醫療設備物聯網體系結構與核心技術的論文

0 引言

物聯網的思想最早是由美國麻省理工學院Au-to-ID Center的着名教授Ashton 1999年提出的。隨着技術和應用的發展，物聯網的內涵不斷擴展。真正意義上的物聯網可以實現對物的感知識別控制、網絡化互聯和智能處理的有機統一[1].當前，大型綜合醫院集中了大部分優勢醫療資源，導致大型醫院就診人數日益劇增。但由於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一些人為差錯[2].醫療設備科學、有效、安全的管理反映了當下醫院的管理水平，是醫院信息化的重要組成部分。隨着醫療設備數量日益增加以及醫院管理智能化要求越來越高，醫院對醫療設備的管理流程越來越複雜[3].運用物聯網技術，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絡技術相結合，在設備上建立狀態監測點，採集設備狀態數據後通過傳感設備、微計算芯片和通信模塊，按照約定的協議，把目標設備統一連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、數據反饋等集羣目標的主動管理；利用信息管理平台對設備運作進行分析判斷和數據分析統計，實現醫療設備信息化管理。本文對基於物聯網的醫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“統一的或一致的形式或結構”.體系結構可以精確地定義系統的組成部件及其關係，引導開發者遵循系統的一致性原則，以確保系統符合預期的要求。因此，物聯網體系結構是設計與實現物聯網系統的首要基礎[4].建立物聯網體系結構的最主要過程是從各種應用需求中統一抽取出組成系統的部件以及部件之間的組織關係。圖1是對物聯網體系結構的分類總結。

1.2關鍵技術物聯網主要是對感知層、網絡層和應用層等關鍵技術的應用、實現、研究和開發。其中感知層的關鍵技術見表1.

其他關鍵技術有傳感器網絡通信技術、通信網絡技術1平台技術等[5].在物聯網中，不僅要實現物物相連，而且要做到識別、定位、追蹤和管理。而射頻識別（radio frequency identification,RFID）技術在物聯網感知層關鍵技術中處於突出的地位[6-7],是物聯網中規模化識別技術的首要選擇。

1.3存在問題

物聯網技術的發展為醫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療設備進行感知識別，通過網絡傳輸互聯，進行計算、處理和知識挖掘，達到對醫療設備實時控制、精確管理和設備共享的目的[8].物聯網的'研究、實施、發展和應用還存在很多問題，主要有：

（1）規模化問題。為獲得完整可靠的數據，智能節點和RFID設備必須大量且合理地佈置。在感知層，當一部分元件出現故障時，有其他元件可以替代，這就需要規模化來保證[9].

（2）標準化問題。包括RFID技術、通信協議及應用層的標準化。

（3）數據問題。首先，要通過物聯網能夠持續、穩定、安全地獲取數據；其次，數據的時效性要有保證，網絡傳輸信息延遲問題要得到解決；最後，數據庫管理以及安全隱私問題[10].其中，數據的獲取與採集非常重要。

2 醫療設備物聯網體系結構

物聯網技術在某一領域中的應用，更多的是利用感知層、網絡層和傳輸層3層框架。針對現有研究基礎和醫院實際環境的特點，對醫療設備也採用了3層體系架構，但根據實際環境特點對醫院進行改進和細化。醫療設備物聯網與其他物聯網應用相比，具有設備眾多，應用複雜，系統中存在大量異構數據、異構接口和異構協議轉換等特點。在其體系架構中，將數據採集的終端設備和保證數據安全接入的AP和網關歸屬於感知層；中間件、網絡管理軟件和信息採集、匯聚、分析和發佈軟件歸屬於傳輸層；醫院信息系統（hospitial information system,HIS）、實驗室信息系統（laboratory information system,LIS）等醫療設備物聯網應用系統歸屬於應用層。醫療設備物聯網體系結構如圖2所示。

2.1感知層

醫療設備物聯網感知層通過傳感器設備來採集RFID標籤或醫療設備等對象的數據，然後通過藍牙、Wi-Fi等短距離傳輸技術傳輸數據，實現物品感知信息和控制信息的統一識別。感知層主要包括RFID標籤、傳感器等關鍵技術以及醫療數據安全接入AP和智能網關等。其中，RFID是醫療設備物聯網的核心技術。它由電子標籤和讀寫器組成，在電子標籤內存儲特定格式標誌物體信息的電子數據，並採用非接觸式自動識別技術，通過電子標籤對其附着的物體進行定位追蹤，具有讀取距離遠、數據存取速度快、安全性高等優點[11-13].

