基于无线通信网络的远程医疗监护系统设计研究

鹿煜炜

（安徽医科大学第二附属医院 医学工程与信息部，安徽 合肥 230601）

基于无线通信网络的远程医疗监护系统设计研究

鹿煜炜

（安徽医科大学第二附属医院 医学工程与信息部，安徽 合肥 230601）

介绍了一种基于ZigBee网络的无线远程监护系统，对无线节点分布进行了规划，并分析了系统容量和网络扫描时间，从理论上证实了无线覆盖方案具有可行性。文中提出了在院内覆盖ZigBee无线网络和院内LAN相结合的组网方式，并分别基于Internet和GSM/GPRS设计了对合作医疗机构患者和家庭患者的远程通信方案。该系统具有功耗低、成本低、可靠性高、覆盖面广等特点。

远程医疗；无线通信；监护系统；ZigBee

随着我国社会老龄化的加剧，解决长期慢性病的医疗监护已成为重要的社会问题。一些突发性疾病及家庭保健，如心脑血管疾病，老人、孕妇、胎儿的日常护理和保健都需要长期的医疗监护。随着当今社会老年人口的剧增，医疗资源中监护的作用更加突出。

医疗监护仪器一般可分为两类，一类是常见的在医院内由医生或其他专业技术人员使用的专用监护设备，对患者进行各项生理指标的监护；另一类是在家庭或者其它非医院病区，在医生的指导下或经对患者简单的示教后，由患者本人或其家属使用监护设备对患者进行监护，所得生理指标会记录后由患者方带回医院提取监护设备中的数据，或者通过远程通信系统将监护设备记录的数据直接发送到医院。

在传统的方案中，监护系统大多是建立在线缆连接的基础上，一般体积和功耗大，不便携带，被监护者身上安装的传感设备难以自由灵活地移动和接入，监控数据只能在本地读取，因而限制了被监护者的行动，也影响了紧急状况下医护人员的处理响应时间，可能导致贻误最佳治疗时机。而且系统的医疗传感器和监护仪器通常是一对一的方式，没有集中管理，缺乏扩展性，成本高。为了使需要经常测量或不便测量生理指标的患者（例如常住家中的慢性疾病患者、老年患者或需要频繁做各种监测又可以自由在医院内行动的患者等）能够在随意运动的状态下测量某些常规的生理指标，目前国际上对远程医疗的关注越来越强。近年来，随着生物医学传感器的小型化和无线数据传输技术的快速发展普及，利用高频率的无线多通道数据传输方式传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息，使得无线医疗监护系统的研制成为热点［1-2］。

在本案中，院内除ICU采用区域集中监控的方式（各病床监控数据可在护士站专用设备上显示和调阅），其它病区依然使用着传统的监护方式，在病房按需设置监控仪器，医生在查房和处理紧急状况时分析并手工记录监控数据。医院在网络建设上的投入没有得到充分利用，因此有必要建立远程医疗监护，通过设立医院监护中心，在全院建立无线监测网络，减少监护设备与医疗传感器之间的连线，医疗监护设备测试可以在医院内大部分区域进行，使患者拥有较多的自由活动空间，能够极大地方便病人就诊，提高院内现有监护水平，并逐步扩展周边社区和外县市的远程监护。使被监护人能够在相对自由的环境获得测量数据，便于监护中心能够及时准确的得到被监护人的各项生理指标，在较准确的获得测量指标的同时让患者得到最及时有效的监护，提高医院的现代化信息管理和工作效率。

1　远程监护系统结构与功能

远程医疗监护系统的结构图如图l所示，系统主要由医疗传感器，信号处理、传输、显示、存储和监护中心工作站等模块组成。医疗传感器主要功能为采集人体生理指标数据，或对医疗设备的状况以及治疗过程情况进行动态监测，心电、脑电、肌电、呼吸体温等信号在患者随身携带的监控仪器上显示和存储。存储模块主要用于存储传感器采集的数据，在处理模块将数据传输之后，传感器节点内不做数据的大量存储。由传输模块接入网络，所得到的数据以不同的方式传输到医院监护中心服务器上，监护中心可实时显示或调阅系统内任一患者的当前或历史监控数据，通过分析软件进行分析，医生根据软件分析结果及自己的判断给患者适当的医嘱，必要时采取相应的救治措施［3-6］。

