醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)體系結構與核心技術的論文
0 引言
物聯(lián)網(wǎng)的思想最早是由美國麻省理工學院Au-to-ID Center的著名教授Ashton 1999年提出的。隨著技術和應用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內涵不斷擴展。真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)對物的感知識別控制、網(wǎng)絡化互聯(lián)和智能處理的有機統(tǒng)一[1].當前，大型綜合醫(yī)院集中了大部分優(yōu)勢醫(yī)療資源，導致大型醫(yī)院就診人數(shù)日益劇增。但由于缺少必要的輔助工具，在設備管理、藥品管理等過程中會出現(xiàn)一些人為差錯[2].醫(yī)療設備科學、有效、安全的管理反映了當下醫(yī)院的管理水平，是醫(yī)院信息化的重要組成部分。隨著醫(yī)療設備數(shù)量日益增加以及醫(yī)院管理智能化要求越來越高，醫(yī)院對醫(yī)療設備的管理流程越來越復雜[3].運用物聯(lián)網(wǎng)技術，可以將感知技術、通信技術及軟件信息技術融合在一起；通過設備診斷技術與計算機網(wǎng)絡技術相結合，在設備上建立狀態(tài)監(jiān)測點，采集設備狀態(tài)數(shù)據(jù)后通過傳感設備、微計算芯片和通信模塊，按照約定的協(xié)議，把目標設備統(tǒng)一連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、數(shù)據(jù)反饋等集群目標的主動管理；利用信息管理平臺對設備運作進行分析判斷和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計，實現(xiàn)醫(yī)療設備信息化管理。本文對基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設備管理體系結構和關鍵技術進行研究，以供參考。
1 技術背景
1.1體系結構
體系結構本意是“統(tǒng)一的或一致的形式或結構”.體系結構可以精確地定義系統(tǒng)的組成部件及其關系，引導開發(fā)者遵循系統(tǒng)的一致性原則，以確保系統(tǒng)符合預期的要求。因此，物聯(lián)網(wǎng)體系結構是設計與實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的首要基礎[4].建立物聯(lián)網(wǎng)體系結構的最主要過程是從各種應用需求中統(tǒng)一抽取出組成系統(tǒng)的部件以及部件之間的組織關系。圖1是對物聯(lián)網(wǎng)體系結構的分類總結。
1.2關鍵技術物聯(lián)網(wǎng)主要是對感知層、網(wǎng)絡層和應用層等關鍵技術的應用、實現(xiàn)、研究和開發(fā)。其中感知層的關鍵技術見表1.
其他關鍵技術有傳感器網(wǎng)絡通信技術、通信網(wǎng)絡技術1平臺技術等[5].在物聯(lián)網(wǎng)中，不僅要實現(xiàn)物物相連，而且要做到識別、定位、追蹤和管理。而射頻識別（radio frequency identification,RFID）技術在物聯(lián)網(wǎng)感知層關鍵技術中處于突出的地位[6-7],是物聯(lián)網(wǎng)中規(guī)模化識別技術的首要選擇。
1.3存在問題
物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展為醫(yī)療設備的管理帶來了新的思路。它利用感知技術與智能裝置對醫(yī)療設備進行感知識別，通過網(wǎng)絡傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，達到對醫(yī)療設備實時控制、精確管理和設備共享的目的[8].物聯(lián)網(wǎng)的研究、實施、發(fā)展和應用還存在很多問題，主要有：
（1）規(guī)模化問題。為獲得完整可靠的數(shù)據(jù)，智能節(jié)點和RFID設備必須大量且合理地布置。在感知層，當一部分元件出現(xiàn)故障時，有其他元件可以替代，這就需要規(guī)模化來保證[9].
