基于智能傳感網絡的醫療服務數據采集與管控分析方法研究

黃曉夢，黃永剛，王立群，趙婧帆，程亞

（河北北方學院附屬第一醫院，河北張家口 075000）

隨著醫療水平和人們健康意識的不斷提高，社會醫療服務所面對的壓力也越來越大，且已經出現了醫療資源缺乏、醫護人員不足等問題[1]。如何有效利用有限的醫療資源提高醫用資源利用率與提升醫務人員工作效率，是目前亟需解決的重要問題。

針對上述問題，該文提出了基于智能傳感網絡的醫療服務數據采集與管控分析方法。該方法旨在通過發揮智能傳感網絡的優勢，并在保證準確率的前提下，加快醫療數據的采集效率及醫務人員的處理效率。該文的實驗測試結果驗證了所提方法的可行性與可靠性，且這一方法的提出也為進一步優化醫療資源配置提供了參考。

1 智能傳感網絡

1.1 基本原理

智能傳感網絡（Intelligent Sensor Network，ISN）是指由多個不同功能的智能傳感器所組成的計算機網絡[2]。隨著半導體技術、自動化控制技術、傳感技術與通信技術的快速發展，智能傳感器技術也取得了長足的進步，現如今已被廣泛應用于生活、生產的各個領域。智能傳感器通常是指具有微處理器且能夠進行自主數據采集、處理、分析及傳輸的智能設備[3-5]，其在本質上是傳統傳感器與智能微處理器相結合的產物。

一個完整的智能傳感網絡通常由傳感器模塊、數據匯聚模塊以及任務管理模塊（控制中心）三部分組成，且各個模塊中均包含多個具有相似功能的節點，其具體結構如圖1 所示[6]。

圖1 ISN網絡結構

智能傳感網絡的工作流程可描述為：當監測區域中傳感器模塊的某個節點獲取到數據信息后，會通過模塊中的其他節點將該信息進行逐層傳輸，并最終傳遞到數據匯聚模塊中；然后通過局域網、光纖或其他方式將各節點匯聚而成的數據傳遞給任務管理模塊進行分析與處理。任務管理模塊除了對數據加以處理外，還會對整個網絡的運行狀態進行實施監測，同時可通過該模塊對網絡中的參數進行配置、管理信息日志以及發送響應、請求命令等。

1.2 網絡通信協議

為了保證ISN 網絡各傳感器能夠被有效部署在環境中，且實現各設備間數據的無損傳輸，需要對其中所用到的無線網絡通信協議進行規范化、標準化處理。目前關于傳感網絡的通信協議主要有兩個：IEEE802.15.4 標準 和ZigBee 標準[7]。

1）IEEE802.15.4 標準

IEEE802.15.4標準是電氣電子工程師學會（IEEE）專門為無線私人局域網（PAN）通信所制定的一套國際標準。該標準常用于個人與小型企業之間傳感設備的信息交換，其通信距離通常在100 m 以內[8]。PAN 在網絡結構上與ISN 相似，因此其也常被用來構建ISN 網絡的物理通信以及作為介質訪問控制層MAC 的底層標準。

該標準采用了符合ISO（國家化標準組織)和OSI(開放系統互聯)的分層架構，定義了PAN 的物理層及MAC 層[9]。其具體協議棧如圖2 所示。

圖2 IEEE802.15.4標準協議棧

該標準協議棧中定義了物理層與MAC 子層之間的數據傳輸接口，可實現對MAC 層數據的管理服務。同時該標準還提供了信道頻率選擇、空閑信道評估與當前信道能量檢測等功能[10]。IEEE802.15.4標準所涉及的主要參數，如工作頻段、調制方式等如表1 所示。

表1 IEEE802.15.4標準涉及的主要參數

2）ZigBee 標準

ZigBee 標準是建立在IEEE802.15.4 標準上的新一代無線通信標準，該標準中的物理層與數據鏈路層由IEEE802.15.4 標準制定，而應用層和網絡層及其他標準則由ZigBee 聯盟制定[11]。ZigBee 標準的工作頻段目前有兩個：一個是2.4 GHz 的全球免費頻段；另一個則是專用的868/915 GHz 頻段。

