基于物聯網的社區醫院心血管患者遠程監護管理系統設計與實現

羅世亮　藍立新　劉漢明　章銀娥　張艷

摘 要：隨著物聯網技術的發展，社區醫療與家庭遠程監護管理的結合成為當前的一個研究熱點。采用物聯網技術，結合智能軟件，設計社區醫院心血管患者的遠程監護管理信息系統，實現對病人的智能化定位、監控和管理，給社區居民的醫療和監護提供方便。運用遠程監護管理信息系統，社區醫院能夠對心血管患者進行遠程實時監護，提高生活質量，節約患者住院的費用。系統具有抗干擾能力強，功耗低的優點，具有較好的應用價值。本系統的應用實踐結果表明，系統穩定，系統在社區醫院遠程監護管理方面的應用與發展前景廣闊。

關鍵詞：物聯網技術；遠程監護；心血管患者；社區醫院；系統設計

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

由于我國人口數量多，經濟飛速發展的同時帶來了環境的不斷惡化，導致心血管疾病患者的數量不斷增多，心血管疾病的防治狀況令人擔憂，使相關醫療保障面臨著巨大的挑戰。國家衛生部有關報道報告《中國心血管病報告2013》說明：因為心血管危險因素和人口老齡化的流行，因此未來心血管疾病在我們國家將呈快速增長的態勢[1]。生命與健康已經成為全世界人們公共關心的重要話題[2]。因為心血管疾病是產生疾病或者傷害的重要因素之一，于是人們認為心血管疾病已經悄然變成傷害人類健康和生命的主要疾病[3]。當前人們越來越重視心血管疾病問題的研究。考慮到心血管疾病的主要特點為具有突發性和危險性，因此對心血管疾病患者進行日常的管理和監測就顯得比較重要[4-6]。然而由于經濟能力的欠缺，大多數老年心血管疾病患者無法得到有效的監護與護理[7]。人們對于醫療保健資源需求的不斷增加與醫療衛生資源的短缺兩者之間的矛盾逐漸顯現出來，并且呈現出不斷的激化的趨勢[8]。

由于我國人口老齡化的趨勢日益嚴重，導致我國醫療資源呈現出短缺的現象比較嚴重，心血管疾病患者顯得尤為突出，因為需要對患者進行長時間的醫療監護[9-11]。由于傳統的醫療模式，很難達到這種醫療需求[12-14]。為了解決該問題，當前我們正在考慮設計一種新型的社區醫療方案，目標是完成對心血管疾病患者進行長期醫療監控。其最終目標是到達將社區醫院的功能延伸至家庭護理。所以說該新型的醫療方案為我們提出了一種比較理想的解決方法，因為它不但使心血管疾病患者可以在家庭接受醫生專業的醫療監測，這樣滿足了患者的醫療需求，而且還可以較好的緩解醫護人員的工作負荷，是對我國現有醫療模式的有利補充。因此我們研究將物聯網技術與心血管患者的遠程信息化監控技術進行有效的結合，我們的目標是完成對心血管患者的遠程信息化監控管理的智能化。優點：可以降低心血管疾病患者的發病率，可以改善人們的生活質量，降低醫療開支[15，16]。于是我們全面考慮心血管疾病患者的需求，研究遠程監測信息管理系統，最終目標是實現對社區心血管疾病患者的日常醫療監護工作。遠程監護管理信息系統利用無所不在的無線網絡，可以更好地采集遠程疾病患者的生理參數數據，并且傳輸到監護中心，醫生可以觀察并且診斷患者的健康狀況，并且及時提供醫療服務和診斷意見。

2 遠程心血管疾病監護管理系統架構設計（Design of the remote cardiovascular disease monitoring and management system）

為了適應新時期醫療服務信息化和家庭化的新型醫療需求，心血管疾病監護管理系統可以借助于采集人體的各種生理參數信息，分析參數信息，從而監測患者的健康狀況。要求心血管疾病監護管理系統可以進行海量數據的傳輸，能夠有效管理數據，將數據友好的顯示給醫生。

遠程心血管疾病監護管理系統總體架構主要包括幾部分：管理數據庫、中央服務器、數據傳輸設備、遠程服務終端。

中央服務器：整個系統的信息，主要包含醫生基本信息、患者信息、社區信息等都存儲于中央服務器。因此要求中央服務器的存儲容量一般情況下比較大。

管理數據庫：中央服務器接收到發送過來的數據以后，通過管理數據庫對數據進行解析，然后存放在對應的目錄下面，最后將更新的數據傳送至系統數據庫，更新系統數據庫。

數據傳輸設備：實時采集心血管疾病患者的主要生理參數，比如，血壓、脈搏等等，繪制相應的波形圖；然后將繪制的波形圖傳輸給社區的數據庫系統。

遠程終端設備：醫護人員利用工作站，可以觀察心血管疾病患者的監測信息，分析數據、診斷患者的病情，于是可以對心血管患者提出建議；心血管疾病患者可以查看留言信息與自己的身體報告信息，滿足多種用戶的不同需求。

