黃曉夢，黃永剛，王立群，趙婧帆，程亞

（河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院，河北張家口 075000）

隨著醫(yī)療水平和人們健康意識的不斷提高，社會醫(yī)療服務(wù)所面對的壓力也越來越大，且已經(jīng)出現(xiàn)了醫(yī)療資源缺乏、醫(yī)護人員不足等問題[1]。如何有效利用有限的醫(yī)療資源提高醫(yī)用資源利用率與提升醫(yī)務(wù)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(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療服務(wù)數(shù)據(jù)采集與管控分析方法。該方法旨在通過發(fā)揮智能傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，并在保證準(zhǔn)確率的前提下，加快醫(yī)療數(shù)據(jù)的采集效率及醫(yī)務(wù)人員的處理效率。該文的實驗測試結(jié)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(yōu)化醫(yī)療資源配置提供了參考。

1 智能傳感網(wǎng)絡(luò)

1.1 基本原理

智能傳感網(wǎng)絡(luò)（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(wǎng)絡(luò)[2]。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、自動化控制技術(shù)、傳感技術(shù)與通信技術(shù)的快速發(fā)展，智能傳感器技術(shù)也取得了長足的進步，現(xiàn)如今已被廣泛應(yīng)用于生活、生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。智能傳感器通常是指具有微處理器且能夠進行自主數(shù)據(jù)采集、處理、分析及傳輸?shù)闹悄茉O(shè)備[3-5]，其在本質(zhì)上是傳統(tǒng)傳感器與智能微處理器相結(jié)合的產(chǎn)物。

一個完整的智能傳感網(wǎng)絡(luò)通常由傳感器模塊、數(shù)據(jù)匯聚模塊以及任務(wù)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(jié)點，其具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[6]。

圖1 ISN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能傳感網(wǎng)絡(luò)的工作流程可描述為：當(dāng)監(jiān)測區(qū)域中傳感器模塊的某個節(jié)點獲取到數(shù)據(jù)信息后，會通過模塊中的其他節(jié)點將該信息進行逐層傳輸，并最終傳遞到數(shù)據(jù)匯聚模塊中；然后通過局域網(wǎng)、光纖或其他方式將各節(jié)點匯聚而成的數(shù)據(jù)傳遞給任務(wù)管理模塊進行分析與處理。任務(wù)管理模塊除了對數(shù)據(jù)加以處理外，還會對整個網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)進行實施監(jiān)測，同時可通過該模塊對網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)進行配置、管理信息日志以及發(fā)送響應(yīng)、請求命令等。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

為了保證ISN 網(wǎng)絡(luò)各傳感器能夠被有效部署在環(huán)境中，且實現(xiàn)各設(shè)備間數(shù)據(jù)的無損傳輸，需要對其中所用到的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進行規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化處理。目前關(guān)于傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議主要有兩個：IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn) 和ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)[7]。

1）IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是電氣電子工程師學(xué)會（IEEE）專門為無線私人局域網(wǎng)（PAN）通信所制定的一套國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)常用于個人與小型企業(yè)之間傳感設(shè)備的信息交換，其通信距離通常在100 m 以內(nèi)[8]。PAN 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上與ISN 相似，因此其也常被用來構(gòu)建ISN 網(wǎng)絡(luò)的物理通信以及作為介質(zhì)訪問控制層MAC 的底層標(biāo)準(zhǔn)。

該標(biāo)準(zhǔn)采用了符合ISO（國家化標(biāo)準(zhǔn)組織)和OSI(開放系統(tǒng)互聯(lián))的分層架構(gòu)，定義了PAN 的物理層及MAC 層[9]。其具體協(xié)議棧如圖2 所示。

圖2 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧

該標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧中定義了物理層與MAC 子層之間的數(shù)據(jù)傳輸接口，可實現(xiàn)對MAC 層數(shù)據(jù)的管理服務(wù)。同時該標(biāo)準(zhǔn)還提供了信道頻率選擇、空閑信道評估與當(dāng)前信道能量檢測等功能[10]。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所涉及的主要參數(shù)，如工作頻段、調(diào)制方式等如表1 所示。

表1 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)涉及的主要參數(shù)

2）ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)

ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)是建立在IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)上的新一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)中的物理層與數(shù)據(jù)鏈路層由IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)制定，而應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層及其他標(biāo)準(zhǔn)則由ZigBee 聯(lián)盟制定[11]。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)所搭建的網(wǎng)絡(luò)容量較大，一個ZigBee 設(shè)備在理論上可以與255 臺設(shè)備相連接，且當(dāng)各設(shè)備組成分布式網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)中的總設(shè)備數(shù)最多可達到65 536 臺。ZigBee 的數(shù)據(jù)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(tǒng)功耗也相對較低。而在無需進行數(shù)據(jù)傳輸時，ZigBee 會自動進入休眠狀態(tài)，這也大幅降低了能量的消耗[12]。通常每個ZigBee 節(jié)點的通信距離大約在75 m 左右，距離相對較短，故實際應(yīng)用中通常無法滿足要求。但ZigBee 提供了網(wǎng)絡(luò)擴展功能，可將其范圍擴展至數(shù)百米甚至數(shù)千米，充分滿足了客戶的需求。

2 數(shù)據(jù)采集與管控分析

2.1 通信協(xié)議選擇

該文在綜合考慮設(shè)計需求以及兩種通信標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)劣勢后，最終選用了ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計智能傳感網(wǎng)絡(luò)的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，主要原因如下。

1）網(wǎng)絡(luò)容量：系統(tǒng)中包含多個傳感設(shè)備和通信節(jié)點，且后續(xù)可能會增加設(shè)備量，所以網(wǎng)絡(luò)容量要相對較大；

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

3）功耗：網(wǎng)絡(luò)整體功耗應(yīng)盡可能低，避免因頻繁更換電池或充電而造成的數(shù)據(jù)傳輸延誤，影響正常使用；

4）可擴展性：網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)提供向外可擴展的接口，提高網(wǎng)絡(luò)的可用性。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

該文旨在提出一種應(yīng)用于醫(yī)院服務(wù)管理的醫(yī)療數(shù)據(jù)服務(wù)采集與管控分析方法。該方法能將部署在同一環(huán)境的醫(yī)院相關(guān)儀器設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息進行實時監(jiān)測與傳輸，以便醫(yī)務(wù)人員進一步分析，并做出及時、準(zhǔn)確的反應(yīng)?；谏鲜鎏岬降男枨螅撐奶岢隽巳鐖D3 所示的基于智能傳感網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療服務(wù)數(shù)據(jù)采集與管控分析方法。

圖3 數(shù)據(jù)采集與管控分析技術(shù)架構(gòu)

該方法整體由三個模塊所組成：數(shù)據(jù)采集模塊、客戶端監(jiān)控模塊以及數(shù)據(jù)庫管理模塊。其中，數(shù)據(jù)采集模塊中部署了由多個傳感器所組成的智能傳感網(wǎng)絡(luò)。其主要功能是采集被監(jiān)控者的各項生理數(shù)據(jù)，如血壓、體溫和心率等。該模塊各節(jié)點將采集到的原始數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器進行預(yù)處理，再將處理后的數(shù)據(jù)傳送至客戶端監(jiān)控模塊?？蛻舳吮O(jiān)控模塊負(fù)責(zé)接收預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，并將其以可視化的方式呈現(xiàn)給醫(yī)護人員，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫管理模塊負(fù)責(zé)存儲各儀器設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，并提供的數(shù)據(jù)增、刪、改、查等功能。

2.3 關(guān)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(shù)據(jù)通信模塊、串口功能模塊、電源模塊以及數(shù)據(jù)庫模塊等。該節(jié)主要對其中的傳感器模塊和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(xì)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(shù)據(jù)輸入/輸出引腳，負(fù)責(zé)接收請求并將測量數(shù)據(jù)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊主要包括ZigBee 協(xié)議棧和ZigBee組網(wǎng)模塊。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)在上文已進行了簡單介紹，其中分析了協(xié)議棧的整體結(jié)構(gòu)。但對各層的具體功能及結(jié)構(gòu)并未進行深層分析，故將對ZigBee 協(xié)議棧進行進一步分析。

