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基於物聯網的患者移動監測系統的設計

來源 : 中國醫療設備 2017年第8期
update : 2017/10/05
引言
 
在移動互聯網技術的基礎上發展起來的移動醫療,給醫療衛生業帶來了新的發展機遇。讓醫生、患者、診斷資料有了新的結合方法。隨著電腦網路技術的發展,出現了移動監測,相對于傳統的醫院內病床旁監測來說,醫生對患者的監測標準更為統一。移動監測系統的出現,給醫療機構、患者和設備供應商帶來了巨大變化,改變了傳統的醫療模式。設計患者移動監測系統,能夠為構建便捷、人性、智慧化的醫療模式提供可靠的理論依據,成為該領域亟待解決的問題,受到了廣大學者的關注,也設計了很多移動監測系統。
 
曹恩國等設計了基於ARM-Linux的移動監測系統,此監測系統採用嵌入式微控制器PXA270為硬體核心,以TCP(傳輸控制協定)和Modbus(網路通訊協定)協定為軟體程式設計實現患者移動監測。但該系統存在監測資料不全,運行效率低的問題。孫振邦等設計了基於J2ME的移動監測系統,該系統在J2ME平臺上,以GPRS(通用分組無線服務技術)為資訊傳輸通道,對患者監測資訊進行傳輸,實現對患者的移動監測,但是該系統存在監測精度低的問題。黃劍波等設計了基於ZigBee網路的患者移動監測系統,該系統主要由ZigBee網路、PC上位機和安卓客戶端三子系統組成,基於ZigBee網路可實現即時對患者進行移動監測,但是存在系統運行穩定性差的問題。
 
針對上述問題的產生,本文提出並設計了基於物聯網的患者移動監測系統。實驗結果證明,採用改進的移動監測系統,監測精度及系統運行效率,均要優於傳統的監測系統,具有一定的優勢。
 
1 移動監測系統整體結構分析
 
基於物聯網的患者移動監測系統主要採用主動監測的方式,其系統框架見圖1。


 
基於物聯網的患者移動監測系統的實現技術,是通過智慧移動終端和參數收集節點間的藍牙通信、生理資料儲存和管理、智慧移動終端和患者監測點的通訊、使用者GPRS定位和即時地理位置監測、患者參數收集等模組設計與實現的。此系統的全部性能是經過及時收集患者資訊,把收集到的患者資訊輸送給患者攜帶的移動終端上實行處理,經過移動終端及時得到患者所處的地理位置資訊,再經過GPRS網路將患者資訊和地理位置資訊輸送至醫院患者監測中心,醫護人員能同時得到患者資訊及地理位置信息,便於醫護人員及時對患者實行監測、分析及及時得到患者所處地。當在戶外運動時患者發病,系統會主動報警提醒家屬和醫生,讓救護人員快速到達現場進行救助,達到對患者全方位即時監測的目的。
 
2 系統軟硬體設計
 
2.1 感知層設計
 
感知層是實現物聯網全面感知的核心層,主要用於采集患者的生理參數。感知層包括心電感測器、脈搏感測器、體溫感測器、微控制單元(Microcontroller Unit,MCU)處理器、藍牙模組。主要負責患者資訊的採集與終端識別,類似人類的皮膚和五官,通過感測器技術感知患者資訊,採集終端患者資訊,執行上層的指令,完成相應的工作,來實現基於物聯網的患者移動監測系統的感知層搭建,感知層結構圖,見圖2。


 
由圖2可知,此模組可以採集患者的心電、脈搏、體溫相關的的資訊,以感測器作為檢測裝置,感受被測量的資訊,並將檢測和感受到的資訊通過MCU處理器進行處理,直至此資訊滿足傳輸、處理和存儲要求後,將其通過藍牙模組傳輸至傳輸層。此模組優點如下:①可主動採集患者資訊,主動收集患者的資訊,還提供資訊處理引擎,依據資料集意義,把收集的資訊進行對應處理;②依據醫療業彙聚要求進行全面資料彙聚,可以患者為核心進行資訊匯聚,反映出患者資訊檔案視圖;③依據醫療資訊監測要求進行全域化分析,及時瞭解患者身體狀態和干擾患者康復的重點危險因素,再結合醫療知識,對醫療資料進行
記,為之後對患者的處理和救護提供及時的患者資訊。
 
2.2 傳輸層設計
 
傳輸層可解決感知層所獲取的資訊維持在一定範圍內,通常是長距離傳輸,主要完成基於物聯網的患者移動監測系統中患者資訊的接入、處理和傳輸功能,是進行患者信息交換、處理、傳遞的資料通路,包括藍牙模組、資料處理模組、患者GPS(全球衛星定位系統)定位模組、GPRS模組。傳輸層結構圖,見圖3。
 


由圖3可知,GPS定位部分主要是對患者進行準確的定位,即時對患者的地理位置資訊進行捕捉,在發生突發事件時,可把定位資訊及時送到患者監測中心,為患者的及時救助提供依據支援;資料梳理部分,主要是對採集的心電資料、脈搏資料、體溫資料採用濾波演算法進行濾波、提取心電資料、脈搏資料、體溫資料特徵參數,獲取患者的基礎資訊。
 
2.3 應用服務層設計
 
基於物聯網的患者移動監測系統由PC端和移動智慧終端組成,PC端主要用於接收及監測從患者處採集的資訊,移動智慧終端機主要用於醫護人員對患者情況進行監測,便於操作。應用服務層結構,見圖4。
 