图1　远程监护系统结构图

医疗监控仪器已经是非常成熟的产品，因此在本设计中，重点关注的是信号经过监控仪器的传输模块后以何种方式传输，即图1中以云状图表示的部分。

按被监护人的地理位置不同，整个监护系统又可划分为三个功能模块：1、院内住院患者监护；2、已建立合作关系的地方医院和社区医疗所患者远程监护；3、家庭患者远程监护。对于这三类监护对象，都需要能够在获得监护的同时有一定行动范围，因此无线技术的引用必不可少。另一方面充分利用医院现有的高速稳定的有线网络，可以节约建设成本，提高系统的健壮性。

2　无线通信技术的选择

医院的医疗监护仪器对电磁辐射的要求很高，对于无线监护设备而言，其辐射的电磁波既不能影响其它医疗设备的正常运行，同时其自身也应具有一定的抗干扰能力。对院内住院患者，需要保证其在医院楼群范围的移动性，因此监护仪器应通过一种覆盖全院的无线网络连接病区工作站和监护中心；对社区医疗所患者，监控信号通过覆盖医疗所范围的无线网络，在医疗所工作站显示调用，并且可以通过Internet网从医疗所传送至医院的监护中心；对家庭患者，需要通过远距离的传输方式连接医院监护中心。

2.1家庭患者远程监护通信方式

在家接受远程监护的患者家庭条件有很大差异，不能保证家庭与Internet网时刻畅通，因此需要通过远距离的无线通信。目前在我国覆盖面积和通用性最好的是蜂窝网络（GSM/GPRS），通讯费用较低，且我院已与移动公司合作在医疗综合楼内架设蜂窝网络基站，除手术室等特殊区域外，全部设中继和发射天线，保证楼内信号畅通。信号通过蜂窝网络，监护中心硬件上只需增设GSM/ GPRS接收模块［7］。对于GSM/GPRS模块，目前国内已经使用的有西门子的TC35系列、爱立信的DM10/DM20系列、Falcom的A2D系列、Wavecome的WMO2系列等，而且这些模块的用法和功能差别不大。

2.2住院患者远程监护通信方式

对院内住院患者和社区医疗所患者，其活动场所固定，可在医院和医疗所分别通过短距离无线通信连接监护仪器和监护工作站。评价无线通讯系统的主要参数有网络大小、传输距离、传输速率以及功耗等。几种常见的短距离无线通信系统的对比如表1所示［8］。

表1　短距离无线通信系统对比

基于IEEE 802.11标准的无线宽带WiFi有着高传输速率，但同时有着高功耗，系统复杂，项目成本高。且本院从保护数据安全和投入成本角度考虑，还没有实施院内无线宽带覆盖的计划。

相对来说，基于IEEE 802.15.4的ZigBee技术和基于IEEE 802.15.1的蓝牙技术有相对较低的成本和功耗（目前ZigBee模块的成本仅约5美元并且是免专利费的。ZigBee设备发射功率仅为1 mW，采用休眠模式的ZigBee设备使用两节AA干电池一般可正常使用两年以上），同时传输速率能够满足医疗监护数据传输的需要。相比之下，低复杂度、自组织易扩展、抗毁性强、传输距离范围大的ZigBee技术最合适的选择。

3　监护网络通信设计

3.1ZigBee协议

ZigBee协议栈架构是在参照OSI模型的基础上，根据其自身的特点和实际应用的需要定义的，由物理层、控制层、网络层和应用层等构成。其中：IEEE 802.15.4工作组定义了物理层和数据链路层的底层协议；在此基础上，ZigBee联盟参照和采用现有的标准定义了网络层和应用层的开发，以及制定安全协议、高层应用、测试和市场推广等［9-13］。