遠程心血管疾病監護管理系統的數據傳輸過程大致有以下幾個步驟：（1）監護設備采集患者的生理信息參數，接著處理這些生理信息參數，并且將處理后的生理信息參數通過Socket方式實時傳輸給服務器；（2）服務器處理數據，并且將處理的結果保存起來；（3）醫生借助于客戶端軟件，可以從服務器下載患者的數據文件，然后再進行解析，最后提交分析報告和診斷結論信息，從而完成對患者的監護；（4）患者借助于客戶端軟件，可以查看醫生提交的診斷結論和提出的建議，同時還可以對醫生留言。

Socket通信方式：Socket又叫套接字，主要用來建立兩個進程之間的通信連接，完成數據的傳輸；通信雙方的任意一端，均可以用一個三元組描述：傳輸層的協議，主機的IP地址和端口號。Socket可以認為是一種表述網絡環境中兩個進程之間互相通信的描述符，我們可以借助于Socket完成兩個進程之間的數據交互。當通信雙方采取Socket方式進行通信時，通信連接的發送端與接收端就是通信進程各自主機的Socket。（1）兩個進程之間可以通過Socket建立通信連接，當通信連接完成以后，發送端的進程可以利用Socket向接收端的進程發送數據，于是接收端進程通過Socket完成數據的接收。（2）應用程序建立自己的Socket。一般情況下主要包括四個步驟：創建套接字、建立通信連接、發送或接收數據以及關閉連接。

傳感器監測節點的功能是負責測試心血管疾病患者的身體健康狀況，采集患者的生理參數。傳感器監測節點有多種類型，主要有血壓傳感器、心率傳感器和溫度傳感器等。節點的供電電源選用要求能夠持續供電一段較長的時間。

物聯網監測裝備，目標是保障采集的數據信息的可靠性與有效性，該模塊主要有心率脈搏傳感器、血壓傳感器、溫度傳感器。

微處理器模塊建議選擇ATmegal28，ATmegal28處理器的優點主要有：性能較好、可移植性較強以及功耗較低的特點。ATmegal28L專門為解決低功耗問題設計的軟件結構。由于中斷能力比較好，可以減少系統查詢的次數，可以高效地設計出具有中斷程序結構的控制程序。

無線醫療裝備的特點包括小型化、可方便攜帶。于是我們考慮通過電池供電的方法解決。根據低功耗的原則設計監測節點，可以增加傳感器監測節點的使用壽命。

3 服務器功能的設計與實現（Design and implementation of server）

服務器的功能主要包括：接收監護設備上傳的心血管疾病患者的生理參數信息，并且保存在服務器的磁盤里，接收到新數據后將更新信息傳輸給服務器；服務器接收數據的功能與監護設備數據傳輸功能是緊密相連的，它們之間的通信方式為Socket通信方式。

本系統監護設備上傳部分將采用客戶/服務器方式工作，監護設備進行數據發送，服務器接收數據。

首先，服務器開啟監聽某端口，服務器等待客戶終端的請求，客戶終端可以通過Socket地址向服務器發出連接請求，當服務器接收到客戶請求，做出響應以后，于是該通信連接就建立起來，隨后客戶終端和服務器之間就可以進行數據的交互；最后客戶終端可以關閉連接，隨后通信連接斷開。我們可以看出，客戶端屬于主動狀態，可以主動發出請求服務器的請求服務；服務器屬于被動狀態，被動接受請求，并且提供服務。服務器數據傳輸過程如圖1所示。

由于監護設備的微處理器的運算能力有限，于是我們需要對監護設備的發送程序和服務器的接收數據程序要求盡可能的簡單，減少運行時的資源開銷，這對于服務器的性能提高會有較大的幫助。

Visual Basic的優點：可以輕松的使用DAO、ADO連接數據庫，可以輕松的創建Active X控件；程序員可以輕松的使用組件建立應用程序。因此我們選擇Visual Basic 2008作為設計工具。由于Winsock控件對于用戶來說是透明的，用戶只需調用它的一些特定的方法，就能使本地主機與遠程主機之間建立Socket連接，達到雙向數據傳輸的目的，從而保證我們可以方便地訪問網絡服務。監護設備數據傳輸程序流程圖如圖2所示。

為了提高系統運行的穩定性，我們將社區服務器與中央服務器分開分別進行不同的設計，中央服務器的主要功能是負責處理客戶端的更新或者查詢操作；社區服務器主要負責數據交互、數據存儲、數據管理。為了提高硬件資源的使用效率，我們可以考慮將多個社區共用同一個社區服務器。系統數據庫主要負責存儲心血管疾病患者數據參數、監護設備數據、醫生基本數據等信息。我們考慮將系統數據庫放置于中央服務器中。

