基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计＊

周杰，王申，田敏

基于无线传感器网络的远程医疗监护系统设计＊

周杰，王申，田敏

（石河子大学，新疆 石河子 832003）

近年来中国人口老龄化速度加快，截至2019年初，60岁以上人口将近2.5亿人，传统的医疗模式及资源不能充分满足老年人的医疗需求。远程医疗监控技术在提升医疗效率的同时也可以有效降低医疗成本。为了高效、人性化地进行医疗监护，采用无线传感器网络进行系统设计，收集病患生理参数并及时传送到监护中心，为医护人员作出诊断提供帮助。

传感器网络；远程医疗；体域网；慢性病

1 引言

进入21世纪以来，随着科学技术在各个领域的迅速发展和应用，人们的生活水平和健康状况也不断获得提升，然而与此同时全球很多国家都出现了人口结构失衡、人口老龄化不断加重的趋势。中国的老年人数量在2019年已达24 949万人，并呈上升趋势。中国60岁及以上的群体中，至少患一种慢性病的比例为75.8%，其中患有高血压的比例为58.3%，血脂异常的比例为37.2%[1]。慢性病一般发病时间随机，具有显著的偶发性，一般通过长期的医疗检测及药物服用来进行防治。中国在城市化进程中家庭结构缩小，空巢老人在整个老年人中的占比也不断提高，导致各种老人患病不能及时得到救治，社会对于医疗和护理的需求不断提升，因此国家卫生部也不断出台政策来推动医疗体制改革及医疗技术革新，在这种背景下，便于进行长期护理的远程医疗监护越来越受到医疗研究者及全社会的关注。

远程医疗自20世纪在美国应用以来，就以其便捷性、实时性等诸多优点得到医疗工作者和患者的一致好评。远程医疗突破时间和空间的限制，通过远程医疗系统，医患之间可以实时进行交流，在减少患者医疗费用的同时也使得整个医疗过程更加便捷[2]。远程医疗监护系统作为远程医疗的一部分，可以隔空实现对患者重要生理参数的实时传输分析，医生可以根据此类信息第一时间对患者进行诊断，出现参数异常或者突发状况，可以通知紧急联系人及患者本人，确保突发状况发生时患者及时就医。在远程医疗监护实施过程中，针对老年人和残疾人等行动不便的人群进行日常状态的实时监护，实现对其日常活动的生理参数的实时评估，确定其健康状况，对疾病进行预防和治疗。因此远程医疗监护系统的研究对中国老年人健康质量保障、慢性病防治等具有很大的现实意义。

2 远程医疗发展研究

2.1 远程医疗的概念

医疗监护仪器一般分为两种，一种是医院内由专业医护人员进行操作对病患的生理指标进行监测评估；第二种的使用环境较为自由，如家中或者户外，甚至是移动检测，这类仪器是在病患及其家属在医护人员的指导下进行的，可以将检测到的心跳、血压等信息传送到医院的系统中，相关医护人员进行查看。原有的监护系统使用线缆进行设备之间的连接，需要专业医护人员进行操作，所用设备笨重，限制了患者的活动，增加了医疗费用负担。远程医疗监护系统可便捷获取使用者的生理数据及影像信息并利用通信技术实时传送到监护中心，医疗机构据此动态跟踪病况或者进行患者健康状况预警[3]。

远程医疗监护是远程医疗重要的一部分。远程医疗结合了信息技术及医疗技术两大领域，利用通信及多媒体技术等手段为医护人员提供患者相关信息，便于患者得到及时高效的诊疗服务。远程医疗技术自20世纪被引入中国以来，应用范围不断扩大，目前主要应用在专家会诊、医疗检查、远程监护、治疗指导及医学交流等方面。远程医疗技术因为其凭借通信技术进行数据传输，所以可以突破时空的限制，实现远程诊疗、信息交流的功能。中国的传统医疗相比国外起步较晚，功能较为基础，基本是通过远程问诊实现诊疗功能，不能做到对患者全面监护和治疗。但随着信息技术的持续进步，远程医疗技术信息传输更加流畅便捷，患者也能更加及时地得到诊断和治疗。

2.2 远程医疗发展简介

远程医疗的发展最早可以追溯到20世纪中叶，美国医疗机构创设了早期远程医疗的模型，即放射学中双向电视系统的应用。受限于信息技术的发展水平，最初的模型很简单，实现功能也较为单一。远程医疗作为国外医疗信息化的热点之一，不断引进通信及信息激素到医学领域中，远程医疗技术得到不断的发展，比如到20世纪60年代，太空中宇航员已经可以得到由地面借助卫星及微波技术提供的远程医疗服务。欧美国家的很多大学以及医疗机构对远程医疗投入较大的研究成本，远程医疗系统在医疗实践中的应用范围也越来越广。

中国开始远程医疗的研究相对较晚，直到1986年对船员进行的电报形式的远程会诊可以视作最早的远程医疗的应用。随着中国经济状况的不断改善，通信及医疗领域的技术不断得到发展、成熟，到21世纪初远程医疗技术在军事医疗领域已经得到较好的发展[4]。

当前医疗服务的发展越来越受到国内外研究人员的重视，远程医疗取得了较大的发展。随着通信技术的不断发展，物联网技术成为研究的热点，物联网领域的传感器网络被引进到远程医疗领域进行研究。如基于蓝牙技术的无线通信在移动通信设备与监护终端之间的应用，优化了传统监护系统的手动输入办法，数据采集更加真实便捷。除此之外，穿戴式设备的发展与普及也为远程监护提供了新的思路，研究人员使用安装方便的穿戴设备代替传统笨重的测量仪器来进行患者身体状况的监测。

