物聯網技術在社區醫院心血管患者遠程監護管理系統中的應用研究

羅世亮+劉漢明+章銀娥+藍立新+張艷

摘 要：目前我國的心電系統和相關技術的發展相對較為成熟，然而在社區醫院的運用和管理方面還不理想，還沒有形成完善的遠程監護管理信息系統。于是我們考慮采用物聯網技術，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。運用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，從而完成對心血管患者的全天候監測，提高生活質量。研究與實踐結果表明，系統運行穩定，系統在社區醫院遠程監護管理方面有著較好的應用前景。

關鍵詞：物聯網技術；社區醫院；心血管患者；遠程監護；管理信息系統

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

健康和生命已經成為全球公共關心的熱點話題。由于心血管疾病是導致死亡或者傷殘的主要因素之一，心血管疾病已經成為威脅人類健康和生命的主要原因之一。如何正確面對心血管疾病已經成為全球人民共同關注的焦點問題。由于心血管疾病具有危險性和突發性的特征，所以采用正確的方法和技術對心血管疾病患者進行日常的監測和管理具有重要意義[1]。目前我國正在逐步推行一種新型的社區醫療方式，嘗試實現對心血管疾病的長期監測，從而到達將社區醫院的功能擴展到家庭。于是我們采取將物聯網技術引入到心血管患者的遠程信息化監控和日常管理系統中，從而實現其日常管理的智能化、信息化。優點是有利于降低心血管疾病患者的死亡率；有利于提高生活質量，減少不必要的醫療花費。醫療監控問題是全球共同關心的重要問題之一。然而現有的醫療監控通常采用有線方式，常常把傳感設備直接安裝在患者的身體上，這樣導致許多問題的產生。比如，傳感設備的數量大，給患者帶來諸多的不方便；監護人員一定要時時刻刻地守候在患者的身邊進行監護，負責記錄溫度、血壓等等生理參數數據，并且注意病情的控制情況。近年來，隨著物聯網技術的不斷發展，于是有專家提出，在患者身上安置小型化的信息節點，借助于信息節點，對患者的主要數據進行采集，比如血壓、脈搏、溫度等，然后借助于物聯網將信息傳送到醫院的控制中心，控制中心進一步對收集到的數據進行分析、處理等操作，為了安全起見，通常還需要對收集到的數據進行備份。假如發生異常事件，醫生可以參考數據，從而進行及時有效的醫療救援。綜合考慮心血管疾病患者的監護需求，設計遠程監護信息管理系統，指導社區醫院醫護人員的日常監護和醫療工作。我們需要注意的問題主要有：網絡聯通性問題，保證具有較好的信號傳輸。傳感器節點設備的使用壽命通常為3年至7年。由于使用時間的增大，節點設備本身會陳舊和老化，導致傳輸線路或者光纖出故障，從而導致網絡出故障。為了保證設備的正常使用，我們需要對設備進行定期的維護，及時更換。電源出現故障的問題。通常情況下控制中心都需要裝備大功率的UPS電源，主要用于保證設備節點的供電，方便控制。也可以統一配置大的蓄電池。優點主要為即使在電壓不穩定的情況下，或者在完全斷電的情況下，設備節點也不會損壞。所以配置相當功率的UPS電源具有比較重要的意義。早些時期，有部分地區試圖過進行社區醫院和患者的監護醫療一體化管理，但是執行的效果不理想。分析其原因，主要是考慮到監測數據信息的實時性和正確性難以得到保證。在通常情況下，社區醫院對外部的網絡具有封閉性。社區醫療信息數據傳輸給三甲醫院一定要經過嚴格審核。因為數據的有效性無法得到保證的原因，于是監測數據信息的參考性不足。有效解決的方法是再次進行監測與數據傳輸。我們提出的遠程醫療監護系統方案，可以有效保障醫療監護的質量，醫生隊采集得到的遠程實時數據，進行健康評測，對患者的生理信息參數和心理狀態等可以執行比較全面的醫療監護。特別是對老年人患者，可以進行心血管疾病的管理，給患者提供醫療建議。醫療監護系統的特點包括：系統功能比較全面，可以對心血管疾病患者進行在線解答，系統的實用性比較好。

