基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)的設計

陳皇宇，王娟

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 信息管理科，江蘇 南京 210002

基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)的設計

陳皇宇，王娟

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 信息管理科，江蘇 南京 210002

目的針對目前醫(yī)院中患者移動監(jiān)測的醫(yī)療需求，設計了患者移動監(jiān)測系統(tǒng)。方法采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為基礎，進行患者移動監(jiān)測系統(tǒng)設計。系統(tǒng)主要包括智能移動終端和參數(shù)收集節(jié)點間的藍牙通信模塊、生理數(shù)據(jù)儲存和管理模塊、智能移動終端和患者監(jiān)測點的通訊模塊、患者GPRS定位和實時地理位置監(jiān)測模塊、患者參數(shù)收集等模塊等。結(jié)果本系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)了移動患者身體各項指標的實時監(jiān)測。結(jié)論本系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)在患者移動監(jiān)測過程中監(jiān)測帶間大，吞吐量低、效率差的問題，使移動患者監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮了更大的作用。

移動監(jiān)測系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；藍牙通信模塊；射頻識別；智能移動端

引言

在移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎上發(fā)展起來的移動醫(yī)療，給醫(yī)療衛(wèi)生業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇[1-3]。讓醫(yī)生、患者、診斷數(shù)據(jù)有了新的結(jié)合方法。隨著計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了移動監(jiān)測，相對于傳統(tǒng)的醫(yī)院內(nèi)病床旁監(jiān)測來說，醫(yī)生對患者的監(jiān)測標準更為統(tǒng)一[4-5]。移動監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)，給醫(yī)療機構(gòu)、患者和設備供應商帶來了巨大變化，改變了傳統(tǒng)的醫(yī)療模式。設計患者移動監(jiān)測系統(tǒng)，能夠為構(gòu)建便捷、人性、智能化的醫(yī)療模式提供可靠的理論依據(jù)[6-8]，成為該領(lǐng)域亟待解決的問題，受到了廣大學者的關(guān)注，也設計了很多移動監(jiān)測系統(tǒng)。

曹恩國等[9]設計了基于ARM-Linux的移動監(jiān)測系統(tǒng)，此監(jiān)測系統(tǒng)采用嵌入式微控制器PXA270為硬件核心，以TCP（傳輸控制協(xié)議）和Modbus（網(wǎng)絡通訊協(xié)議）協(xié)議為軟件編程實現(xiàn)患者移動監(jiān)測。但該系統(tǒng)存在監(jiān)測數(shù)據(jù)不全，運行效率低的問題。孫振邦等[10]設計了基于J2ME的移動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在J2ME平臺上，以GPRS（通用分組無線服務技術(shù)）為信息傳輸通道，對患者監(jiān)測信息進行傳輸，實現(xiàn)對患者的移動監(jiān)測，但是該系統(tǒng)存在監(jiān)測精度低的問題。黃劍波等[11]設計了基于ZigBee網(wǎng)絡的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)絡、PC上位機和安卓客戶端三子系統(tǒng)組成，基于ZigBee網(wǎng)絡可實現(xiàn)實時對患者進行移動監(jiān)測，但是存在系統(tǒng)運行穩(wěn)定性差的問題。

針對上述問題的產(chǎn)生，本文提出并設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結(jié)果證明，采用改進的移動監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測精度及系統(tǒng)運行效率，均要優(yōu)于傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，具有一定的優(yōu)勢。

1 移動監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析

基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)主要采用主動監(jiān)測的方式，其系統(tǒng)框架見圖1。

基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)，是通過智能移動終端和參數(shù)收集節(jié)點間的藍牙通信、生理數(shù)據(jù)儲存和管理、智能移動終端和患者監(jiān)測點的通訊、用戶GPRS定位和實時地理位置監(jiān)測、患者參數(shù)收集等模塊設計與實現(xiàn)的。此系統(tǒng)的全部性能是經(jīng)過及時收集患者信息，把收集到的患者信息輸送給患者攜帶的移動終端上實行處理，經(jīng)過移動終端及時得到患者所處的地理位置信息，再經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡將患者信息和地理位置信息輸送至醫(yī)院患者監(jiān)測中心，醫(yī)護人員能同時得到患者信息及地理位置信息，便于醫(yī)護人員及時對患者實行監(jiān)測、分析及及時得到患者所處地。當在戶外運動時患者發(fā)病，系統(tǒng)會主動報警提醒家屬和醫(yī)生，讓救護人員快速到達現(xiàn)場進行救助，達到對患者全方位實時監(jiān)測的目的。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)框架

