基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧病房設(shè)計與仿真

劉 帥，王亞奇

（河南城建學(xué)院 計算機(jī)與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，河南 平頂山 467036）

0 引 言

在當(dāng)前醫(yī)療模式下，住院患者若要得到較好的治療并盡早康復(fù)一定程度上與醫(yī)護(hù)人員能否及時查看患者的各種生理指標(biāo)并響應(yīng)患者的治療訴求有關(guān)。然而目前醫(yī)療護(hù)理人員對患者仍無法做到實(shí)時監(jiān)控和響應(yīng)，這既不利于患者的康復(fù)，也容易產(chǎn)生醫(yī)患糾紛?；诖耍疚奶岢鲆环N基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧病房系統(tǒng)，旨在解決當(dāng)前病房存在的痛點(diǎn)，消除信息孤島，提高病患的就醫(yī)體驗(yàn)，減少醫(yī)護(hù)人員的工作量[1]。同時，該系統(tǒng)利用傳感器采集病房內(nèi)的溫度、濕度、煙霧濃度、患者體溫、患者輸液情況等各類數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，不僅可以更為精準(zhǔn)地觀察患者的生理狀態(tài)，提升檢測實(shí)時性與精準(zhǔn)性，方便動態(tài)調(diào)整治療方案，也為未來醫(yī)療的大數(shù)據(jù)分析和共享奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2-3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文以患者為中心、病房為平臺，綜合考慮目前病房數(shù)據(jù)傳送的延時性和醫(yī)護(hù)工作量大的現(xiàn)實(shí)矛盾，對系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計，更加準(zhǔn)確地抓住痛點(diǎn)問題，專項(xiàng)處理現(xiàn)實(shí)弊端。如圖1 所示，本文將系統(tǒng)具體分成4 個模塊：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊：是整個系統(tǒng)信息分析的基礎(chǔ)來源。本文以傳感設(shè)備為采集主體，實(shí)時采集監(jiān)控病房環(huán)境和病患病理指標(biāo)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳遞給數(shù)據(jù)分析模塊，以達(dá)到對病患的精準(zhǔn)輔助治療。

數(shù)據(jù)傳送模塊：考慮到病房因采用固定有線傳輸而存在的線路密集混亂的弊端以及醫(yī)院對于整體環(huán)境干凈整潔的需求，根據(jù)病房構(gòu)建特性，本文在數(shù)據(jù)傳輸模塊使用ZigBee設(shè)備[4-5]作為紐帶來完成數(shù)據(jù)采集匯總和信息轉(zhuǎn)發(fā)控制。由于一臺ZigBee 設(shè)備可管理255 臺數(shù)據(jù)采集設(shè)備，因此每個病房僅須安裝一臺FFD 設(shè)備即可滿足監(jiān)控需要；由于FFD設(shè)備具備星型、樹型、網(wǎng)型組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以可為病房區(qū)建設(shè)安全、高效的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性、可靠性。

數(shù)據(jù)分析模塊：將實(shí)時數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)中心集中處理，通過數(shù)據(jù)分析算法判別病房環(huán)境和病患情況，根據(jù)分類模型給出治療建議，便于醫(yī)生及時監(jiān)管病患病理指標(biāo)，對異常指標(biāo)達(dá)到早發(fā)現(xiàn)、早干預(yù)、早治療的效果。

數(shù)據(jù)顯示模塊：將病房采集的數(shù)據(jù)通過云平臺顯示在護(hù)士站工作臺終端設(shè)備和走廊顯示屏，多屏顯示動態(tài)更新的變化趨勢，方便醫(yī)生更直觀地觀察到病人身體狀況和實(shí)時需求變化，追蹤病人康復(fù)情況，打造高質(zhì)量就醫(yī)環(huán)境。

2 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計分為3 層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層負(fù)責(zé)實(shí)時采集監(jiān)控病房環(huán)境和病患病理指標(biāo)。針對病房環(huán)境和病人需求，感知模塊檢測內(nèi)容有：病房環(huán)境溫濕度信息、煙霧濃度、光照強(qiáng)度、患者體溫、輸液完成與否、是否呼叫醫(yī)生；使用的傳感器有：溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧濃度傳感器、光照檢測器；同時還設(shè)計了輸液報警器、呼叫按鍵等。網(wǎng)絡(luò)層使用無線傳感網(wǎng)技術(shù)ZigBee 對終端傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行匯合，采用去中心化的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是一種自組織多跳網(wǎng)絡(luò)，擁有較強(qiáng)的自愈能力，十分適用于病房這個短距離多功能多模塊連接的復(fù)雜環(huán)境中。經(jīng)路由節(jié)點(diǎn)信息匯合后，將病房環(huán)境數(shù)據(jù)和病患病理指標(biāo)發(fā)送至本病房的協(xié)調(diào)器中，由協(xié)調(diào)器完成網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，對外傳送本病房數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)中心集中處理。

以單個病房為最小單位，每個病房配備各式傳感器、路由節(jié)點(diǎn)和一個協(xié)調(diào)器。由路由節(jié)點(diǎn)匯集來自終端傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，向上傳遞至病房協(xié)調(diào)器中，ZigBee 協(xié)調(diào)器將采集到的病房數(shù)據(jù)進(jìn)行整合打包，將數(shù)據(jù)向上匯集至網(wǎng)絡(luò)中心處理。以1 個協(xié)調(diào)器ZC、10 個路由節(jié)點(diǎn)ZR、15 個終端傳感節(jié)點(diǎn)ZED 為例，系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖2 所示。