2 物聯網技術（Internet of things technology）

物聯網技術的概念為：通過RFID、紅外感應器、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，將物體與internet相連接，進行信息交換和交互作用，實現智能化識別、定位、監控、管理的一種智能信息技術。“物聯網技術”是在互聯網技術基礎上擴展的一種智能化技術。用戶端可以是所有物體進行信息交互。它的重要基礎是“internet技術”。國內外普遍公認的關于internet of things的定義是MIT Auto-ID中心Ashton教授1999年在提出來的[2]。物聯網的概念在逐步發生變化，例如，2005年國際電信聯盟針對物聯網的覆蓋范圍進行了較大的拓展。物聯網正式概念的提出要追溯到2005年11月27日在突尼斯舉行的信息社會世界峰會，國際電信聯盟發布的《ITU互聯網報告2005：物聯網》的報告中。物聯網在中國引起廣泛的重視開始于2009年8月溫家寶總理提出的“感知中國”發言，物聯網被正式列為國家五大新興戰略性產業之一，寫入“政府工作報告”。從此，物聯網在中國引起了重要的關注。關注程度甚至超過了美國、歐盟等等。說得通俗一些，物聯網就是人與物、物與物之間進行的信息交互和控制。其中的關鍵技術主要有兩項。（1）傳感器技術，這屬于計算機應用領域的重要技術。計算機處理的通常情況下都是數字信號。我們需要傳感器將模擬信號轉換成數字信號，然后計算機才能識別和處理。例如，RFID標簽屬于傳感器技術。RFID技術融合了嵌入式技術和無線射頻技術，RFID具有廣闊的應用前景，比如在自動識別、物品物流管理方面等等。（2）嵌入式技術，它將計算機軟硬件、集成電路技術、電子應用技術綜合為一體的一種技術。在人們的日常生活中，嵌入式系統產品比較常見。嵌入式系統推動著工業生產的發展，并且逐步影響人們的日常生活。打個比方來說，傳感器可以比喻為人的感覺器官，如眼睛、鼻子等等，網絡可以比喻為人們的神經系統，主要功能是用來傳遞信息。嵌入式系統可以比喻為人們的大腦，主要功能是進行信息處理。由此可見，傳感器、嵌入式系統在物聯網中的地位和作用是非常重要的。物聯網典型的體系架構主要有三層，分別是網絡層、感知層、應用層。感知層的主要功能是實現物聯網的全面感知，是物聯網的關鍵技術，屬于急需突破的關鍵點，可以用于解決低成本、小型化、低功耗等問題。網絡層屬于物聯網中標準化程度最高、產業化能力最強的部分，網絡層主要借助于廣泛覆蓋的移動通信網絡，為物聯網應用進行優化升級，最終形成具有較強系統感知能力的網絡。應用層主要著眼于應用方面，應用層的重點是將行業信息化需求與物聯網技術結合起來，解決智能化的應用問題方案，難點在于有效商業模式的開發和信息安全的保障。通過無線傳感器網絡，采集所需的信息，然后運用讀寫器等收集其所需的數據信息，到達網關的終端進行匯聚后，借助于無線網絡運程將其傳送至指定的應用系統。另外，傳感器常常運用藍牙技術達到與傳感器網關進行通信的效果。目前市場上常見的傳感器可以檢測到相關的參數，比如壓力、溫度、濕度等等。因此人們可以運用網絡通信技術進行遠距離地信息傳輸，從而到達與應用系統之間進行有效信息交互的目的。物聯網技術屬于無線通信技術的范疇，最近物聯網技術在各應用領域中的發展速度較快。特別是在醫療領域中的應用前景比較廣泛。基于物聯網技術的遠程醫療監護網絡系統的研究與設計逐漸成為有關研究人員目前的研究熱點問題。有關物聯網技術在醫療監護上的應用前景得到社會的廣泛認識。研究者們利用全球廣泛存在的物聯網絡，借助于物聯網技術手段，能夠采集地理位置處于遠程的患者的生理數據參數信息，有助于醫生對患者進行診治與判斷，并且對患者提供及時的醫療服務和建議，患者對自身的健康狀況進行整體掌握[3]。

3 基于物聯網技術的社區醫院心血管患者遠程監護

管理系統設計（Design of remote monitoring

system for cardiovascular patients in community

hospitals based on internet of things）

3.1 傳感器監測節點設計

傳感器監測節點主要探測心血管疾病患者的健康狀況，采集患者的身體參數信息。通常情況下，傳感器節點主要由微處理器器部分、數據采集部分、電源部分、通信部分組成。對于著眼于應用于醫療領域的物聯網設備來說，其主要考慮的重點是數據信息的可靠性和準確性[4]，于是我們考慮的傳感器類型主要有血氧傳感器、脈搏傳感器和體溫傳感器等。

如圖1所示為傳感器監測節點的系統架構，包括：心率傳感器、血壓傳感器和溫度傳感器等等。節點的供電電源選用要求能夠持續供電一段較長的時間。

用于醫療領域的物聯網設備，主要考慮的因素是保證采集數據信息的可靠性和有效性。該模塊采用的傳感器包括心率脈搏傳感器、溫度傳感器、血壓傳感器[5]。

微處理器模塊選擇ATmegal28，該處理器的特點：功耗低、性能強、可移植性強等。ATmegal28L的軟件結構是專門為低功耗而設計的，具有內外多種中斷模式。豐富的中斷模式大大降低了查詢的需要，可以方便設計出中斷程序結構的控制程序、上電復位和可編程的低電壓檢測。