2 系統(tǒng)軟硬件設計

2.1 感知層設計

感知層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心層，主要用于采集患者的生理參數(shù)。感知層包括心電傳感器、脈搏傳感器、體溫傳感器、微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）處理器、藍牙模塊。主要負責患者信息的采集與終端識別，類似人類的皮膚和五官，通過傳感器技術(shù)感知患者信息，采集終端患者信息，執(zhí)行上層的指令，完成相應的工作，來實現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)的感知層搭建，感知層結(jié)構(gòu)圖，見圖2。

圖2 感知層結(jié)構(gòu)圖

由圖2可知，此模塊可以采集患者的心電、脈搏、體溫相關(guān)的的信息，以傳感器作為檢測裝置，感受被測量的信息，并將檢測和感受到的信息通過MCU處理器進行處理，直至此信息滿足傳輸、處理和存儲要求后，將其通過藍牙模塊傳輸至傳輸層。此模塊優(yōu)點如下：① 可主動采集患者信息，主動收集患者的信息，還提供信息處理引擎，依據(jù)數(shù)據(jù)集意義，把收集的信息進行對應處理；② 依據(jù)醫(yī)療業(yè)匯聚要求進行全面數(shù)據(jù)匯聚，可以患者為核心進行信息匯聚，反映出患者信息檔案視圖；③ 依據(jù)醫(yī)療信息監(jiān)測要求進行全局化分析，及時了解患者身體狀態(tài)和干擾患者康復的重點危險因素，再結(jié)合醫(yī)療知識，對醫(yī)療數(shù)據(jù)進行標記，為之后對患者的處理和救護提供及時的患者信息。

2.2 傳輸層設計

傳輸層可解決感知層所獲取的信息維持在一定范圍內(nèi)，通常是長距離傳輸，主要完成基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)中患者信息的接入、處理和傳輸功能，是進行患者信息交換、處理、傳遞的數(shù)據(jù)通路，包括藍牙模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、患者GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）定位模塊、GPRS模塊。傳輸層結(jié)構(gòu)圖，見圖3。

圖3 傳輸層結(jié)構(gòu)圖

由圖3可知，GPS定位部分主要是對患者進行準確的定位，實時對患者的地理位置信息進行捕捉，在發(fā)生突發(fā)事件時，可把定位信息及時送到患者監(jiān)測中心，為患者的及時救助提供依據(jù)支持；數(shù)據(jù)梳理部分，主要是對采集的心電數(shù)據(jù)、脈搏數(shù)據(jù)、體溫數(shù)據(jù)采用濾波算法進行濾波、提取心電數(shù)據(jù)、脈搏數(shù)據(jù)、體溫數(shù)據(jù)特征參數(shù)，獲取患者的基礎信息。

2.3 應用服務層設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)由PC端和移動智能終端組成，PC端主要用于接收及監(jiān)測從患者處采集的信息，移動智能終端主要用于醫(yī)護人員對患者情況進行監(jiān)測，便于操作。應用服務層結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 應用服務層結(jié)構(gòu)圖

由于患者信息的多樣且靈活多變，基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)為了能夠在不同的應用級別上滿足不同的醫(yī)療機構(gòu)及醫(yī)療信息，添加了中間件技術(shù)來實現(xiàn)。中間件為底層與上層間的患者信息傳遞提供了很好的交互平臺，實現(xiàn)各類患者信息資源之間的關(guān)聯(lián)、整合、協(xié)同等。所以，中間件需要滿足多種應用通用需求的API集合、跨平臺時的靈活性等需求。