在本系统中，为满足无线通信要求，需要在医院内和医疗所内覆盖网络。在整个网络范围内，除了边缘节点可采用RFD以节省费用外，每一个ZigBee网络数据传输模块之间可以相互通信，网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料，如图2所示。每个网络节点间的距离可以从标准的75米进行扩展，相对于价值百万元人民币以上的移动通信基站，ZigBee“基站”的成本不到1 000元。

图2　ZigBee网络示意图

3.2ZigBee网络规划

ZigBee标准的特点满足了本系统对无线通讯的基本需求，在对一个项目进行网络规划时，需要在充分考虑网络容量和时延的前提下，根据应用场所环境的不同，设计最优的网络拓扑结构来满足具体应用。虽然理论上一个ZigBee网络可以最多包括高达6.5万个网络节点，但是每两个相邻节点完成一次通信的时间为15 ms，整个网络扫描一次的时间为中心节点对所有节点完成一次轮询的时间。当网络中节点的数量增加时，在增加无线网络覆盖面积的同时大大增加了网络的扫描时间，从而带来较大的网络响应时间，影响应用业务的实现，因而需要在节点数量和网络扫描时间两个参数间进行平衡以获得最优的性能。

首先对理想状态下常见拓扑结构的ZigBee网络进行容量和延迟分析：

（一）线状网络

最简单的线状覆盖区域，节点分布成一条直线或曲线，两两相邻节点直接进行通信。例如：除了中心节点外，假设有N个节点，且中心节点位于线的一端，则可以计算网络的扫描时间T（单位：ms）的公式为：

T=15×（1+2+3+……+N）（1）

若中心节点位于线中一点，并设中心节点一侧有M（0≤M≤N）个节点，另一侧有N-M个节点，则可以计算T为：

显然，当M=N/2（不妨令N为偶，中心节点位于正中位置）时T取最小值，当M=0或N（中心节点位于两端）时T取最大值。从中易见，在线形结构中，对应一定的节点数量，中心节点位置尽可能取在中间位置能够有效减少网络的扫描时间；同样，对应一定的延时要求，能提高网络容量，扩大覆盖面积。

（二）网型网络

常见的网型结构由于自组织网络的多路径，网络的扫描时间计算相对线性网络较复杂。这里以方形区域为例，节点布设以方形网格代替蜂窝状网络做简单分析。按照线性结构网络中得出结论，易见网型中中心节点位于覆盖区域中心同样有扫描时间较少等优点，假设中心节点位于网络区域重心位置，能和中心节点相邻经过1跳通信的节点数有8个，经过2跳通信的节点数有16个，示意图如图3所示。

理论上图中25个节点可以覆盖约1.4×105平方米的区域，网络的一次扫描时间T约为0.6 s。

（三）立体网络

在实际现场应用中，网络覆盖区域是复杂的，在现代化建筑中节点布设也是立体的，一个Zig-bee网络通常需要综合采用几种拓扑结构，需要将不同结构的各个子网连成一个大网，这样网络的扫描时间就等于中心节点到各个子网扫描时间之和，为了减少系统扫描时间，中心节点应尽量选择在几个子网的中间位置。

图3　ZigBee网型网络节点跳数示意图

对于本院的住院患者，正常活动区域一般在住院部和医技检查区域。医院的内科和外科住院部分别位于南楼和北楼的六至十九层标准层，每个标准层的建筑结构相同，建筑面积为1 576.9 m2（约22.3 m×72.2 m的矩形），门诊急诊位于A区一至四层裙楼，每层建筑结构相似，近似为91.2 m×150 m的矩形，俯视简图如图4所示。

图4　医院俯视简图

首先从节省成本，减少节点数量出发，以单节点覆盖75米计算，单个标准病区（约22.3 m×72.2 m）在区域中心位置设置一个节点即可，每个标准层设置一个节点，形成了两条14个节点的线型网络；门急诊区域单层（约91.2 m×150 m）至少设置两个节点即可，这样四层的门急诊区域形成一个2×4的网型网络，如图5所示。

