基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的智能醫(yī)療健康體系研究

劉曉爽 李建鋒

摘要：隨著醫(yī)療信息系統(tǒng)的逐漸普及以及其技術(shù)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了醫(yī)療信息系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。雖然許多醫(yī)院已經(jīng)搭建成全院信息系統(tǒng)和區(qū)域醫(yī)療衛(wèi)生信息系統(tǒng)，并且部分開展了遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診。但是，異構(gòu)醫(yī)療信息系統(tǒng)難以互聯(lián)，在同一醫(yī)療機(jī)構(gòu)中由于系統(tǒng)的多源性，相互之間的醫(yī)療信息難以互通，形成了各自為營的信息孤島，使得病人在異構(gòu)系統(tǒng)中就醫(yī)所產(chǎn)生的臨床醫(yī)療信息難以實(shí)現(xiàn)共享。因此，提出了一種基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的智能醫(yī)療健康體系，其中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是由蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)和無線城域網(wǎng)構(gòu)成;在詳細(xì)介紹該體系架構(gòu)的同時(shí)，也對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的配置及參數(shù)進(jìn)行了具體描述。該體系適合于很多應(yīng)用場景。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);健康監(jiān)測體系;蜂窩網(wǎng)絡(luò);無線局域網(wǎng);無線城域網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN929.5;TP212.9? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1009-3044（2018）34-0189-03

1 引言

隨著無線電設(shè)備和無線接入技術(shù)的廣泛普及，人們對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的高速協(xié)同傳輸提出了挑戰(zhàn)。近年來，Wi-Fi、藍(lán)牙、UWB等移動(dòng)終端嵌入了越來越多的無線接入技術(shù)[1]。與此同時(shí)，語音、視頻和文件傳輸?shù)葢?yīng)用程序需要同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，其中一些應(yīng)用程序需要帶寬。因此，需要建立異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Wireless Access Networks， WANs），形成無線覆蓋接入網(wǎng)絡(luò)[2]，在密集接入場景中滿足不同的移動(dòng)用戶和不同的應(yīng)用需求，如無線電子健康、無線會(huì)議室、無線電子教育、智能住宅等等。

移動(dòng)、無線、普適計(jì)算和通信環(huán)境正在改變醫(yī)務(wù)人員與病人及老年人的交互方式。通過部署自組織的無線生理監(jiān)測硬件/軟件系統(tǒng)，在患者特定體位上進(jìn)行持續(xù)的病理監(jiān)測，可以有效地保證執(zhí)業(yè)醫(yī)師的及時(shí)干預(yù)[3]。具有多網(wǎng)絡(luò)接口的用戶終端能夠訪問不同的網(wǎng)絡(luò)，選擇服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）最佳、成本最低的網(wǎng)絡(luò)[4]。因此，為了吸引更多的用戶，所有的運(yùn)營商會(huì)合作或競爭以達(dá)到總收益最大化。為此，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的合作與競爭已成為一個(gè)重要的研究課題[5]。遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)具有降低醫(yī)療成本、提高醫(yī)療質(zhì)量、持續(xù)及時(shí)監(jiān)測患者、完整收集患者身體數(shù)據(jù)，并能及時(shí)反饋合適的治療方案等優(yōu)點(diǎn)?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分層結(jié)構(gòu)被廣泛用于醫(yī)療監(jiān)控體系[6]。

2 系統(tǒng)模型

2.1智能醫(yī)療健康監(jiān)測體系

本文提出的醫(yī)療健康監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)有三個(gè)層次，如圖1所示。

層1：異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)——本文設(shè)計(jì)了兩種不同感知目標(biāo)的傳感器系統(tǒng)，用于采集患者的生命體征信號(hào)和居住地環(huán)境參數(shù)。具有藍(lán)牙無線傳輸功能的可穿戴傳感系統(tǒng)（Wearable Sensor Systems，WSS）與生物醫(yī)學(xué)傳感器集成在患者識(shí)別腕帶或腰帶上。WSS很方便且很貼合患者的身體，從而采集他們的生理數(shù)據(jù)。監(jiān)測區(qū)域內(nèi)設(shè)置了兩種異構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)采用Zigbee無線技術(shù)進(jìn)行通信，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸環(huán)境參數(shù)。來自WSS和HWSN的參數(shù)和數(shù)據(jù)必須安全地傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)[7]。