利用ZigBee 標準所搭建的網絡容量較大，一個ZigBee 設備在理論上可以與255 臺設備相連接，且當各設備組成分布式網絡時，網絡中的總設備數最多可達到65 536 臺。ZigBee 的數據傳輸效率較低，基本速率在0.25 MB/s 左右，因此無法適用于傳輸視頻等占用空間較大的文件。但同時也得益于較低的傳輸速率，使得系統功耗也相對較低。而在無需進行數據傳輸時，ZigBee 會自動進入休眠狀態，這也大幅降低了能量的消耗[12]。通常每個ZigBee 節點的通信距離大約在75 m 左右，距離相對較短，故實際應用中通常無法滿足要求。但ZigBee 提供了網絡擴展功能，可將其范圍擴展至數百米甚至數千米，充分滿足了客戶的需求。

2 數據采集與管控分析

2.1 通信協議選擇

該文在綜合考慮設計需求以及兩種通信標準的優劣勢后，最終選用了ZigBee 標準作為設計智能傳感網絡的無線通信標準，主要原因如下。

1）網絡容量：系統中包含多個傳感設備和通信節點，且后續可能會增加設備量，所以網絡容量要相對較大；

2）傳輸范圍：由于某些設備能夠隨患者等進行移動，故要求設備無線通信范圍在100 m 以上；

3）功耗：網絡整體功耗應盡可能低，避免因頻繁更換電池或充電而造成的數據傳輸延誤，影響正常使用；

4）可擴展性：網絡中應提供向外可擴展的接口，提高網絡的可用性。

2.2 技術架構

該文旨在提出一種應用于醫院服務管理的醫療數據服務采集與管控分析方法。該方法能將部署在同一環境的醫院相關儀器設備產生的數據信息進行實時監測與傳輸，以便醫務人員進一步分析，并做出及時、準確的反應。基于上述提到的需求，該文提出了如圖3 所示的基于智能傳感網絡的醫療服務數據采集與管控分析方法。

圖3 數據采集與管控分析技術架構

該方法整體由三個模塊所組成：數據采集模塊、客戶端監控模塊以及數據庫管理模塊。其中，數據采集模塊中部署了由多個傳感器所組成的智能傳感網絡。其主要功能是采集被監控者的各項生理數據，如血壓、體溫和心率等。該模塊各節點將采集到的原始數據發送給協調器進行預處理，再將處理后的數據傳送至客戶端監控模塊。客戶端監控模塊負責接收預處理后的數據，并將其以可視化的方式呈現給醫護人員，同時將相關數據存儲到數據庫中。數據庫管理模塊負責存儲各儀器設備的數據信息，并提供的數據增、刪、改、查等功能。

2.3 關鍵功能模塊

所提方法涉及多個功能模塊，如傳感器模塊、無線數據通信模塊、串口功能模塊、電源模塊以及數據庫模塊等。該節主要對其中的傳感器模塊和系統網絡模塊做進一步的介紹。

1）傳感器模塊

傳感器模塊由各類對人體各項生理指標進行測量的傳感器組成，如血壓傳感器、血氧傳感器、心率傳感器和體溫傳感器等。該文在對各類傳感器的選擇中[13-15]，血壓傳感器選用HKB-08B，血氧傳感器選擇HKS-12U，心率傳感器選擇HK-2000C 以及體溫傳感器DS18B20。下面對其中的體溫傳感器進行詳細介紹。