由上图可见，在不考虑节点冗余和节点功率受建筑阻碍衰减的理想情况下，以上节点分布设计可以满足院内患者正常活动区域内全部覆盖的需要。根据前文对中心节点设置位置的分析，结合实际分布，可以在南北楼中间的四楼设置监护中心，安装Zigbee中心节点、网关、监护管理中心工作站等。中心节点可以通过增加RF发射功率的方法，调整通讯距离，保障和3个子网（南楼、北楼和门急诊楼）的通讯。系统共需节点数1+8+ 14+14=37个，网络扫描时间T=T1+T2+T3，其中T1/T2为南北楼线型子网络到中心节点扫描时间，T3为门急诊网型子网络到中心节点扫描时间：T1=15×（1+2+3+……+14）=1 575 ms，T3=15×（1+2+3+4）×2=300 ms。

计算出T=3 450 ms，对于医用监护设备收发数据而言，3～4 s的延迟显然是满足需要的。

图5　医院Zigbee节点分布示意图

在考虑实际冗余和衰减的情况下，按照节点保障通讯距离约30 m设计，这样即便有节点失效，相邻节点可以替代完成路由功能。重新对图5进行设计：南北楼标准层每层设置2个节点，形成两个网型子网络；门急诊每层设置2×4个节点，形成一个立体网型子网络，如图6所示。系统共需节点数1+32+28+28=89个，网络扫描时间T=T1+ T2+T3，其中T1/T2为南北楼线型子网络到中心节点扫描时间，T3为门急诊网型子网络到中心节点扫描时间：

图6　医院Zigbee节点分布示意图二

T1=15×（1+2+3+……+14）×2=3 150 ms，而T3计算较为复杂，可以假设上下相邻层的节点一一对应通讯，节点的网络跳数如图7所示。

图7　医院门急诊区Zigbee节点跳数示意图

参照上文对平面网型网络节点跳数计算方法，根据上图立体网型结构可以计算门急诊区32个节点扫描一遍的时间T3为：

T3=15×（1×3+2×8+3×8+4×8+5×5）=1 500 ms，得T=7 800 ms，对于医用监护设备收发数据而言，10 s内的延迟可以满足一般的测试需要。

由此可见，在医院内完全可以建立起一个覆盖全院医疗区域的，满足医用监护终端延迟需求的ZigBee网络，按单个节点建设费用在千元左右计算全部节点建设的工程投入不过是万元级的。而且当覆盖范围增加时，只需增加ZigBee节点就可以对网络进行扩展，在监护中心的管理工作站进行相应的配置就可以完成系统的扩容。

在医院内部，通过ZigBee网络，患者身上装置的监护设备的无线模块接受监护中心发送的控制信号，并将监护数据传输到监护中心。各病区监护站与监护中心通过医院内网进行通讯，监护数据在监护系统专用服务器上调度和存储，保证数据资料信息的稳定传输和可靠保存，也方便了医院监护中心对各病区监护站的集中管理，有效的利用了医院的人力资源和医疗设备资源。

3.3远程监护网络设计

3.3.1院内监护网络结构

具体到本系统建设而言，在患者装置的监护设备需要提供ZigBee无线网络模块，同时，医院监护中心需要建立ZigBee网络节点，并通过RS232/485或USB等其它线缆连接监护中心电脑主机。监护中心和各病区监护站的电脑均连接医院内部快速以太网，并在中心机房建立监护系统服务器。如图8所示。

图8　医院内部监护系统网络示意图

3.3.2合作医疗机构监护网络结构

在与我院建立协作关系的地方医院和小区医疗所，需要在其单位范围内覆盖ZigBee网络，在其监护站建设一台同时连接其内部ZigBee网络和Internet网络的工作站主机，并根据数据量选择本地存储设备。这样在其医疗机构内形成了完整的无线监护系统，可以脱离Internet网络而运行。需要的情况下，向安医大二附院监护中心发起远程监护请求，同时，二附院监护中心工作站主机通过配置双网卡或其他方式接入Internet网络。通过Internet网络，被监护患者的各项监测数据传送到安医大二附院监护中心，检测数据也能通过二附院内网传输到目的病区监护站并存储在监护系统服务器上，如图9所示。