層2：Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)——在醫(yī)療健康監(jiān)測體系結(jié)構(gòu)中，多個(gè)無線路由器和移動(dòng)終端（MTs）在區(qū)域內(nèi)組成Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多跳路由或基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)連接到一個(gè)固定的遠(yuǎn)程基站（BS）或本地基站。如果BS被災(zāi)難摧毀，則采用通信指揮車輛代替BS。由于MTs不可能在很長一段時(shí)間內(nèi)（比如幾個(gè)月或幾年）存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。因此，MTs具有足夠計(jì)算能力，可以從WSS或HWSN中采集和分析參數(shù)。但是，在后端網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫中，需要通過基礎(chǔ)設(shè)施的模式進(jìn)行主要或重要的數(shù)據(jù)收集存儲(chǔ)。其中，MT可以將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)站點(diǎn)，還可以通過公開密鑰保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)消息。

層3：后端網(wǎng)絡(luò)——該層是在Internet上構(gòu)建的，具有固定的站點(diǎn)和服務(wù)器，為低層提供應(yīng)用層服務(wù)，并且處理來自MTs的各種感知數(shù)據(jù)。由于融合了蜂窩網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)和WMAN等多種無線技術(shù)，MTs可以很容易地訪問應(yīng)用服務(wù)。由于第三方建立在Internet上，因此醫(yī)院或養(yǎng)老院等可以開放性地接入，進(jìn)而提供本文所提的醫(yī)療監(jiān)控服務(wù)。MTs和路由器連接到第三方至少需要一個(gè)工作站，第三方可分配有效證書和密鑰給合法的MTs。

本文提出的智能醫(yī)療健康監(jiān)測體系可以應(yīng)用于許多場景中，如家庭醫(yī)療或者養(yǎng)老院等，會(huì)為人們帶來便捷的醫(yī)療服務(wù)，這里不再贅述。

2.2 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

本文考慮的異構(gòu)無線接入網(wǎng)絡(luò)是由CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)、IEEE 802.11 WLAN和IEEE 802.16 WMAN組成的，如圖2所示，具有多個(gè)無線收發(fā)器的移動(dòng)設(shè)備能夠同時(shí)連接到這些無線接入網(wǎng)。本文的目標(biāo)函數(shù)是建立網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的變異模型，它是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的競爭與合作效應(yīng)及網(wǎng)絡(luò)自然增長率的函數(shù)。該模型可以揭示聯(lián)合系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)機(jī)理，即系統(tǒng)發(fā)展過程的客觀規(guī)律。

本文考慮的地理區(qū)域是完全由WMAN基站覆蓋，部分由蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站覆蓋，部分由WLAN接入點(diǎn)（APs）覆蓋的，如圖2所示。該區(qū)域中不同服務(wù)區(qū)域的用戶可以訪問不同類型和不同數(shù)量的無線網(wǎng)絡(luò)。特別是在1區(qū)，只有WMAN服務(wù)可用。在第2區(qū)和第5區(qū)，可以使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)和WMAN的服務(wù)。在第3區(qū)和第4區(qū)，移動(dòng)設(shè)備可以連接到所有三種類型的網(wǎng)絡(luò)。不同的無線接入網(wǎng)由不同的服務(wù)提供者運(yùn)營。我們假設(shè)移動(dòng)設(shè)備能夠連接到相應(yīng)服務(wù)區(qū)的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并假設(shè)其具有完善的功率控制，以確保覆蓋區(qū)域的可用傳輸速率一致。

在上述異構(gòu)的無線接入網(wǎng)中，本文假設(shè)多接口移動(dòng)終端能夠同時(shí)連接到三個(gè)不同的無線接入網(wǎng)。這些無線接入網(wǎng)絡(luò)分別是CDMA蜂窩網(wǎng)絡(luò)、IEEE 802.11 WLAN和IEEE 802.16 WMAN。網(wǎng)絡(luò)的價(jià)格和QoS策略將決定選擇不同網(wǎng)絡(luò)的客戶數(shù)量，即在網(wǎng)絡(luò)間引起資源重新分配。下文將從合作與競爭的角度出發(fā)，研究了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的收益問題。

3 結(jié)論

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)架構(gòu)的組成部分，可以相互競爭，也可以相互合作，以實(shí)現(xiàn)收益的最大化。本文首先介紹了一種智能醫(yī)療健康監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu);然后介紹了在這個(gè)架構(gòu)中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部分;最后分析了網(wǎng)絡(luò)的自然增長率和網(wǎng)絡(luò)之間的合作和競爭效應(yīng)。本文所提出的體系可以應(yīng)用于許多場景，如家庭醫(yī)療或者養(yǎng)老院等，會(huì)為人們帶來便捷的醫(yī)療服務(wù)。下一步本文將研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)模是如何隨著收益自然增長率/協(xié)同效應(yīng)/競爭效應(yīng)這三個(gè)因素的變化而變化的。

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