoring system. It embeds sensor nodes in the beds and medical equipments, without touching the body of the patient to real-timely acquire the patient’s heart rate, blood oxygen saturation, blood pressure, breathing rate, body temperature, turn over times, time of leaving the bed, drug infusion time and drug infusion quantity and analyze the important parameters, realizing patients testing and alarming when abnormal.In the medical field it has a broad application prospect.

Internet of Things;ZigBee;monitoring;sensor;abnormal alarm

TN8

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.04.028

李長伍.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(4)：94-95.

2016-09-19)

李長伍(1989-)，通信作者，男，本科，電子工程師，主要研究方向：嵌入式、醫(yī)療電子產(chǎn)品開發(fā)。E-mail:18862120629@qq.com。