3.3.3家庭患者监护网络结构

对在家庭接受监护的患者，监护设备通过GSM/GPRS传输模块经电信蜂窝网络与二附院监护中心工作站GSM/GPRS模块传输检测数据及控制信号，由医院内网传输和存储，如图10所示。

图9　小区医疗所/地方医院监护系统网络示意图

图10　家庭患者监护系统网络示意图

综合以上针对三种监护对象的网络通讯设计，如图11所示。就硬件建设而言：医院监护中心工作站的通讯模块必须包括：GSM/GPRS射频模块、双网卡（分别连接医院内部以太网和Internet网）、RS232/485串口或USB等模块（用于连接ZigBee节点），同时在监护中心设置一个ZigBee节点；院内各病区监护站的通讯模块必须包括：网卡（连接医院内部以太网）；小区医疗所和地方医院工作站的通讯模块必须包括：网卡（连接Internet网）、RS232/485串口或USB等模块（用于连接ZigBee节点），同时在工作站处设置一个ZigBee节点；监护仪器的通讯模块必须包括：GSM/GPRS射频模块和ZigBee模块。此外，需要在医疗机构覆盖ZigBee网络，在二附院架设监护系统服务器。二附院内外网已经投入正常运行，因此需要增加建设的主要是ZigBee网络覆盖，而ZigBee网络是低成本且易于扩展的，因此远程监护工程建设项目不会给医院带来过高的成本投入（组网实拍图见图12）。

图11　监护系统网络示意图

图12　医院组网实拍图

4　结论

通过对国内外远程医疗监护设备和系统方案进行分析和研究，在需求调研的基础上，从节省工程成本、充分利用现有网络、易于建设的角度出发，设计了针对院内患者、合作医疗机构患者和家庭患者的远程监控系统方案。

通过对常见无线通讯标准的对比，选择了ZigBee这种低成本低功耗的、易于维护扩展的、同时又能满足医疗监护设备数据传输需要的无线通讯标准；经过对IEEE 802.15.4和ZigBee协议的研究，规划出可行的节点分布，并分析了系统容量和网络扫描时间，从理论上证实了无线覆盖方案具有可行性。与传统的远程医疗监护系统相比，本设计引入了ZigBee无线标准，提出了在院内覆盖ZigBee无线网络和院内LAN相结合的组网方式，并根据使用环境的不同，分别基于Internet和GSM/GPRS设计了对合作医疗机构患者和家庭患者的通信方案，构成了一个覆盖较完整的远程监护通信系统。

在本设计的基础上，还可以考虑增加患者追踪定位系统，通过患者佩戴的监护设备，监护网络将患者的定位信息发送到监护中心。此外，目前医疗设备中Bluetooth和WiFi无线技术的应用相对更为普遍，在存在多种无线信号的环境下，Zig-Bee与Bluetooth和WiFi的共存分析也是下一步值得探讨的课题。

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Design and research of wireless and long-distance monitoring system based on Zigbee network

LU Yu-wei

（Medical Engineering Dept，The Second Hospital of Anhui Medical University，Hefei Anhui 230601，China）

This paper introduces a kind of wireless and long-distance monitoring system which is based on the ZigBee network.In case a feasible plan of the node distribution，the article analyzes the system capacity and network scanning time，proves the feasibility of the wireless coverage design theoretically.Then，the paper initiates a network combination of ZigBee and LAN. Moreover，the communication solution for cooperative medical institutions and families were designed based on Internet and GSM/GPRS respectively.The design of the system possess advantages of low power consumption，low cost，wide coverage，high reliability，etc.

telemedicine；wireless communication；monitoring system；ZigBee

TN923

A

1004-4329（2016）02-084-08

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）02-084-08

2016-02-20

安徽省高等学校自然科学研究重点项目（KJ2016A562）资助。

鹿煜炜（1984－），男，博士生，工程师，研究方向：智能信息处理。