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

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(wú)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(wú)法做到實(shí)時(shí)、不間斷地采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越成熟，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建越來(lái)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(cè)成為可能。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款無(wú)線的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備，通過(guò)無(wú)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?jī)?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(guó)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(guó)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(guó)”，物聯(lián)網(wǎng)被列為國(guó)家五大新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一引來(lái)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(lái)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(guò)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

智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)由無(wú)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(wú)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(guò)來(lái)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。

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(méi)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。

2.2系統(tǒng)硬件架構(gòu)

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。

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(wú)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。

W25Q128存儲(chǔ)芯片通過(guò)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)。

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

2.3系統(tǒng)軟件架構(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(yǔ)言編寫串口、IIC、SPI等程序與各外圍電路進(jìn)行信息的交互。

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(kāi)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(kāi)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(kāi)放源代碼、基于Java的可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)平臺(tái)的Eclipse集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)。蘋果終端編程采用Xcode集成開(kāi)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(cè)試和調(diào)試都在一個(gè)簡(jiǎn)單的窗口內(nèi)完成。

3各部分功能及構(gòu)成

3.1傳感器采集

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(wú)需經(jīng)常更換電池；通過(guò)無(wú)線的方式采集傳輸，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2醫(yī)用設(shè)備數(shù)據(jù)采集

對(duì)醫(yī)用設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，主要通過(guò)在醫(yī)用設(shè)備中內(nèi)嵌無(wú)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(lái)。

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(wú)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(guò)無(wú)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。

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(guò)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(wú)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(guó)內(nèi)大多數(shù)醫(yī)院無(wú)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。

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