智能醫(yī)療系統(tǒng)

1、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的 成員：王培成 1202304020 劉宇晨 1202304013 智能醫(yī)療系統(tǒng) u前言 u系統(tǒng)簡介 u系統(tǒng)構(gòu)成 u拓撲結(jié)構(gòu)設計 u智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) u智能醫(yī)療系統(tǒng)展望 智能醫(yī)療系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN) 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN) 是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器 節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目 的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送 給觀察者。 無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是一項綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、 現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域技術(shù)的新興技 術(shù)，該技術(shù)具有廣泛的應用

2、場景。 返回 無線傳感網(wǎng)與醫(yī)療 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡相關(guān)技術(shù)逐漸進入醫(yī)療領(lǐng)域， 它作為傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)以及無線通信技術(shù)相結(jié)合的 新興產(chǎn)物，能夠?qū)崿F(xiàn)對病人多種生理參數(shù)的遠程、實時檢測，幫助醫(yī) 院醫(yī)護人員及時高效地對病人進行遠程監(jiān)護與診斷。 我們主要研究無線傳感器網(wǎng)絡醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及監(jiān)護節(jié) 點設計方面。 返回 智能醫(yī)療的概念 u智能醫(yī)療結(jié)合無線網(wǎng)技術(shù)、射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification）即RFID技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動計算技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技 術(shù)等，實現(xiàn)監(jiān)護等許多方面工作的無線化、智能化，全面改變和解決 現(xiàn)代化數(shù)字醫(yī)療模式、

3、智能醫(yī)療及健康管理、醫(yī)院信息系統(tǒng)等的問題 和困難. u智能醫(yī)療通過打造健康檔案區(qū)域醫(yī)療信息平臺，利用最先進的物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)，實現(xiàn)患者與醫(yī)務人員、醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)療設備之間的互動，逐步 達到信息化。 返回 智能醫(yī)療的發(fā)展現(xiàn)狀 u當前無線醫(yī)療主要采用的是無線局域網(wǎng)的技術(shù)，即通過無線局域網(wǎng) +RFID的模式實現(xiàn)各種醫(yī)療應用，終端方面則是采用了具備醫(yī)療定 制服務功能的PDA等。 u同時當前智能醫(yī)療并沒有實現(xiàn)真正的智能化，只是通過設備提高了 就診的便利性，智能醫(yī)療還待進一步的研究和提高。 返回 根據(jù)實際的需要，我們把智能醫(yī)療系統(tǒng) 醫(yī)療分成三部分，分別為智能醫(yī)院系統(tǒng)、區(qū) 域衛(wèi)生系統(tǒng)以及家庭健康系統(tǒng)。 智能醫(yī)療系

4、統(tǒng) 智能醫(yī)院系統(tǒng)區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)家庭健康系統(tǒng) （智能醫(yī)療系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)組成） 返回 智能醫(yī)院系統(tǒng) 智能醫(yī)院系統(tǒng)是一個基于無線傳感網(wǎng)技術(shù)、通過各樣的傳感器和 路由器實現(xiàn)的智能化管理系統(tǒng)。包括以下部分： 智能病房 智能手術(shù)室 智能導航 對有特殊需要的患者建立遠程監(jiān)測關(guān)系，及時了解患者病情，并隨 時提供醫(yī)療幫助指示 返回 智能醫(yī)院系統(tǒng) 返回 u在病房部署完全覆蓋的傳感器網(wǎng)絡，用來監(jiān)測呼吸、血壓、心率等重 要生理指標，在實時監(jiān)測的同時還保證了患者適當?shù)幕顒涌臻g，了醫(yī) 院的人力資源成本； u醫(yī)院根據(jù)患者病情需要配置相應的智能診療設備，實時監(jiān)測重癥患者 心率、血壓、脈搏等情況； u病房內(nèi)使用智能藥瓶，智能提醒輸

