基于智能传感网络的医疗服务数据采集与管控分析方法研究

黄晓梦，黄永刚，王立群，赵婧帆，程亚

（河北北方学院附属第一医院，河北张家口 075000）

随着医疗水平和人们健康意识的不断提高，社会医疗服务所面对的压力也越来越大，且已经出现了医疗资源缺乏、医护人员不足等问题[1]。如何有效利用有限的医疗资源提高医用资源利用率与提升医务人员工作效率，是目前亟需解决的重要问题。

针对上述问题，该文提出了基于智能传感网络的医疗服务数据采集与管控分析方法。该方法旨在通过发挥智能传感网络的优势，并在保证准确率的前提下，加快医疗数据的采集效率及医务人员的处理效率。该文的实验测试结果验证了所提方法的可行性与可靠性，且这一方法的提出也为进一步优化医疗资源配置提供了参考。

1 智能传感网络

1.1 基本原理

智能传感网络（Intelligent Sensor Network，ISN）是指由多个不同功能的智能传感器所组成的计算机网络[2]。随着半导体技术、自动化控制技术、传感技术与通信技术的快速发展，智能传感器技术也取得了长足的进步，现如今已被广泛应用于生活、生产的各个领域。智能传感器通常是指具有微处理器且能够进行自主数据采集、处理、分析及传输的智能设备[3-5]，其在本质上是传统传感器与智能微处理器相结合的产物。

一个完整的智能传感网络通常由传感器模块、数据汇聚模块以及任务管理模块（控制中心）三部分组成，且各个模块中均包含多个具有相似功能的节点，其具体结构如图1 所示[6]。

图1 ISN网络结构

智能传感网络的工作流程可描述为：当监测区域中传感器模块的某个节点获取到数据信息后，会通过模块中的其他节点将该信息进行逐层传输，并最终传递到数据汇聚模块中；然后通过局域网、光纤或其他方式将各节点汇聚而成的数据传递给任务管理模块进行分析与处理。任务管理模块除了对数据加以处理外，还会对整个网络的运行状态进行实施监测，同时可通过该模块对网络中的参数进行配置、管理信息日志以及发送响应、请求命令等。

1.2 网络通信协议

为了保证ISN 网络各传感器能够被有效部署在环境中，且实现各设备间数据的无损传输，需要对其中所用到的无线网络通信协议进行规范化、标准化处理。目前关于传感网络的通信协议主要有两个：IEEE802.15.4 标准 和ZigBee 标准[7]。

1）IEEE802.15.4 标准

IEEE802.15.4标准是电气电子工程师学会（IEEE）专门为无线私人局域网（PAN）通信所制定的一套国际标准。该标准常用于个人与小型企业之间传感设备的信息交换，其通信距离通常在100 m 以内[8]。PAN 在网络结构上与ISN 相似，因此其也常被用来构建ISN 网络的物理通信以及作为介质访问控制层MAC 的底层标准。

该标准采用了符合ISO（国家化标准组织)和OSI(开放系统互联)的分层架构，定义了PAN 的物理层及MAC 层[9]。其具体协议栈如图2 所示。

图2 IEEE802.15.4标准协议栈

该标准协议栈中定义了物理层与MAC 子层之间的数据传输接口，可实现对MAC 层数据的管理服务。同时该标准还提供了信道频率选择、空闲信道评估与当前信道能量检测等功能[10]。IEEE802.15.4标准所涉及的主要参数，如工作频段、调制方式等如表1 所示。

表1 IEEE802.15.4标准涉及的主要参数

2）ZigBee 标准

ZigBee 标准是建立在IEEE802.15.4 标准上的新一代无线通信标准，该标准中的物理层与数据链路层由IEEE802.15.4 标准制定，而应用层和网络层及其他标准则由ZigBee 联盟制定[11]。ZigBee 标准的工作频段目前有两个：一个是2.4 GHz 的全球免费频段；另一个则是专用的868/915 GHz 频段。

利用ZigBee 标准所搭建的网络容量较大，一个ZigBee 设备在理论上可以与255 台设备相连接，且当各设备组成分布式网络时，网络中的总设备数最多可达到65 536 台。ZigBee 的数据传输效率较低，基本速率在0.25 MB/s 左右，因此无法适用于传输视频等占用空间较大的文件。但同时也得益于较低的传输速率，使得系统功耗也相对较低。而在无需进行数据传输时，ZigBee 会自动进入休眠状态，这也大幅降低了能量的消耗[12]。通常每个ZigBee 节点的通信距离大约在75 m 左右，距离相对较短，故实际应用中通常无法满足要求。但ZigBee 提供了网络扩展功能，可将其范围扩展至数百米甚至数千米，充分满足了客户的需求。

2 数据采集与管控分析

2.1 通信协议选择

该文在综合考虑设计需求以及两种通信标准的优劣势后，最终选用了ZigBee 标准作为设计智能传感网络的无线通信标准，主要原因如下。

1）网络容量：系统中包含多个传感设备和通信节点，且后续可能会增加设备量，所以网络容量要相对较大；

2）传输范围：由于某些设备能够随患者等进行移动，故要求设备无线通信范围在100 m 以上；

3）功耗：网络整体功耗应尽可能低，避免因频繁更换电池或充电而造成的数据传输延误，影响正常使用；

4）可扩展性：网络中应提供向外可扩展的接口，提高网络的可用性。

2.2 技术架构

该文旨在提出一种应用于医院服务管理的医疗数据服务采集与管控分析方法。该方法能将部署在同一环境的医院相关仪器设备产生的数据信息进行实时监测与传输，以便医务人员进一步分析，并做出及时、准确的反应。基于上述提到的需求，该文提出了如图3 所示的基于智能传感网络的医疗服务数据采集与管控分析方法。