（2）標準化問題。包括RFID技術、通信協(xié)議及應用層的標準化。
（3）數(shù)據(jù)問題。首先，要通過物聯(lián)網(wǎng)能夠持續(xù)、穩(wěn)定、安全地獲取數(shù)據(jù)；其次，數(shù)據(jù)的時效性要有保證，網(wǎng)絡傳輸信息延遲問題要得到解決；最后，數(shù)據(jù)庫管理以及安全隱私問題[10].其中，數(shù)據(jù)的獲取與采集非常重要。
2 醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)體系結構
物聯(lián)網(wǎng)技術在某一領域中的應用，更多的是利用感知層、網(wǎng)絡層和傳輸層3層框架。針對現(xiàn)有研究基礎和醫(yī)院實際環(huán)境的特點，對醫(yī)療設備也采用了3層體系架構，但根據(jù)實際環(huán)境特點對醫(yī)院進行改進和細化。醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)與其他物聯(lián)網(wǎng)應用相比，具有設備眾多，應用復雜，系統(tǒng)中存在大量異構數(shù)據(jù)、異構接口和異構協(xié)議轉換等特點。在其體系架構中，將數(shù)據(jù)采集的終端設備和保證數(shù)據(jù)安全接入的AP和網(wǎng)關歸屬于感知層；中間件、網(wǎng)絡管理軟件和信息采集、匯聚、分析和發(fā)布軟件歸屬于傳輸層；醫(yī)院信息系統(tǒng)（hospitial information system,HIS）、實驗室信息系統(tǒng)（laboratory information system,LIS）等醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)歸屬于應用層。醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)體系結構如圖2所示。
2.1感知層
醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)感知層通過傳感器設備來采集RFID標簽或醫(yī)療設備等對象的數(shù)據(jù)，然后通過藍牙、Wi-Fi等短距離傳輸技術傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)物品感知信息和控制信息的統(tǒng)一識別。感知層主要包括RFID標簽、傳感器等關鍵技術以及醫(yī)療數(shù)據(jù)安全接入AP和智能網(wǎng)關等。其中，RFID是醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)的核心技術。它由電子標簽和讀寫器組成，在電子標簽內存儲特定格式標志物體信息的電子數(shù)據(jù)，并采用非接觸式自動識別技術，通過電子標簽對其附著的物體進行定位追蹤，具有讀取距離遠、數(shù)據(jù)存取速度快、安全性高等優(yōu)點[11-13].
2.2傳輸層
傳輸層包括中間件，網(wǎng)絡管理軟件，信息采集、匯聚、分析和發(fā)布系統(tǒng)等，并與位于醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)應用層的HIS、LIS建立接口。傳輸層主要用于將感知層識別的各種感知和控制信息按照通用數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議轉換成標準格式，實現(xiàn)醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)人與物、物與物之間的互聯(lián)互通。
2.3應用層
醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)應用層主要完成對感知層采集的數(shù)據(jù)的計算、處理和知識挖掘，并將這些數(shù)據(jù)與醫(yī)療活動中各種應用系統(tǒng)相結合，如電子病歷、HIS、LIS、影像歸檔和通信系統(tǒng)（picture archiving and com-muication system,PACS）等各種醫(yī)療信息系統(tǒng)和醫(yī)療設備管理平臺等應用系統(tǒng)，從而為管理決策提供支持。
3 系統(tǒng)關鍵技術
3.1智能網(wǎng)關設計
智能網(wǎng)關是醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)的基本組件之一，它是物聯(lián)網(wǎng)感知層與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層之間的橋梁。它一方面可以將感知層獲得的數(shù)據(jù)進行匯總、處理、存儲；另一方面可以通過各種不同的手段將這些數(shù)據(jù)傳遞給服務器，為應用層提供數(shù)據(jù)支持。網(wǎng)關支持無線傳感器網(wǎng)絡內部數(shù)據(jù)協(xié)同和匯聚，支持以傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission controlprotocol/internet protocol,TCP/IP）接入、3G接入或者其他接入方式，從而橋接傳感器網(wǎng)絡與醫(yī)院網(wǎng)絡[14-16].