5、液患者輸液進程和提醒患者用藥同 時提供用藥常識。 智能病房 返回 智能病房 返回 智能病房 返回 智能診療設備 智能診療設備其實還在為了實時監(jiān)測患者健康狀況，只是可穿戴設 備更方便、更有效地實現(xiàn)了監(jiān)測的實時性。 在智能診療設備的設計上，是將傳感器設計在可穿戴設備中，通過 傳感器發(fā)送患者的體征至醫(yī)院。具體信息傳遞見智能導航實現(xiàn)部分。 返回 智能診療設備 返回 智能手術(shù)室 智能手術(shù)室結(jié)合了機器人系統(tǒng)、人類工程學設計以及先進的通訊 技術(shù)。 機器人系統(tǒng)可根據(jù)醫(yī)生的聲音進行相應的操作并只執(zhí)行其指令， 機器人內(nèi)窺定位系統(tǒng)可以提供非常清晰和全面的手術(shù)視野,使醫(yī)生可以 精確進行手術(shù)。手術(shù)室還配備有4臺電視監(jiān)控

6、器,可以隨時與外界保持 直接的交流。外科醫(yī)生可以在熒光屏上看到病理切片的結(jié)果,病理學家 也可以在手術(shù)室外逼真的觀察到病人的器官組織情況。這種手術(shù)室系 統(tǒng)最終將可使遠距離或超國界操作手術(shù)成為現(xiàn)實。 返回 智能手術(shù)室 返回 智能導航 智能導航建立在動態(tài)監(jiān)測的基礎上，包括終端、基站、觸發(fā)器、 服務器和多媒體設備。 終端實時上傳并接收定位對象數(shù)據(jù)，基站接收終端上傳的定位對 象數(shù)據(jù)并傳送，觸發(fā)器將采集到的對象數(shù)據(jù)進行發(fā)送，服務器接收、 存儲和處理定位對象數(shù)據(jù)及觸發(fā)器采集的對象數(shù)據(jù)以實現(xiàn)定位，多媒 體設備則用來將導航信息反饋到定位對象。 返回 智能導航 返回 區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng) u區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)是一個收集、處理、

7、傳輸人員活動密集的區(qū)域的重要 信息的衛(wèi)生平臺，主要由布置在公共區(qū)域的傳感器節(jié)點和每個區(qū)域 的分站點組成。傳感器節(jié)點負責信息的采集，分站點負責信息的初 步處理、發(fā)送、預警等功能。 u主要應對一些人員密集的公共場所的突發(fā)狀況的發(fā)生。 返回 區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng) 返回 家庭健康系統(tǒng) 智能遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)； 智能提示指導系統(tǒng)； 智能呼救定位系統(tǒng)。 返回 智能遠程監(jiān)測系統(tǒng) u 主要是通過在患者家中部署傳感器網(wǎng)絡來覆蓋患者的活動區(qū)域。 患者根據(jù)病情狀況和身體健康狀況等佩戴可以提供必要生理指標 （如心率、呼吸、血壓等）監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點，通過這些節(jié)點 可以對患者的重要生理指標進行實時監(jiān)測。隨后在本地簡單地處理 傳

8、感器節(jié)點所獲取的數(shù)據(jù)，其后把整理出的數(shù)據(jù)通過移動通信網(wǎng)絡 或互聯(lián)網(wǎng)傳送到為患者提供遠程健康監(jiān)測服務的醫(yī)院。 返回 智能遠程健康監(jiān)測系統(tǒng) 返回 智能提示指導系統(tǒng) u 與醫(yī)院方面建立了智能遠程監(jiān)測關(guān)系的患者，醫(yī)院方面將根據(jù) 收到的被監(jiān)測患者的生理指標進行相關(guān)分析，來診斷患者的健康狀 況，并根據(jù)診斷結(jié)果指導是否需要送至醫(yī)院救治，如果只是常見疾 病，就提供用藥常識和用藥建議。 返回 智能提示指導系統(tǒng) 返回 智能呼救定位系統(tǒng) u 智能呼救定位系統(tǒng)是建立在遠程監(jiān)測的基礎上的，通過患者隨 身攜帶的無線傳感設備，使用GPS定位技術(shù)。醫(yī)院方面使用GPS信 號機接受監(jiān)測目標的衛(wèi)星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶位置，最