图3 数据采集与管控分析技术架构

该方法整体由三个模块所组成：数据采集模块、客户端监控模块以及数据库管理模块。其中，数据采集模块中部署了由多个传感器所组成的智能传感网络。其主要功能是采集被监控者的各项生理数据，如血压、体温和心率等。该模块各节点将采集到的原始数据发送给协调器进行预处理，再将处理后的数据传送至客户端监控模块。客户端监控模块负责接收预处理后的数据，并将其以可视化的方式呈现给医护人员，同时将相关数据存储到数据库中。数据库管理模块负责存储各仪器设备的数据信息，并提供的数据增、删、改、查等功能。

2.3 关键功能模块

所提方法涉及多个功能模块，如传感器模块、无线数据通信模块、串口功能模块、电源模块以及数据库模块等。该节主要对其中的传感器模块和系统网络模块做进一步的介绍。

1）传感器模块

传感器模块由各类对人体各项生理指标进行测量的传感器组成，如血压传感器、血氧传感器、心率传感器和体温传感器等。该文在对各类传感器的选择中[13-15]，血压传感器选用HKB-08B，血氧传感器选择HKS-12U，心率传感器选择HK-2000C 以及体温传感器DS18B20。下面对其中的体温传感器进行详细介绍。

体温传感器DS18B20 是一种常用的小型温度传感器，其具有测量速度快、精度高的特点[16]。DS18B20的引脚示意图如图4 所示。

图4 DS18B20引脚示意图

其中，GND代表接地引脚，通常与地线相连；VDD为电源输入引脚，与电源模块相连；DQ 则为数据输入/输出引脚，负责接收请求并将测量数据进行返回。

体温传感器DS18B20 的连接方式相对简单，其采用单线接口的方式，即仅需将传感器的DQ 口与无线通信模块连接即可，且无需连接其他元器件。

2）系统网络模块

1.1一般资料选取我院2016年8月~2017年9月收治的小儿支气管肺炎患儿120例作为研究对象。将120例患儿分为实验组和对照组,实验组患儿60例,对照组患儿60例。实验组患儿有男性37例,女性23例,患儿年龄在1~6岁之间,平均年龄为(3.5±1.2)岁,对照组患儿有男性35例,女性25例,患儿年龄在1~4岁之间,平均年龄为(2.5±1.1)岁。两组患儿的性别、年龄等无差异,具有可比性。

系统网络模块主要包括ZigBee 协议栈和ZigBee组网模块。ZigBee 标准在上文已进行了简单介绍，其中分析了协议栈的整体结构。但对各层的具体功能及结构并未进行深层分析，故将对ZigBee 协议栈进行进一步分析。

ZigBee 协议栈各层之间的通信与服务通过SAP原语来实现，具体分为请求、确认、指示及响应四种类型。其工作原理示意图如图5 所示。

图5 SAP工作原理示意图

请求SAP 由高层向低层发送，作用是向低层发送请求，以此要求其提供所需服务；确认SAP 与请求SAP 相对应，主要是低层对高层即将提供的服务进行确认；指示SAP的作用是高层指示低层如何处理某一事件；响应SAP 则是低层将处理结果反馈给高层。

ZigBee 协议栈的层级结构由下而上依次为物理层、MAC 层、网络层以及应用层。其中，物理层是整个协议的最底层，主要负责检测空闲信道、接收和发送信号、设置基础参数等；MAC 层主要提供信道接入方式，保证设备的稳定运行；网络层负责网络的建立与管理，分配相应IP 地址、建立拓扑结构等；应用层则是整个协议栈的最顶层，主要负责建立设备的映射关系，使得设备中的数据可通过相关标准进行传输。

3 实验测试

为了验证该文所提基于智能传感网络的医疗服务数据采集与管控分析方法的可行性与可靠性，故与国内某医院合作，并依托该方法完成相关系统的搭建后进行实验测试。测试的主要目的在于，系统各模块能够在实际环境中较优地实现所设计的功能。测试项目包括基础项测试、数据采集测试与异常数据识别测试。

1）基础项测试

表2 基础项测试结果

由基础项测试结果可以看出，该系统各功能模块均可按照要求实现其所对应的功能，且总体表现良好。

2）数据采集测试

数据采集测试主要是为了验证客户端监控模块显示的各个传感器获取的各项生理指标数据是否准确。为更优地进行对比，在系统实时获取数据的同时人工测量也同步展开，最终以系统和人工的结果对比，产生了如表3 所示的实验结果。表中各数据代表人工与系统测量结果的相似度，并以此作为系统数据指标测量的准确率。

表3 数据采集测试准确率结果

由表3 可知，系统能够以平均99.4%的准确率完成对被监测者各项生理指标的测量，从而验证了数据采集模块的准确性。

3）异常数据测试

异常数据测试主要是验证当传感器采集到的数据未处于设置的正常范围内时，系统客户端监控模块能否及时发现异常，并响应提醒医务人员做出有效判断。其测试结果如表4 所示。

表4 异常数据识别测试

由测试结果可看出，系统能够准确地识别出异常数据，同时将信息提示给相关医务人员。

4 结束语

该文通过介绍智能传感网络以及网络通信协议，提出了基于智能传感网络的医疗服务数据采集与管控分析方法。该方法在架构上由数据采集模块、客户端监控模块以及数据库管理模块组成，且各模块相互配合共同完成医疗数据的采集与管控。系统各项实验结果说明，该文所提方法不仅能够较优地完成各模块的功能测试，且其数据采集的平均准确率可达到99.4%，同时还能准确判断出其中的异常数据，并及时提醒医务人员做出相应的决策。