體溫傳感器DS18B20 是一種常用的小型溫度傳感器，其具有測量速度快、精度高的特點[16]。DS18B20的引腳示意圖如圖4 所示。

圖4 DS18B20引腳示意圖

其中，GND代表接地引腳，通常與地線相連；VDD為電源輸入引腳，與電源模塊相連；DQ 則為數據輸入/輸出引腳，負責接收請求并將測量數據進行返回。

體溫傳感器DS18B20 的連接方式相對簡單，其采用單線接口的方式，即僅需將傳感器的DQ 口與無線通信模塊連接即可，且無需連接其他元器件。

2）系統網絡模塊

1.1一般資料選取我院2016年8月~2017年9月收治的小兒支氣管肺炎患兒120例作為研究對象。將120例患兒分為實驗組和對照組,實驗組患兒60例,對照組患兒60例。實驗組患兒有男性37例,女性23例,患兒年齡在1~6歲之間,平均年齡為(3.5±1.2)歲,對照組患兒有男性35例,女性25例,患兒年齡在1~4歲之間,平均年齡為(2.5±1.1)歲。兩組患兒的性別、年齡等無差異,具有可比性。

系統網絡模塊主要包括ZigBee 協議棧和ZigBee組網模塊。ZigBee 標準在上文已進行了簡單介紹，其中分析了協議棧的整體結構。但對各層的具體功能及結構并未進行深層分析，故將對ZigBee 協議棧進行進一步分析。

ZigBee 協議棧各層之間的通信與服務通過SAP原語來實現，具體分為請求、確認、指示及響應四種類型。其工作原理示意圖如圖5 所示。

圖5 SAP工作原理示意圖

請求SAP 由高層向低層發送，作用是向低層發送請求，以此要求其提供所需服務；確認SAP 與請求SAP 相對應，主要是低層對高層即將提供的服務進行確認；指示SAP的作用是高層指示低層如何處理某一事件；響應SAP 則是低層將處理結果反饋給高層。

ZigBee 協議棧的層級結構由下而上依次為物理層、MAC 層、網絡層以及應用層。其中，物理層是整個協議的最底層，主要負責檢測空閑信道、接收和發送信號、設置基礎參數等；MAC 層主要提供信道接入方式，保證設備的穩定運行；網絡層負責網絡的建立與管理，分配相應IP 地址、建立拓撲結構等；應用層則是整個協議棧的最頂層，主要負責建立設備的映射關系，使得設備中的數據可通過相關標準進行傳輸。

3 實驗測試

為了驗證該文所提基于智能傳感網絡的醫療服務數據采集與管控分析方法的可行性與可靠性，故與國內某醫院合作，并依托該方法完成相關系統的搭建后進行實驗測試。測試的主要目的在于，系統各模塊能夠在實際環境中較優地實現所設計的功能。測試項目包括基礎項測試、數據采集測試與異常數據識別測試。

1）基礎項測試

表2 基礎項測試結果

由基礎項測試結果可以看出，該系統各功能模塊均可按照要求實現其所對應的功能，且總體表現良好。

2）數據采集測試

數據采集測試主要是為了驗證客戶端監控模塊顯示的各個傳感器獲取的各項生理指標數據是否準確。為更優地進行對比，在系統實時獲取數據的同時人工測量也同步展開，最終以系統和人工的結果對比，產生了如表3 所示的實驗結果。表中各數據代表人工與系統測量結果的相似度，并以此作為系統數據指標測量的準確率。

表3 數據采集測試準確率結果

由表3 可知，系統能夠以平均99.4%的準確率完成對被監測者各項生理指標的測量，從而驗證了數據采集模塊的準確性。

3）異常數據測試

異常數據測試主要是驗證當傳感器采集到的數據未處于設置的正常范圍內時，系統客戶端監控模塊能否及時發現異常，并響應提醒醫務人員做出有效判斷。其測試結果如表4 所示。

表4 異常數據識別測試

由測試結果可看出，系統能夠準確地識別出異常數據，同時將信息提示給相關醫務人員。

4 結束語

該文通過介紹智能傳感網絡以及網絡通信協議，提出了基于智能傳感網絡的醫療服務數據采集與管控分析方法。該方法在架構上由數據采集模塊、客戶端監控模塊以及數據庫管理模塊組成，且各模塊相互配合共同完成醫療數據的采集與管控。系統各項實驗結果說明，該文所提方法不僅能夠較優地完成各模塊的功能測試，且其數據采集的平均準確率可達到99.4%，同時還能準確判斷出其中的異常數據，并及時提醒醫務人員做出相應的決策。