用戶主要包括五種類型，分別為醫生、病人、醫院管理人員、中央管理人員、社區管理人員。醫生主要負責對病人進行監護，也可以向病人提供咨詢服務。醫院管理人員主要負責給醫護人員分配賬號，在醫生和病人之間的建立起相應關系，對醫院基本信息進行管理與維護。中央管理人員能夠建新社區和管理員。社區管理人員的功能包括給病人分配賬號、給病人分配醫療設備等，用戶之間的關系如圖3所示。

我們設計關系數據庫的實體主要有病人、中央管理員、病人文件、社區管理員、醫院管理員、醫生、醫院、監護設備等。

4 物聯網遠程監護系統網絡結構（Network structure of the remote monitoring system for internet of things）

物聯網通過信息傳感器裝備，依據給定的協議，對需要監控對象的各種信息進行實時采集，借助于互聯網的連接，進行信息的交互，以實現物與物、人與人，所有物品與整體的網絡的連接，最終達到智能識別、定位和控制的網絡。物聯網的核心層為感知層，其功能是通過感知層獲取所需的信息。感知層主要包括兩大部分，即基本的感應器件部分和網絡部分。其中感應器件主要包括RFID標簽和讀寫器、傳感器、攝像頭等基本標識和傳感器件組成。網絡部分通過傳感器來感知對象的相關信息，RFID標識物品的基本屬性，可以提高信息的融合能力。傳感網絡與RFID兩者的結合需要滿足幾個條件：（1）需要保證通信過程的安全性和正確性。結合后的傳感網絡的能量消耗相比于結合前要大得多，因此要盡可能提高對能量使用效率的優化。通常通過增加冗余設備和抗干擾技術來對付外部攻擊。（2）需要保證網絡的生存性和可維護性。由于大量的傳感節點的存在，因此網絡的維護相對比較困難。因為空間距離相距相對較遠，因此我們借助于傳感網絡實現傳感節點的管理。我們在設計時，需要考慮下面幾點：（1）確定傳輸數據的格式，我們主要考慮標簽內包含的基本信息與傳感器周圍環境信息構成，數據格式的確定比較重要；（2）傳感節的數量大，要求節點具有價格便宜、能量消耗小、容易部署的特點。

遠程監護系統網絡結構：可以在相同的區域內分別部署無線傳感網和RFID網絡，它們各自互相獨立，成為混合式監護網絡。混合式監護網絡結構的特點主要包括：不需要重新集成新模塊，可以節約成本；主要適合應用于區域內無線傳感網與RFID網絡之間互相交替工作的場合；實用性比較高，降低了系統的復雜程度。標簽能夠和它自身對應的閱讀器進行數據的傳輸具有網絡自組織與多跳的特征。

如果網絡中存在多個閱讀器和多個標簽，那么可以設計與運用防碰撞算法。如果需要識別特定的一個標簽，我們可以開啟特定的閱讀器識別。智能節點與智能標簽兩者的融合，可以提高電子標簽和閱讀器的靈活性。于是無線傳感網絡和RFID網絡兩種模式達到了進行智能切換的目的。具有單跳傳遞信息的特點。節點采集到對象環境的數據信息后，既可以通過RFID閱讀器的方式進行傳輸，又可以通過無線傳感網向服務器進行傳輸。于是將無線傳感網在采集信息和傳遞信息方面的優點與RFID在自動識別方面的優點較好地融為一體。

5 結論（Conclusion）

我國經濟快速發展，同時亞健康和老齡化現象日益明顯，心血管患者的人數越來越多，需要一個具有性價比較高，可靠性高的遠程心血管疾病監護系統，緩解社區醫院資源不足和患者的醫療監護服務之間需求不斷增加的矛盾。針對心血管疾病患者的監護需要，我們設計了基于物聯網的社區心血管疾病遠程監護信息系統。系統通過多種類型的生理傳感器，對脈搏、血壓、心電等生理參數進行采集，實現對人體健康狀況進行實時監測功能，為社區醫院和心血管疾病患者之間建立良好的健康監測與輔助診斷平臺，減少心血管疾病的發生，提高生活水平與生活質量。具有廣闊的發展前景。

下一步工作：研究設計集成更多生理參數的監測設備，將慢性疾病（呼吸疾病、腫瘤等）有序地納入本監護管理系統中，實現醫療資源的共享，實現社區醫院與大型醫院的優勢互補，提高工作效率。

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作者簡介：

羅世亮（1978-），男，博士，講師.研究領域：物聯網.

藍立新（1974-），男，碩士，講師.研究領域：計算機應用.

劉漢明（1970-），男，博士，副教授.研究領域：計算機應用.

章銀娥（1972-），女，碩士，副教授.研究領域：計算機應用.

張 艷（1984-），女，碩士，副教授.研究領域：應用數學.