ZigBee 協(xié)議棧各層之間的通信與服務(wù)通過SAP原語來實現(xiàn)，具體分為請求、確認(rèn)、指示及響應(yīng)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(fā)送，作用是向低層發(fā)送請求，以此要求其提供所需服務(wù)；確認(rèn)SAP 與請求SAP 相對應(yīng)，主要是低層對高層即將提供的服務(wù)進行確認(rèn)；指示SAP的作用是高層指示低層如何處理某一事件；響應(yīng)SAP 則是低層將處理結(jié)果反饋給高層。

ZigBee 協(xié)議棧的層級結(jié)構(gòu)由下而上依次為物理層、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。其中，物理層是整個協(xié)議的最底層，主要負(fù)責(zé)檢測空閑信道、接收和發(fā)送信號、設(shè)置基礎(chǔ)參數(shù)等；MAC 層主要提供信道接入方式，保證設(shè)備的穩(wěn)定運行；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與管理，分配相應(yīng)IP 地址、建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等；應(yīng)用層則是整個協(xié)議棧的最頂層，主要負(fù)責(zé)建立設(shè)備的映射關(guān)系，使得設(shè)備中的數(shù)據(jù)可通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行傳輸。

3 實驗測試

為了驗證該文所提基于智能傳感網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療服務(wù)數(shù)據(jù)采集與管控分析方法的可行性與可靠性，故與國內(nèi)某醫(yī)院合作，并依托該方法完成相關(guān)系統(tǒng)的搭建后進行實驗測試。測試的主要目的在于，系統(tǒng)各模塊能夠在實際環(huán)境中較優(yōu)地實現(xiàn)所設(shè)計的功能。測試項目包括基礎(chǔ)項測試、數(shù)據(jù)采集測試與異常數(shù)據(jù)識別測試。

1）基礎(chǔ)項測試

表2 基礎(chǔ)項測試結(jié)果

由基礎(chǔ)項測試結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)各功能模塊均可按照要求實現(xiàn)其所對應(yīng)的功能，且總體表現(xiàn)良好。

2）數(shù)據(jù)采集測試

數(shù)據(jù)采集測試主要是為了驗證客戶端監(jiān)控模塊顯示的各個傳感器獲取的各項生理指標(biāo)數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。為更優(yōu)地進行對比，在系統(tǒng)實時獲取數(shù)據(jù)的同時人工測量也同步展開，最終以系統(tǒng)和人工的結(jié)果對比，產(chǎn)生了如表3 所示的實驗結(jié)果。表中各數(shù)據(jù)代表人工與系統(tǒng)測量結(jié)果的相似度，并以此作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)指標(biāo)測量的準(zhǔn)確率。

表3 數(shù)據(jù)采集測試準(zhǔn)確率結(jié)果

由表3 可知，系統(tǒng)能夠以平均99.4%的準(zhǔn)確率完成對被監(jiān)測者各項生理指標(biāo)的測量，從而驗證了數(shù)據(jù)采集模塊的準(zhǔn)確性。

3）異常數(shù)據(jù)測試

異常數(shù)據(jù)測試主要是驗證當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)未處于設(shè)置的正常范圍內(nèi)時，系統(tǒng)客戶端監(jiān)控模塊能否及時發(fā)現(xiàn)異常，并響應(yīng)提醒醫(yī)務(wù)人員做出有效判斷。其測試結(jié)果如表4 所示。

表4 異常數(shù)據(jù)識別測試

由測試結(jié)果可看出，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地識別出異常數(shù)據(jù)，同時將信息提示給相關(guān)醫(yī)務(wù)人員。

4 結(jié)束語

該文通過介紹智能傳感網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，提出了基于智能傳感網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療服務(wù)數(shù)據(jù)采集與管控分析方法。該方法在架構(gòu)上由數(shù)據(jù)采集模塊、客戶端監(jiān)控模塊以及數(shù)據(jù)庫管理模塊組成，且各模塊相互配合共同完成醫(yī)療數(shù)據(jù)的采集與管控。系統(tǒng)各項實驗結(jié)果說明，該文所提方法不僅能夠較優(yōu)地完成各模塊的功能測試，且其數(shù)據(jù)采集的平均準(zhǔn)確率可達到99.4%，同時還能準(zhǔn)確判斷出其中的異常數(shù)據(jù)，并及時提醒醫(yī)務(wù)人員做出相應(yīng)的決策。