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)技術開發(fā)設計了智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)，在病床、醫(yī)療設備中內(nèi)嵌傳感器節(jié)點，在不觸及患者身體的情況下實時采集患者的心率、血氧飽和度、血壓、呼吸頻率、體溫、翻身次數(shù)、離床時間、藥物輸注時間和藥物輸注量等重要參數(shù)進行分析統(tǒng)計，實現(xiàn)對患者檢測、異常報警。該系統(tǒng)在醫(yī)療領域具有廣闊的應用前景。

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

0 引言

醫(yī)療監(jiān)控是醫(yī)生對患者進行診治的重要環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的對患者生理數(shù)據(jù)采集的醫(yī)療監(jiān)護設備可分為有線和無線兩大類。有線的醫(yī)療監(jiān)護設備往往因為需要線纜連接而使其體積龐大進而導致設備成本高，不便于攜帶。目前的大多數(shù)醫(yī)院仍然使用有線的醫(yī)用設備，醫(yī)務人員需要時刻在病人或者固定的醫(yī)用設備旁邊觀察病情，對重要的生命體征進行人工采集，不僅繁瑣而且工作量大，無法做到實時、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)技術越來越成熟，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的構建越來越受到關注。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)也使得患者生命體征的實時監(jiān)測成為可能。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術，設計出一款無線的醫(yī)療監(jiān)護設備，通過無線網(wǎng)把采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)護人員手中，方便監(jiān)護人員掌握病人的具體情況。即使監(jiān)護人員不在病房內(nèi)，也可以對出現(xiàn)異常的病人進行定位，以便醫(yī)療人員及時對病人進行救治。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)按照字面可理解為物物相連所組成的網(wǎng)絡，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)這個詞，國內(nèi)外普遍公認的是Ashton教授于1999年在研究RFID時最早提出，標志著物聯(lián)網(wǎng)技術的誕生[1]。2005年國際電信聯(lián)盟發(fā)布的報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、技術復雜、涉及面廣，融合了半導體、傳感器、通信技術、計算機等多種技術[2]。

本系統(tǒng)應用ZigBee技術來實現(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，并且把ZigBee內(nèi)嵌到醫(yī)用電氣設備中。其具有自組織多跳的機制，即使某一個傳輸路徑出錯，還可以通過其他路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(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)總體結構及主要功能

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

中央控制器負責對數(shù)據(jù)的運算和識別，由于手機和計算機都沒有采用ZigBee技術，因此使用WiFi模塊負責上位機與中央控制器的通信，進而實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡各節(jié)點與上位機終端的通信。系統(tǒng)的總體架構如圖1所示。

智能醫(yī)用監(jiān)控系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡、中央控制器、WiFi模塊和上位機軟件四個部分組成。其中無線傳感器網(wǎng)絡又由連接傳感器和醫(yī)用設備的各個ZigBee終端節(jié)點、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)用設備(如輸注泵、監(jiān)護儀等)安放在病床前。傳感器和終端醫(yī)用設備采集的數(shù)據(jù)由終端節(jié)點發(fā)送給中繼器，中繼器接收到終端節(jié)點發(fā)送過來的這些數(shù)據(jù)后發(fā)送給網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器負責調(diào)度整個無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)架構

2.2 系統(tǒng)硬件架構

系統(tǒng)的軟件分為兩大塊，底層單片機程序設計和上位機編程設計。對于單片機程序的編寫，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，可對數(shù)據(jù)包完整性進行檢查，支持鑒權和認證。其低功耗的特性使各終端設備無需經(jīng)常更換電池，方便對設備的管理和維護。其使用ZigBee技術傳輸數(shù)據(jù)，具有可移動的特性。

2.3 系統(tǒng)軟件架構

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。

習近平指出：“從嚴治黨有其自身規(guī)律，對我們這樣一個老黨大黨來說，從嚴治黨更有其自身規(guī)律。我們黨在長期實踐中，不斷總結和運用好自己正反兩方面經(jīng)驗，也積極借鑒國外執(zhí)政黨建設的經(jīng)驗教訓，深刻認識到了一些從嚴治黨規(guī)律，這些都要繼續(xù)運用好?！保?］28－29