2.4 用戶交互接口設計

用戶交互接口包括醫(yī)護員接口和患者接口兩個部分。醫(yī)護員接口為醫(yī)護員提供云端管理的接入點，提供用戶管理、權(quán)限管理、任務管理、資源管理等功能。其中用戶管理結(jié)構(gòu)對用戶進行管理和識別，并完成對用戶程序執(zhí)行環(huán)境、用戶使用信息等進行管理的性能；任務管理接口負責云端的用戶任務管理，對任務進行調(diào)度、監(jiān)測與統(tǒng)計；資源管理接口負責監(jiān)視患者的具體日常習慣，有無按照醫(yī)生要求作息等；安全管理接口主要負責系統(tǒng)可靠性的管理，如身份認證、訪問授權(quán)等，用戶交互接口結(jié)構(gòu)圖，見圖5。

圖5 用戶交互接口結(jié)構(gòu)圖

2.5 接入網(wǎng)關(guān)設計

接入網(wǎng)關(guān)在基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)中發(fā)揮著承上啟下的功能，是系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)患者移動監(jiān)測的關(guān)鍵。接入網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)圖，見圖6。

圖6 接入網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

由圖6可知，接入網(wǎng)關(guān)的基本即為微處理器模塊和本地存儲模塊，在結(jié)合Wi-Fi通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)通信模塊可以適應患者移動訊息的收集。假如想增加網(wǎng)關(guān)間的合作及對移動終端患者信息的實時監(jiān)測，要添加GPRS通信模塊；同時可添加藍牙通信模塊或射頻識別（RFID）讀寫模塊提高對移動終端患者信息的監(jiān)測；還可增加薄膜晶體管液晶顯示器件顯示模塊增強人機交互。

2.6 嵌入式微處理器設計

為了增加用戶對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能的多樣性需求，增加嵌入式微處理器模塊。嵌入式微處理器由通用計算機CPU演變而來，其體積小、成本低、性能好，尤其是ARM系列的微處理器具有速度高、能耗低等優(yōu)點。因此微處理器主要以ARM9處理器為核心的存儲處理部分。嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)圖，見圖7。

圖7 嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)圖

微處理器模塊是物聯(lián)網(wǎng)的控制核心。它主要通過數(shù)據(jù)總線和地址總線與本地存儲器模塊連接，于存儲控制程序和病人信息；微處理器模塊經(jīng)過三路通用異步收發(fā)傳輸器（UART）接口和物聯(lián)網(wǎng)通信模塊、RFID讀寫模塊及藍牙通信模塊進行連接，對物聯(lián)網(wǎng)通信模塊和物聯(lián)網(wǎng)通信節(jié)點進行控制，操縱RFID讀寫模塊對RFID標簽的讀寫，控制藍牙通信模塊；微處理器模塊經(jīng)過兩路USB接口和3G通信模塊、Wi-Fi模塊連接，3G通信模塊和物聯(lián)網(wǎng)連接；在經(jīng)過LCD控制器與液晶顯示模塊相連，實現(xiàn)患者信息的顯示。

3 實驗結(jié)果分析

為了驗證改進系統(tǒng)在患者移動監(jiān)測方面的有效性及可行性，需要進行實驗對比分析。實驗采用Android 2.3版本系統(tǒng)，AP采用TP-LINK公司生產(chǎn)的TL-WN821N，符合IEEE 802.11n標準協(xié)議，在Linux內(nèi)核為2.6.32的操作系統(tǒng)上進行測試，結(jié)果見圖8。

圖8 不同系統(tǒng)的監(jiān)測連續(xù)性對比圖

從中可以看出在沒有歷史患者信息時，采用傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)時，其連續(xù)監(jiān)測帶間一直高于正常監(jiān)測帶間，且其波動幅度較大；采用改進的監(jiān)測系統(tǒng)時，雖然一直高于正常監(jiān)測帶間，但其相比傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)更加接近正常監(jiān)測帶間，具有一定的優(yōu)勢。