由於患者資訊的多樣且靈活多變,基於物聯網的患者移動監測系統為了能夠在不同的應用級別上滿足不同的醫療機構及醫療資訊,添加了中介軟體技術來實現。中介軟體為底層與上層間的患者資訊傳遞提供了很好的交互平臺,實現各類患者資訊資源之間的關聯、整合、協同等。所以,中介軟體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 使用者交互介面設計
 
使用者交互介面包括醫護員介面和患者介面兩個部分。醫護員介面為醫護員提供雲端管理的接入點,提供用戶管理、許可權管理、任務管理、資源管理等功能。其中使用者管理結構對使用者進行管理和識別,並完成對使用者程式執行環境、使用者使用資訊等進行管理的性能;任務管理介面負責雲端的使用者任務管理,對任務進行調度、監測與統計;資源管理介面負責監視患者的具體日常習慣,有無按照醫生要求作息等;安全管理介面主要負責系統可靠性的管理,如身份認證、訪問授權等,使用者交互介面結構圖,見圖5。


 
2.5 接入閘道設計
 
接入閘道在基於物聯網的患者移動監測系統中發揮著承上啟下的功能,是系統能夠實現患者移動監測的關鍵。接入閘道的結構圖,見圖6。


 
由圖6可知,接入閘道的基本即為微處理器模組和本地存儲模組,在結合Wi-Fi通信模組、物聯網通信模組可以適應患者移動訊息的收集。假如想增加閘道間的合作及對移動終端患者資訊的即時監測,要添加GPRS通信模組;同時可添加藍牙通信模組或射頻識別(RFID)讀寫模組提高對移動終端患者資訊的監測;還可增加薄膜電晶體液晶顯示器件顯示模組增強人機交互。
 
2.6 嵌入式微處理器設計
 
為了增加用戶對物聯網閘道功能的多樣性需求,增加嵌入式微處理器模組。嵌入式微處理器由通用電腦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。嵌入式微處理器結構圖,見圖7。


 
微處理器模組是物聯網的控制核心。它主要通過資料匯流排和位址匯流排與本機存放區器模組連接,於存儲控制程式和病人資訊;微處理器模組經過三路通用非同步收發傳輸器(UART)介面和物聯網通信模組、RFID讀寫模組及藍牙通信模組進行連接,對物聯網通信模組和物聯網通信節點進行控制,操縱RFID讀寫模組對RFID標籤的讀寫,控制藍牙通信模組;微處理器模組經過兩路USB介面和3G通信模組、Wi-Fi模組連接,3G通信模組和物聯網連接;在經過LCD控制器與液晶顯示模組相連,實現患者資訊的顯示。
 
3 實驗結果分析

 
為了驗證改進系統在患者移動監測方面的有效性及可行性,需要進行實驗對比分析。實驗採用Android 2.3版本系統,AP採用TP-LINK公司生產的TL-WN821N,符合IEEE 802.11n標準協議,在Linux內核為2.6.32的操作系統上進行測試,結果見圖8。


 
從中可以看出在沒有歷史患者資訊時,採用傳統的監測系統時,其連續監測帶間一直高於正常監測帶間,且其波動幅度較大;採用改進的監測系統時,雖然一直高於正常監測帶間,但其相比傳統的監測系統更加接近正常監測帶間,具有一定的優勢。
 
另一方面,為了進一步驗證改進監測系統的有效性,以監測系統的輸送量為標準,以正常監測值為基準,傳統監測系統與改進監測系統為對比,進行實驗分析,結果見圖9。


 
由圖9可以看出,採用傳統的監測系統時,其丟包率較高,使得其輸送量增加,與正常監測值相差較大;採用改進的監測系統時,其丟包率較低,輸送量與正常監測值接近,相比傳統的監測系統具有一定的優勢。這主要是因為在患者資訊採集模組中增加了物聯網通信。
 
在醫院選取60例患者的資料進行對比分析。其中,33例患者是下肢靜脈血栓、21例患者是腦卒中、6例患者是糖尿病併發症。患者年齡在35~65歲。在上述病例中,所有患者都有進行移動監測的醫療需求。
 
針對60例患者進行患者移動監測系統應用,將所有的患者分為兩組,其中一組是早期用傳統的患者移動監測系統進行監測的。其中包含17例下肢靜脈血栓患者、11例腦卒中患者和2例糖尿病併發症患者;另一組是用最新設計的基於物聯網的患者移動監測系統進行監測,其中包含16例下肢靜脈血栓患者、10例腦卒中患者以及4例糖尿病併發症患者,均即時採集了患者的身體各項指標資料,為患者的診療提供了資料基礎。
 
結果,用傳統的患者移動監測系統進行監測,其中1例患者因未能及時將血栓相關指標及時傳遞到控制端,造成二次血栓搶救延誤。用基於物聯網的患者移動監測系統進行監測的病例中,所有患者均沒有因為監測資料造成診斷不及時,滿足了移動醫療的發展需求。
 
4 結論
 
本研究針對傳統的患者移動監測系統一直存在監測帶間大、輸送量低、效率差的問題,提出並設計了基於物聯網的患者移動監測系統。此系統主要由患者生理參數採集節點(感知層)、智慧移動終端(傳輸層)、醫院健康監測中心(應用服務層)3個子系統組成。首先給出了患者移動監測系統的整體結構;其次,對患者生理參數採集節點、智慧移動終端、醫院健康監測中心3個子系統進行詳細的分析,給出了3個子系統連接所需的使用者交互介面模組及其接入閘道和微處理器結構;最後,設計了患者移動監測系統的軟體。實驗結果證明,採用改進的監測系統,其監測帶間、輸送量均要優於傳統的監測系統,具有一定的優勢。