圖2 病房拓?fù)鋱D

3 軟件設(shè)計

在硬件信息采集完成的基礎(chǔ)上，通過軟件設(shè)計進(jìn)行數(shù)據(jù)加工顯示。軟件設(shè)計有數(shù)據(jù)分析模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊。設(shè)備終端無線通信模塊在EDP 協(xié)議的功能下將數(shù)據(jù)上傳到OneNET 云平臺，實(shí)現(xiàn)病房設(shè)備和OneNET 云平臺之間的連接；連接完成后系統(tǒng)開始讀取所傳遞的煙霧濃度、人體溫度、環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)，由OneNET 云平臺將采集到的病房環(huán)境數(shù)據(jù)和患者身體數(shù)據(jù)分類保存、實(shí)時更新，并通過數(shù)據(jù)分析算法判別病房環(huán)境和病患情況，構(gòu)造分類模型，方便醫(yī)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、及時監(jiān)管和治療。

數(shù)據(jù)顯示模塊創(chuàng)設(shè)護(hù)士站工作臺前端頁面，通過云平臺將病房信息同步發(fā)送更新至護(hù)士站工作臺設(shè)備，方便醫(yī)護(hù)人員可以在護(hù)士站工作臺設(shè)備上查看各個病房環(huán)境和病人身體的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化；云平臺實(shí)時更新檢測數(shù)據(jù)，可以通過歷史數(shù)據(jù)觀察各項(xiàng)特征參數(shù)的變化趨勢，判斷患者的生理狀況和恢復(fù)情況，摒棄了冗雜的手工抄錄核對和在不同病房中的不斷往返，提高了臨床護(hù)理工作效率。同時，在走廊上額外增置一個液晶顯示屏，與護(hù)士站工作臺同步接收OneNET 云平臺傳遞的數(shù)據(jù)異常報警、病人呼叫信息，并按照接收到信息的時間順序在液晶顯示屏上排列顯示，此功能可以有效避免醫(yī)生和護(hù)士因未及時看到彈出的患者異常報警或呼叫信息而錯過最佳診治時間。

4 系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證上述設(shè)計的可靠性，下面模擬病房環(huán)境進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。按照上述設(shè)計與安排，智慧病房仿真采用STC12 芯片中的STC12C5A60S2 芯片作為主控芯片，LCD1602 液晶顯示屏模擬走廊顯示屏，ESP8266 作為網(wǎng)絡(luò)模塊與WiFi 相連；檢測傳感器有YW03 非接觸液位傳感器、DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、DHT11 傳感器、MQ-2 煙霧濃度檢測傳感器；呼叫報警模塊包括蜂鳴器、LED 燈、電容觸摸按鍵[6]；同時，使用OneNET 云平臺實(shí)現(xiàn)與設(shè)備和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和展示。實(shí)驗(yàn)流程見表1 所列。

表1 實(shí)驗(yàn)流程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)行了4 次實(shí)驗(yàn)。以實(shí)驗(yàn)1 為例，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 仿真結(jié)果

通過對系統(tǒng)進(jìn)行仿真測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計要求。智慧病房的建設(shè)，結(jié)合了各種管理系統(tǒng)和數(shù)字化終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)護(hù)人員與患者之間更為便捷的溝通，數(shù)據(jù)檢測更加準(zhǔn)確真實(shí)，病人可感知可操作，提高了病人住院的體驗(yàn)感和舒適感，幫助病人盡快恢復(fù)。同時，為醫(yī)生提供了可視化界面，方便對整個科室病房進(jìn)行統(tǒng)一高效管理；異常情況報警呼叫功能完備，適用于醫(yī)院多方面的需求。經(jīng)過仿真測試，系統(tǒng)表現(xiàn)良好，實(shí)現(xiàn)了設(shè)定的功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，并為接下來的深入研究提供了技術(shù)保障。

5 結(jié) 語

本文的智慧病房設(shè)計，借助網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、云平臺實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測、顯示和同步更新，護(hù)士站工作臺顯示界面和走廊液晶顯示屏能直觀反映患者情況和呼叫需求，極大地提高了患者就醫(yī)和醫(yī)生監(jiān)管效率。該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離對病房環(huán)境和病人信息的實(shí)時監(jiān)控，減少醫(yī)護(hù)人員往返病房的次數(shù)，及時反饋患者需求，為患者提供安靜的康復(fù)環(huán)境，減少醫(yī)患糾紛，打造高舒適度、高效率的新型病房環(huán)境。但本文中檢測數(shù)據(jù)較為普遍，缺乏針對性，接下來的研究將針對?？迫巳哼M(jìn)行分類設(shè)計，如母嬰病房設(shè)置嬰兒防盜，心臟科室的心電監(jiān)護(hù)，呼吸科的血氧監(jiān)測，重癥病房的脈搏、心率、血壓監(jiān)控等，提高智慧病房系統(tǒng)的專業(yè)適用性，為患者提供便捷、舒適、安全、優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)[7-10]。