2.2傳輸層

傳輸層包括中間件，網絡管理軟件，信息採集、匯聚、分析和發佈系統等，並與位於醫療設備物聯網應用層的HIS、LIS建立接口。傳輸層主要用於將感知層識別的各種感知和控制信息按照通用數據傳輸協議轉換成標準格式，實現醫療設備物聯網人與物、物與物之間的互聯互通。

2.3應用層

醫療設備物聯網應用層主要完成對感知層採集的數據的計算、處理和知識挖掘，並將這些數據與醫療活動中各種應用系統相結合，如電子病歷、HIS、LIS、影像歸檔和通信系統（picture archiving and com-muication system,PACS）等各種醫療信息系統和醫療設備管理平台等應用系統，從而為管理決策提供支持。

3 系統關鍵技術

3.1智能網關設計

智能網關是醫療設備物聯網系統實現的基本組件之一，它是物聯網感知層與物聯網網絡層之間的橋樑。它一方面可以將感知層獲得的數據進行彙總、處理、存儲；另一方面可以通過各種不同的手段將這些數據傳遞給服務器，為應用層提供數據支持。網關支持無線傳感器網絡內部數據協同和匯聚，支持以傳輸控制協議/因特網互聯協議（transmission controlprotocol/internet protocol,TCP/IP）接入、3G接入或者其他接入方式，從而橋接傳感器網絡與醫院網絡[14-16].

（1）硬件設計：智能網關硬件設計如圖3所示。該設備器件採用低功耗設計，具備USB、Uart、SPI、I2C等傳感器硬件接口，並具備Wi-Fi、Zig Bee、Inter-net等通信接口接入能力。圖4為智能網關實物圖。感知節點採用MSP430和CC2420作為處理器和無線通信模塊，嵌入了基於Zig Bee芯片的無線收發模塊，實現了傳感網絡子節點之間的數據傳輸，通用無線分組（general packet radio service,GPRS）通信模塊作為傳感網絡與物理室之間的橋樑。一方面實現以太網、3G、Wi-Fi、RS485、CAN總線等通信接口用於網絡層互聯；另一方面利用Zig Bee、射頻等無線傳輸手段實現與物聯網感知傳感器的交互連接。並添加Web Server、液晶顯示屏（liquid crystal display,LCD）、鍵盤、I/O接口、SD卡等功能，可以根據實際需求進行功能定製。

（2）軟件設計：智能網關位於傳輸層，負責與管理平台與感知節點交互。醫療設備智能網關主要實現對現有接入網、核心網等網絡的配置管理，同時針對醫療設備物聯網終端數量龐大、各終端工作狀態需實時監控等特點，對每一個終端設備分配一個可管理的地址，如IP地址等，從而實現網絡通信安全設置、不同時間段各通信信道負載與均衡控制、運行時物聯網信息可靠性驗證、故障檢測及診斷日誌等功能。智能網關軟件設計如圖5所示。

3.2中間件設計

物聯網的中間件是處在物聯網感知層和傳輸層之間的一種中間件系統，它起到一箇中介的作用，屏蔽前端硬件的複雜性，並把採集到的數據送到後端的應用系統[17].在後台應用系統和讀寫器之間，通過設置一個通用接口和平台，實現每個應用環境的標準化和各應用系統之間的通信，該通用接口和平台即醫療設備物聯網中間件。中間件捕獲實時信息和事件，並將其傳輸至後台應用數據庫系統或RFID讀寫器，從而實現RFID讀寫器與後台數據庫系統之間的信息交互[16].醫療設備物聯網中間件是RFID讀寫器與信息系統之間的紐帶，採用標準協議和接口技術。開發醫療設備管理中間件要遵守醫院物聯網應用服務的要求與標準，以實現RFID讀寫器與各應用系統之間的標準化數據傳輸[18].

RFID讀寫器讀取各種數據信息，通過中間件提取、解密、過濾、格式轉換、導入信息平台的系統，實時反映設備的狀態，並通過應用系統響應於程序界面，供用户瀏覽、選擇、修改、查詢[19].中間件系統的軟件結構主要由系統管理服務器和數據採集組成，如圖6所示。

3.3基於物聯網的醫療設備管理平台設計

基於物聯網的醫療設備管理服務平台對感知信息進行採集、匯聚、分析和處理，主要包括用户管理、設備參數維護、信息與圖形操作、綜合分析、日常管理、數據採集、信息數據分析等；主要針對醫療設備感知信息進行自動化採集、全面化匯聚、全局化分析，為醫療設備管理者和工程技術人員提供設備運行的技術狀態、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。系統平台按照功能和關係可以分為4層：數據庫、數據庫訪問層、業務邏輯層、應用層。其中，數據庫訪問層是數據層和業務邏輯層之間的橋樑，它包括數據的採集和存儲、終端設備和通信網絡的實時數據採集和數據格式的轉換以及為相應的數據類型提供相應的數據支持。業務邏輯層包括用户管理、數據的相關操作，功能模塊組件和Savant模塊。Savant模塊作為數據終端和系統應用的中間件，提供ONS、EPC等功能。應用層則提供各種應用程序的接口，實現具體的管理功能。系統具體的層次結構關係如圖7所示。