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?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(luò)(WSN) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(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(diǎn)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(luò)系統(tǒng)，其目 的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)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(luò)(WSN)是一項(xiàng)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用

2、場景。 返回 無線傳感網(wǎng)與醫(yī)療 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)逐漸進(jìn)入醫(yī)療領(lǐng)域， 它作為傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程、實(shí)時檢測，幫助醫(yī) 院醫(yī)護(hù)人員及時高效地對病人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與診斷。 我們主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及監(jiān)護(hù)節(jié) 點(diǎn)設(shè)計(jì)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(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技 術(shù)等，實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)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(jìn)的物聯(lián)網(wǎng) 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間的互動，逐步 達(dá)到信息化。 返回 智能醫(yī)療的發(fā)展現(xiàn)狀 u當(dāng)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(shí)現(xiàn)各種醫(yī)療應(yīng)用，終端方面則是采用了具備醫(yī)療定 制服務(wù)功能的PDA等。 u同時當(dāng)前智能醫(yī)療并沒有實(shí)現(xiàn)真正的智能化，只是通過設(shè)備提高了 就診的便利性，智能醫(yī)療還待進(jìn)一步的研究和提高。 返回 根據(jù)實(shí)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(shí)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(dǎo)航 對有特殊需要的患者建立遠(yuǎn)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(luò)，用來監(jiān)測呼吸、血壓、心率等重 要生理指標(biāo)，在實(shí)時監(jiān)測的同時還保證了患者適當(dāng)?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(yīng)的智能診療設(shè)備，實(shí)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(jìn)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(shè)備 智能診療設(shè)備其實(shí)還在為了實(shí)時監(jiān)測患者健康狀況，只是可穿戴設(shè) 備更方便、更有效地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測的實(shí)時性。 在智能診療設(shè)備的設(shè)計(jì)上，是將傳感器設(shè)計(jì)在可穿戴設(shè)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(dǎo)航實(shí)現(xiàn)部分。 返回 智能診療設(shè)備 返回 智能手術(shù)室 智能手術(shù)室結(jié)合了機(jī)器人系統(tǒng)、人類工程學(xué)設(shè)計(jì)以及先進(jìn)的通訊 技術(shù)。 機(jī)器人系統(tǒng)可根據(jù)醫(yī)生的聲音進(jìn)行相應(yīng)的操作并只執(zhí)行其指令， 機(jī)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(jìn)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(xué)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(yuǎn)距離或超國界操作手術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。 返回 智能手術(shù)室 返回 智能導(dǎo)航 智能導(dǎo)航建立在動態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，包括終端、基站、觸發(fā)器、 服務(wù)器和多媒體設(shè)備。 終端實(shí)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(jìn)行發(fā)送，服務(wù)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(shí)現(xiàn)定位，多媒 體設(shè)備則用來將導(dǎo)航信息反饋到定位對象。 返回 智能導(dǎo)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(diǎn)和每個區(qū)域 的分站點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的采集，分站點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的初 步處理、發(fā)送、預(yù)警等功能。 u主要應(yīng)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(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng)； 智能提示指導(dǎo)系統(tǒng)； 智能呼救定位系統(tǒng)。 返回 智能遠(yuǎn)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(luò)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(biāo) （如心率、呼吸、血壓等）監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，通過這些節(jié)點(diǎn) 可以對患者的重要生理指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。隨后在本地簡單地處理 傳

8、感器節(jié)點(diǎn)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(luò) 或互聯(lián)網(wǎng)傳送到為患者提供遠(yuǎn)程健康監(jiān)測服務(wù)的醫(yī)院。 返回 智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)測系統(tǒng) 返回 智能提示指導(dǎo)系統(tǒng) u 與醫(yī)院方面建立了智能遠(yuǎn)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(biāo)進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)程監(jiān)測的基礎(chǔ)上的，通過患者隨 身攜帶的無線傳感設(shè)備，使用GPS定位技術(shù)。醫(yī)院方面使用GPS信 號機(jī)接受監(jiān)測目標(biāo)的衛(wèi)星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶位置，最

9、終 實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。 返回 GPS定位實(shí)例 返回 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的一部分，沒有系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè) 計(jì)，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?fù)湓O(shè)計(jì)構(gòu)成： u區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)； u家庭健康系統(tǒng)的拓?fù)湓O(shè)計(jì)。 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(yuǎn)，并且考 慮到可拓展方面，我們選定用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)的 結(jié)構(gòu)。拓?fù)錁浣Y(jié)構(gòu)具有成本低、擴(kuò)充方便靈活、尋找鏈路路徑方便、 易于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大型區(qū)域傳感網(wǎng)絡(luò)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和外 部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兩個方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。對于外部拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)；對于內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來講，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如下圖： 返回 家庭健康系統(tǒng) 返回 外部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 家庭健康系統(tǒng) 返回 內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 物理層 物理層是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。 u物理層采用DSSS(直接序列擴(kuò)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(diǎn)，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(shè)計(jì)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(luò)，這也是本系統(tǒng)所需要的。 網(wǎng)絡(luò)層 u網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(kuò)大轉(zhuǎn)發(fā)路徑的 可選范圍，用在路由器之間的通信上。 應(yīng)用層 u在應(yīng)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(yùn)用了S-LZW（以節(jié)點(diǎn)為中心的壓縮機(jī)制）協(xié)議實(shí)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(yù)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(jìn)行數(shù)據(jù)融合。 u通過MANNA方案進(jìn)行分布式網(wǎng)絡(luò)管理。 跨層解決方案 u由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的資源十分有限，而且采用分層的體系結(jié)構(gòu)，各 層的設(shè)計(jì)相互獨(dú)立且具有一定局限性，因而各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能保 證整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。 u

13、跨層設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)邏輯上并不相鄰的協(xié)議層次間的設(shè)計(jì)互動與 性能平衡，支持網(wǎng)絡(luò)能量管理的優(yōu)化，提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性和可行性。 u在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，采用自適應(yīng)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(luò)的生存期，滿足應(yīng)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(xiàng)。由于不可能 給每個傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)）協(xié)議進(jìn)行定位的。該方法 復(fù)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(wù)的挑戰(zhàn)：傳感器網(wǎng)絡(luò)屬于自組織 形式，且節(jié)點(diǎn)的能源和計(jì)算能力是有限的。在實(shí) 際運(yùn)用中，為了為有效地降低耗能，節(jié)點(diǎn)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(luò)干擾。此外，網(wǎng)絡(luò)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(luò)在提供了 良好的服務(wù)質(zhì)量的同時卻并沒有明確提供優(yōu)先的 通信服務(wù)，而優(yōu)先的通信這一點(diǎn)卻恰恰是此技術(shù) 應(yīng)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(luò)中節(jié)點(diǎn)移動性管理：當(dāng)監(jiān) 返回 智能醫(yī)療系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn) 隨著系統(tǒng)擴(kuò)展范圍越來越大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變得非常巨大，并且許多的監(jiān)護(hù)節(jié)點(diǎn)與基站 都具有的運(yùn)動性。拓?fù)涔芾矸矫婷媾R著很大的挑戰(zhàn)性。 數(shù)據(jù)安全性：無線

15、傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)計(jì)算能力相當(dāng)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(diǎn)。 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(diǎn)需要24小時 無間斷的監(jiān)測人體參數(shù)，節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)量 大，而節(jié)點(diǎn)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(diǎn)。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(shè)備在家庭中進(jìn)行體征信息的實(shí)時 跟蹤與監(jiān)控，通過有效的傳感網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)院 對患者或者是亞健康病人的實(shí)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(yīng)用過程也