由于無線醫療傳感設備具有小型化、可方便攜帶的特點，于是在電源模塊設計時，我們采用電池進行供電。按照低功耗原則設計傳感器節點，增加傳感器監測節點的使用壽命。

3.2 遠程監護管理系統總體設計

考慮到需要對患者的病情進行長期監護，并且需要將這些長期監護的數據保存起來，家庭監護系統總體結構設計主要包括以下幾個組成部分：數據管理模塊、數據庫系統、數據傳輸模塊、遠程終端系統、中心服務器等[6]。

數據管理模塊：服務器收到發送過來的數據以后，需要使用管理軟件對數據進行解析，解析完成后將解析結果保存在相應的管理目錄下，最后將更新數據傳輸給數據庫，從而完成對系統數據庫的更新功能。

數據庫系統：整個系統的數據信息儲存于數據庫系統中，主要包括社區基本信息、醫生基本信息、患者基本生理信息等。

數據傳輸模塊：主要負責采集心血管疾病患者的主要生理數據信息，并且繪制成相應的波形圖，例如，脈搏波圖、心沖擊圖等；然后傳輸給本社區的數據庫系統。

遠程終端系統：主要用于實現不同類型用戶的不同需求。醫生通過工作站軟件，查看心血管疾病患者的數據，分析、診斷心血管疾病患者病情，然后提出反饋信息；心血管疾病患者通過客戶端軟件，查看自己的報告信息和醫生的留言信息。

3.3 社區醫院遠程監護網絡數據傳輸流程

終端設備主要負責采集心血管疾病患者的生理參數數據，并且將數據傳輸給服務器。為了保證數據傳輸的實時性，我們采用Socket通信技術。醫生通過客戶端從社區服務器，下載最新的數據，優點是可以大大減輕中央服務器的網絡負擔，同時可以避免終端設備直接處理客戶端數據請求的事件發生。監測中心的服務器主要包括：通訊服務器、用戶模塊、日志管理模塊、用戶管理界面和數據轉發模塊組成。其中的數據轉發模塊可以通過醫療信息局域網絡和醫療信息管理系統通信，從而達到病人數據的分析、病人電子病歷、病人信息數據的存儲、緊急事件報警管理的目的[7，8]。系統的數據傳輸流程框圖如圖2所示。

服務器可以創建套接字，并且將套接字進行綁定，從而監聽用戶的請求信息，如果有用戶請求，則接收用戶請求，進行通信。服務器不會隨著用戶的變化而發生改變，服務器的功能穩定。我們采用動態鏈接庫的方式，增強服務器的擴展性和穩定性。由于Delphi XE7具有簡單、功能強大、效率高等優點，因此在用戶維護、日志管理、數據存儲與轉發，我們選用Delphi XE7。服務器獲得的病人數據信息可以轉發到醫療局域網絡，從而與其他信息管理子系統相連，這樣做的優點是：醫院外面的病人和住院的病人同樣達到數據存儲、數據分析、緊急報警等功能。移動終端可以通過GPS模塊實時掌握病人的經緯度信息，并且將這些信息傳輸到醫院，方便醫生實時掌握病人的病情，提高病人的醫療質量。

3.4 基于物聯網技術的監護系統構架

物聯網借助于信息傳感器設備，按照規定的協議，實時采集需要監控對象的各種需要的信息，把對象和互聯網連接起來，進行信息的交換和通信，以實現物與物、人與人，所有物品與整體網絡的連接，方便識別、管理和控制，從而實現智能識別、定位和監控的網絡[10-13]。物聯網的體系架構從底層到上層，主要包括感知層、網絡層和應用層。系統的監控系統構架圖如圖3所示。

感知層：感知層是物聯網的核心，是信息采集的關鍵部分。其功能為“感知”，即通過傳感網絡獲取信息。感知層主要包括基本的感應器件、感應器組成的網絡兩大部分組成。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；網絡主要包括RFID網絡、傳感器網絡等。感知層通過傳感器技術、RFID技術等采集信息。感知層主要功能是識別對象、采集信息，這與人體結構中皮膚、五官的作用比較類似。

網絡層：感知層感知并且采集到的數據信息，需要通過網絡傳輸到后臺進行處理。網絡層主要負責傳輸信號。目前傳輸信息應用的網絡先進技術主要包括第6版互聯網協議

（IPv6）、新型無線通信網、自組網技術等，正在向傳輸速度更快、傳輸帶寬更寬、智能化程度更高的接入和網絡管理方向發展。

應用層：應用層在用戶的前端界面上。應用層是物聯網和用戶的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。物聯網應用層的功能是實現物聯網的智能應用。物聯網應用層主要包括服務支撐層和應用子集層。