9、終 實現(xiàn)利用GPS進行導航和定位的目的。 返回 GPS定位實例 返回 拓撲結(jié)構(gòu)設計 拓撲結(jié)構(gòu)設計是系統(tǒng)設計中最重要的一部分，沒有系統(tǒng)的拓撲設 計，更談不上別的了。對于我們的智能醫(yī)療系統(tǒng)來講，由于是由三個 子系統(tǒng)構(gòu)成，所以也由三部分的拓撲設計構(gòu)成： u區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)的拓撲設計； u家庭健康系統(tǒng)的拓撲設計。 返回 區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng) u 對于區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)來說，由于管理的距離相對較遠，并且考 慮到可拓展方面，我們選定用樹型拓撲結(jié)構(gòu)進行區(qū)域傳感器網(wǎng)絡的 結(jié)構(gòu)。拓撲樹結(jié)構(gòu)具有成本低、擴充方便靈活、尋找鏈路路徑方便、 易于網(wǎng)絡維護等優(yōu)點，特別適合大型區(qū)域傳感網(wǎng)絡的布置。如下圖： 返回 區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng) 返回 家庭健康

10、系統(tǒng) 對于家庭健康系統(tǒng)來說，根據(jù)范圍的不同分為內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)和外 部拓撲結(jié)構(gòu)兩個方面進行設計。對于外部拓撲結(jié)構(gòu)來講，由于家庭數(shù) 量比較多，并考慮到基本上每家每戶都有路由器，所以決定采用蜂窩 型拓撲結(jié)構(gòu)；對于內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu)來講，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)。如下圖： 返回 家庭健康系統(tǒng) 返回 外部拓撲結(jié)構(gòu) 家庭健康系統(tǒng) 返回 內(nèi)部拓撲結(jié)構(gòu) 物理層 物理層是無線傳感器網(wǎng)絡的重要組成部分。 u物理層采用DSSS(直接序列擴頻)技術(shù),可提供27個信道用于數(shù)據(jù)收 發(fā)。 u使用ZigBee通信協(xié)議，ZigBee具有低功耗、低成本、短時延、高容 量、高安全等特點，并且有基于2.4 GHz頻段的“短距離”和 868/915

11、MHz頻段的“長距離”兩個頻段，適合整個系統(tǒng)的使用。 數(shù)據(jù)鏈路層 u由于數(shù)據(jù)的傳輸是在廣播無線信道上，所以WSN的介質(zhì)訪問 （MAC）協(xié)議設計至關(guān)重要。 u本系統(tǒng)選用的是基于競爭的MAC協(xié)議中的CC-MAC協(xié)議。該協(xié)議適 用于高密度網(wǎng)絡，這也是本系統(tǒng)所需要的。 網(wǎng)絡層 u網(wǎng)絡層是WSN協(xié)議棧中研究最多的部分。 在這部分，主要是解決路由選擇問題。 u使用鏈路狀態(tài)路由協(xié)議中的最短路徑 優(yōu)先（OSPF） 協(xié)議作為路由協(xié)議。 傳輸層 u由于不能使用TCP和UDP協(xié)議，所以本系統(tǒng)采用了IFRC 協(xié)議和 BCR協(xié)議。 uIFRC 能著重保證信道帶寬能更公平地被相鄰多個節(jié)點所分享，用 在傳感器的通信上； u

12、BGR 能在地理路由中增加方向偏離范圍，以此來擴大轉(zhuǎn)發(fā)路徑的 可選范圍，用在路由器之間的通信上。 應用層 u在應用層，主要是數(shù)據(jù)的壓縮和傳輸?shù)募夹g(shù)。 u本系統(tǒng)運用了S-LZW（以節(jié)點為中心的壓縮機制）協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓 縮，包括了S-LZW-MC-BWT（用于圖像、聲音、文本的預處理壓 縮）協(xié)議和S-LZW-MC-ST（基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）協(xié)議。 u使用COUGAR協(xié)議進行數(shù)據(jù)融合。 u通過MANNA方案進行分布式網(wǎng)絡管理。 跨層解決方案 u由于無線傳感器網(wǎng)絡的資源十分有限，而且采用分層的體系結(jié)構(gòu)，各 層的設計相互獨立且具有一定局限性，因而各層的優(yōu)化設計并不能保 證整個網(wǎng)絡的設計最優(yōu)。 u