3 无线传感器网络

在对比分析现有的远程医疗监护系统的功能及实现方案的基础上，提出一种基于无线传感器网络的监护系统的建设方案。无线传感器网络是指大量微型传感器通过无线通信的方式在监测区域内组成的多跳自组织的网络系统，这些传感器节点可以共同感知，采集处理监测区域内感知对象的数据，并将其传输给观察者，传感器、感知对象及观察者三个重要部分共同组成了传感器网络。负责采集处理信息的传感器节点包括感知模块、处理模块、存储模块、软件通信模块。观察者一般是指该网络系统的使用者，接收数据并对采集到的信息进行综合处理，计算机及人类都可以充当这一角色。感知对象是指传感器节点采集数据的对象，即监测目标，医用传感器的感知对象一般是指心跳、血压与体温等指标。客观的物理信息与通信的数字世界通过无线传感器网络联系在一起，增加了信息采集途径。

无线传感器网络与常见的无线网络如移动通信网、无线局域网相比具有以下3个特点：①网络规模较大。无线传感器网络的基础是监测区域内的大量传感器节点，整体具有较高的监测精度，同时传感器网络的监测范围也相对较大。大量的节点存在增加了无线传感器网络的容错性，同时减低对单个节点的精度要求，降低网络建设成本。②具有网络自组能力。传感器节点大量分布在监测区域内，无法对每个节点位置进行预设，无法提前确定各节点之间的关系，因此在传感器网络中节点自组织能力显得尤为重要，同时具有自动配置和管理的功能。传感器网络节点失效情况下，无线网络的拓扑结构可以根据这种情况发生变化，实现动态的网络拓扑特性。③以数据为中心。应用系统如果以无线传感器网络为基础，则需要管理和处理感知信息，该应用系统中每个节点同时具有端节点及路由器的功能。

4 系统设计

4.1 远程医疗监护系统需求

以无线传感器网络为基础构建的远程医疗监护系统是为了实现对既有远程医疗监护系统的升级。该系统在拥有医疗监护功能的同时针对实时性、人性化及智能化等特点进行优化。针对家庭环境的监护系统，对生理数据与环境数据的收集采用实时监测与定时监测共同作用的机制。如心电信号需要实时监测并传输到系统处理中心，定时循环监测的指标有体温、血压等。在系统设计时候可以对一些指标的参数进行设定，达到某界限自动预警，这样可以随时预发突发事件，如心脏病突发，确保相关人员第一时间获取预警信息。除此之外，人性化对提高医疗服务质量也有很大作用。系统的人性化体现在病患与医护人员两方面。在该系统的使用环境下，不能过分限制病患的活动范围，病患在活动范围内可以自由地进行物理活动而不受该系统的限制。医护人员对诊断事件的安排更弹性，可以在医院远程获取病患的身体各项指标，远程控制对病患的监护。

4.2 远程医疗监护系统设计

基于无线传感器网络的远程医疗监护系统含有三部分，分别是远程监护中心、本地网关与体域网三个模块。

远程监控中心承担管理、监护和诊断的任务，主要由信息管理、代理与诊断平台组成。信息管理平台负责用户信息的管理，代理平台即监控中心与网关的接口、与网关之间相互发送与接收数据，诊断平台主要是医护人员根据信息进行诊断的模块。监控中心借助数据库来进行联系。本地网关处于监护中心与体域网之间，两者之间的信息交互借助网关来实现，是信息的中间点，起着信息沟通桥梁的作用。体域网即无线传感器网络，该模块主要由传感器节点组成，在一定范围内进行监护，对监护对象采集生理数据。监护对象穿戴传感器设备同时需要一个接口PDA，该设备采集生理信息并通过接口PDA将监护对象的数据层层上传，到达本地网关，信息再由本地网关传送到监护中心，医生在监护中心根据收到的信息进行诊断。

5 结语

随着中国人口老年化趋势加快，各种慢性病如高血压、心脑血管疾病增多，医疗资源紧缺及医疗费用高昂的问题亟需解决，远程医疗监护系统的发展不仅可以降低病患的医疗费用，同时还可以节省医疗资源，提高医疗效率。结合原有的远程医疗发展状况并根据无线传感器网络技术提出远程医疗监护系统的建设方案，侧重发展了系统的实时性与人性化的特点，加快现代医疗信息化的进程。

［1］江丽姣，于倩倩，尹文强，等.我国居民慢性病变化趋势分析——基于国家五次卫生服务调查报告［J］.中国卫生事业管理，2018，35（11）：874-876，880.

［2］顿文涛，卢高飞，左秀生，等.无线传感器网络在远程医疗监护系统中的应用［J］.农业网络信息，2014（2）：43-46.

［3］彭兰地，米明.基于3G技术的远程医疗监护系统设计［J］.计算机与现代化，2013（1）：88-90，94.

［4］杨虹.基于无线传感器网络的远程医疗监护系统的设计与实现［D］.长沙：湖南大学，2016.

TN929.5；TP212.9

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.13.025

2095－6835（2019）13－0059－02

兵团重大科技项目子课题“远程医疗紧急救援系统的建设与应用”（编号：2017AA005-04）；兵团重大科技项目“兵团综合远程医学平台的集成应用与示范”（编号：2017AA005）

周杰（1982—），男，湖南湘乡人，副教授，博士，研究方向为物联网技术。

田敏（1968—），男，河南商丘人，教授，研究方向为农业信息技术与精准农业。

〔编辑：严丽琴〕