W25Q128存儲芯片通過SPI接口與主控芯片連接，用于存儲系統(tǒng)所采集到的臨時數(shù)據(jù)方便上位機實時查詢，也可存儲用戶設置的如床位號對應的具體報警數(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、對比度和背光等，可與其他模塊通信，實現(xiàn)各硬件的管控，從而實現(xiàn)了人機交互界面的建立。

（1）Porter，Steers & Mowday（1974）開發(fā)出一份組織承諾量表OCQ。之后，他們對此份量表做了進一步的完善，將該量表改為15個測量項目，其中6個為反向題，用來測量組織承諾的三個維度：對組織目前和價值觀的強烈認同和接受；愿意為組織貢獻自己的力量；愿意保持組織成員身份的自豪感。該量表在應用之初受到了廣泛的關注，但是近年來卻遭到了許多學者的質(zhì)疑，原因主要是這個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間，Ii(m)、Qi(m)分別表示第i個總相干積分時間Tcoh內(nèi)短時積分結果進行FFT變換之后得到的實部和虛部，Tp=Tcoh/M，M表示相干積分分段數(shù)，L表示每一段短時相干積分時間內(nèi)的點數(shù)L=Tp/Ts，Ts表示采樣周期，Δf是本地信號與接收信號的頻差，R(τ)為L1OC信號的偽隨機碼和本地碼的互相關值，τ表示本地碼和接收信號的偽隨機碼的延遲。

3 各部分功能及構成

3.1 傳感器采集

2組患者術后1周和末次隨訪時Cobb角較術前均明顯改善，差異有統(tǒng)計學意義（P ＜ 0.05，表2）。術前和術后1周Cobb角2組間相比差異無統(tǒng)計學意義（P ＞ 0.05），末次隨訪時B組Cobb角顯著小于A組，差異有統(tǒng)計學意義（P ＜ 0.05，表2）。末次隨訪時，B組Cobb角丟失1.22°±0.34°，A組丟失5.62°±1.16°，差異有統(tǒng)計學意義（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)、離床時間和睡眠質(zhì)量等數(shù)據(jù)轉換為電信號，并且使用非接觸式采集，不額外添加接觸患者的設備；低功耗，無需經(jīng)常更換電池；通過無線的方式采集傳輸，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

3.2 醫(yī)用設備數(shù)據(jù)采集

上位機編程可細分為Windows計算機終端、Android終端和蘋果終端，三個平臺編程方法各有不同，Windows計算機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、程序向導AppWizard、類向導Class 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的可擴展開發(fā)平臺的Eclipse集成開發(fā)環(huán)境進行開發(fā)。蘋果終端編程采用Xcode集成開發(fā)環(huán)境，它具有統(tǒng)一的用戶界面設計，并且編碼、測試和調(diào)試都在一個簡單的窗口內(nèi)完成。

對醫(yī)用設備的數(shù)據(jù)采集，主要通過在醫(yī)用設備中內(nèi)嵌無線采集節(jié)點，把設備運行的一些例如監(jiān)護儀上的人體心電信號、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間、藥物輸注量和輸注速度等信息實時傳送給控制器，并且設備的歷史運行記錄可在需要的時候調(diào)取出來。

3.3 控制器

控制器作為整個系統(tǒng)硬件的心臟，負責各無線節(jié)點數(shù)據(jù)的運算整合、數(shù)據(jù)緩沖、接收和識別命令、地址識別等，還可用于各外圍電路信號交換的橋梁。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。

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

檢測單元主要包括固定式皮帶輸送帶、可旋轉皮帶輸送帶、滾子輸送帶、CCD檢測攝像頭及圖像處理電腦、搬運機器人以及電氣控制柜等部分(圖2)，可實現(xiàn)對托盤中的大、小工件進行CCD檢測的功能。

3.4 上位機軟件

上位機軟件能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控，監(jiān)控到整個監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的所有患者的信息；系統(tǒng)能為醫(yī)務人員提供患者實時的生命體征信息作為診斷參考；可為某一個患者設置某一特定的報警閾值，超過了系統(tǒng)自動提示報警；系統(tǒng)可在計算機、手機、平板電腦等不同終端上使用。

4 結論

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

[1] 劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導論[M].北京：科學出版社，2011.

[2] 杜軍朝，劉惠，劉傳益，等.ZigBee技術原理與實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(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].微型機與應用，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。