（1）硬件設計：智能網(wǎng)關硬件設計如圖3所示。該設備器件采用低功耗設計，具備USB、Uart、SPI、I2C等傳感器硬件接口，并具備Wi-Fi、Zig Bee、Inter-net等通信接口接入能力。圖4為智能網(wǎng)關實物圖。感知節(jié)點采用MSP430和CC2420作為處理器和無線通信模塊，嵌入了基于Zig Bee芯片的無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)了傳感網(wǎng)絡子節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸，通用無線分組（general packet radio service,GPRS）通信模塊作為傳感網(wǎng)絡與物理室之間的橋梁。一方面實現(xiàn)以太網(wǎng)、3G、Wi-Fi、RS485、CAN總線等通信接口用于網(wǎng)絡層互聯(lián)；另一方面利用Zig Bee、射頻等無線傳輸手段實現(xiàn)與物聯(lián)網(wǎng)感知傳感器的交互連接。并添加Web Server、液晶顯示屏（liquid crystal display,LCD）、鍵盤、I/O接口、SD卡等功能，可以根據(jù)實際需求進行功能定制。
（2）軟件設計：智能網(wǎng)關位于傳輸層，負責與管理平臺與感知節(jié)點交互。醫(yī)療設備智能網(wǎng)關主要實現(xiàn)對現(xiàn)有接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡的配置管理，同時針對醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量龐大、各終端工作狀態(tài)需實時監(jiān)控等特點，對每一個終端設備分配一個可管理的地址，如IP地址等，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡通信安全設置、不同時間段各通信信道負載與均衡控制、運行時物聯(lián)網(wǎng)信息可靠性驗證、故障檢測及診斷日志等功能。智能網(wǎng)關軟件設計如圖5所示。
3.2中間件設計
物聯(lián)網(wǎng)的中間件是處在物聯(lián)網(wǎng)感知層和傳輸層之間的一種中間件系統(tǒng)，它起到一個中介的作用，屏蔽前端硬件的復雜性，并把采集到的數(shù)據(jù)送到后端的應用系統(tǒng)[17].在后臺應用系統(tǒng)和讀寫器之間，通過設置一個通用接口和平臺，實現(xiàn)每個應用環(huán)境的標準化和各應用系統(tǒng)之間的通信，該通用接口和平臺即醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)中間件。中間件捕獲實時信息和事件，并將其傳輸至后臺應用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或RFID讀寫器，從而實現(xiàn)RFID讀寫器與后臺數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)之間的信息交互[16].醫(yī)療設備物聯(lián)網(wǎng)中間件是RFID讀寫器與信息系統(tǒng)之間的紐帶，采用標準協(xié)議和接口技術。開發(fā)醫(yī)療設備管理中間件要遵守醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)應用服務的要求與標準，以實現(xiàn)RFID讀寫器與各應用系統(tǒng)之間的標準化數(shù)據(jù)傳輸[18].
RFID讀寫器讀取各種數(shù)據(jù)信息，通過中間件提取、解密、過濾、格式轉換、導入信息平臺的系統(tǒng)，實時反映設備的狀態(tài)，并通過應用系統(tǒng)響應于程序界面，供用戶瀏覽、選擇、修改、查詢[19].中間件系統(tǒng)的軟件結構主要由系統(tǒng)管理服務器和數(shù)據(jù)采集組成，如圖6所示。
3.3基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設備管理平臺設計
基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療設備管理服務平臺對感知信息進行采集、匯聚、分析和處理，主要包括用戶管理、設備參數(shù)維護、信息與圖形操作、綜合分析、日常管理、數(shù)據(jù)采集、信息數(shù)據(jù)分析等；主要針對醫(yī)療設備感知信息進行自動化采集、全面化匯聚、全局化分析，為醫(yī)療設備管理者和工程技術人員提供設備運行的技術狀態(tài)、使用情況、運行維護等實時信息，解決操作管理層、決策層等不同層次應用人員的實際要求。系統(tǒng)平臺按照功能和關系可以分為4層：數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)庫訪問層、業(yè)務邏輯層、應用層。其中，數(shù)據(jù)庫訪問層是數(shù)據(jù)層和業(yè)務邏輯層之間的橋梁，它包括數(shù)據(jù)的采集和存儲、終端設備和通信網(wǎng)絡的實時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)格式的轉換以及為相應的數(shù)據(jù)類型提供相應的數(shù)據(jù)支持。業(yè)務邏輯層包括用戶管理、數(shù)據(jù)的相關操作，功能模塊組件和Savant模塊。Savant模塊作為數(shù)據(jù)終端和系統(tǒng)應用的中間件，提供ONS、EPC等功能。應用層則提供各種應用程序的接口，實現(xiàn)具體的管理功能。系統(tǒng)具體的層次結構關系如圖7所示。
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