另一方面，為了進一步驗證改進監(jiān)測系統(tǒng)的有效性，以監(jiān)測系統(tǒng)的吞吐量為標準，以正常監(jiān)測值為基準，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)與改進監(jiān)測系統(tǒng)為對比，進行實驗分析，結(jié)果見圖9。

圖9 不同系統(tǒng)的吞吐量對比圖

由圖9可以看出，采用傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)時，其丟包率較高，使得其吞吐量增加，與正常監(jiān)測值相差較大；采用改進的監(jiān)測系統(tǒng)時，其丟包率較低，吞吐量與正常監(jiān)測值接近，相比傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢。這主要是因為在患者信息采集模塊中增加了物聯(lián)網(wǎng)通信。

在醫(yī)院選取60例患者的數(shù)據(jù)進行對比分析。其中，33例患者是下肢靜脈血栓、21例患者是腦卒中、6例患者是糖尿病并發(fā)癥?；颊吣挲g在35～65歲。在上述病例中，所有患者都有進行移動監(jiān)測的醫(yī)療需求。

針對60例患者進行患者移動監(jiān)測系統(tǒng)應用，將所有的患者分為兩組，其中一組是早期用傳統(tǒng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測的。其中包含17例下肢靜脈血栓患者、11例腦卒中患者和2例糖尿病并發(fā)癥患者；另一組是用最新設計的基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，其中包含16例下肢靜脈血栓患者、10例腦卒中患者以及4例糖尿病并發(fā)癥患者，均實時采集了患者的身體各項指標數(shù)據(jù)，為患者的診療提供了數(shù)據(jù)基礎。

結(jié)果，用傳統(tǒng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，其中1例患者因未能及時將血栓相關(guān)指標及時傳遞到控制端，造成二次血栓搶救延誤。用基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測的病例中，所有患者均沒有因為監(jiān)測數(shù)據(jù)造成診斷不及時，滿足了移動醫(yī)療的發(fā)展需求。

4 結(jié)論

本研究針對傳統(tǒng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)一直存在監(jiān)測帶間大、吞吐量低、效率差的問題，提出并設計了基于物聯(lián)網(wǎng)的患者移動監(jiān)測系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由患者生理參數(shù)采集節(jié)點（感知層）、智能移動終端（傳輸層）、醫(yī)院健康監(jiān)測中心（應用服務層）3個子系統(tǒng)組成。首先給出了患者移動監(jiān)測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)；其次，對患者生理參數(shù)采集節(jié)點、智能移動終端、醫(yī)院健康監(jiān)測中心3個子系統(tǒng)進行詳細的分析，給出了3個子系統(tǒng)連接所需的用戶交互接口模塊及其接入網(wǎng)關(guān)和微處理器結(jié)構(gòu)；最后，設計了患者移動監(jiān)測系統(tǒng)的軟件。實驗結(jié)果證明，采用改進的監(jiān)測系統(tǒng)，其監(jiān)測帶間、吞吐量均要優(yōu)于傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)，具有一定的優(yōu)勢。

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本文編輯 王博潔

Design of Mobile Monitoring System Based on Internet of Things

CHEN Huang-yu, WANG Juan

Department of Information Management, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Region, Nanjing Jiangsu 210002, China

ObjectiveTo design a mobile monitoring system for patients based on the current medical needs of patients in the hospital mobile monitoring.MethodsMobile monitoring system was designed by the internet of things technology. The system mainly included the bluetooth communication module between the intelligent mobile terminal and parameter collection nodes, physiological data storage and management module, communication module between intelligent mobile terminals and patients monitoring point, GPRS positioning and real-time location monitoring module, patients parameter collection module, etc.ResultsApplication of this system realized the mobile real-time monitoring of the indicators in the patient's body.ConclusionThis system solved the problems of the traditional monitoring system in the process of patients monitoring, such as large interband transmissior, low throughput and low efficiency, which made mobile monitoring system play a bigger role.

mobile monitoring system; internet of things; bluetooth communication module; radio frequency identificationRFID; intelligent mobile terminal

TP277

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.031

1674-1633(2017)08-0116-04

2016-11-17

2016-12-23

作者郵箱：kjxn11@163.com