13、跨層設計的目標就是實現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間的設計互動與 性能平衡，支持網(wǎng)絡能量管理的優(yōu)化，提高網(wǎng)絡的實用性和可行性。 u在傳感器網(wǎng)絡中，采用自適應的跨層優(yōu)化協(xié)議，可以在能量受限的情 況下，有效節(jié)省能量， 延長網(wǎng)絡的生存期，滿足應用的高吞吐量、低 延遲等要求。 定位 u相比較很多的系統(tǒng)而言，定位技術(shù)是不可避免的一項。由于不可能 給每個傳感器節(jié)點都安裝一個GPS，所以無法使用GPS定位系統(tǒng)， 所以定位技術(shù)的重要性可想而知。 u本系統(tǒng)使用的是APIT（近似三角形內(nèi)點）協(xié)議進行定位的。該方法 復雜度較低，與其他的定位方法相比，系統(tǒng)開銷小，很適合大規(guī)模 的無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)使用。 智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑

14、戰(zhàn) u優(yōu)先的通信服務的挑戰(zhàn)：傳感器網(wǎng)絡屬于自組織 形式，且節(jié)點的能源和計算能力是有限的。在實 際運用中，為了為有效地降低耗能，節(jié)點必須要 保障連接的健壯性且盡量減少傳輸耗能，并最大 限度地避免網(wǎng)絡干擾。此外，網(wǎng)絡必須能夠優(yōu)先 關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸。但是目前的無線網(wǎng)絡在提供了 良好的服務質(zhì)量的同時卻并沒有明確提供優(yōu)先的 通信服務，而優(yōu)先的通信這一點卻恰恰是此技術(shù) 應用在醫(yī)療領(lǐng)域中的關(guān)鍵。 u動態(tài)組網(wǎng)與大規(guī)模網(wǎng)絡中節(jié)點移動性管理：當監(jiān) 返回 智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) 隨著系統(tǒng)擴展范圍越來越大，網(wǎng)絡規(guī)模變得非常巨大，并且許多的監(jiān)護節(jié)點與基站 都具有的運動性。拓撲管理方面面臨著很大的挑戰(zhàn)性。 數(shù)據(jù)安全性：無線

15、傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用自組織 方式組網(wǎng)，容易受到攻擊，此外，病人的信息 需要保密。然而，傳感器節(jié)點計算能力相當有 限，傳統(tǒng)的安全和加密技術(shù)都不適用。因此， 安全問題也是一大重點。 返回 智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) u數(shù)據(jù)完整性與數(shù)據(jù)壓縮：許多節(jié)點需要24小時 無間斷的監(jiān)測人體參數(shù)，節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)量 大，而節(jié)點的存儲容量小，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的壓縮算法 開銷太大不適合傳感器節(jié)點。另外，壓縮算法不 能損壞原始數(shù)據(jù)，否則會造成對病人的錯誤診斷。 這是在數(shù)據(jù)壓縮方面的挑戰(zhàn)。 返回 智能醫(yī)療系統(tǒng)展望 u從目前醫(yī)療信息化的發(fā)展來看，隨著醫(yī)療衛(wèi)生社 區(qū)化、保健化的發(fā)展趨勢日益明顯，通過射頻儀 器等相關(guān)終端設備在家庭中進行體征信息的實時 跟蹤與監(jiān)控，通過有效的傳感網(wǎng)，可以實現(xiàn)醫(yī)院 對患者或者是亞健康病人的實時診斷與健康提醒， 從而有效地減少和控制病患的發(fā)生與發(fā)展。此外， 傳感網(wǎng)技術(shù)在藥品管理和用藥環(huán)節(jié)的應用過程也