物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)

1、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計(shj) 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)重慶(zhn qn)郵電大學共四十二頁主要(zhyo)內(nèi)容醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)背景概述醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)案例(n l)分析共四十二頁醫(yī)療(ylio)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景隨著我國醫(yī)療改革事業(yè)的深入推進，智慧地球、智慧城市等物聯(lián)網(wǎng)技術的應用不斷滲透。為了解決我國醫(yī)療資源欠缺、分布不均、資源利用率低下的一系列問題(wnt)，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)成為物聯(lián)網(wǎng)應用積累共性關鍵技術解決方案、應用解決方案、服務運營和推廣應用模式的重要手段。共四十二頁醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的典型應用(yngyng)需求資源管理：包括對藥品、醫(yī)護人員、患者、醫(yī)療設備的管理與監(jiān)控；電子健康檔案：包括個人基本健康信息檔案、

2、疾病控制檔案、婦幼保健檔案、醫(yī)療服務檔案、社區(qū)衛(wèi)生檔案的建立與管理；移動臨床是指利用無線網(wǎng)絡技術與移動計算技術將電子病歷從桌面應用推向移動應用；遠程會診是指通過醫(yī)療機構(gòu)使用(shyng)移動通信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)為患者進行疾病診斷、治療的過程。共四十二頁醫(yī)療(ylio)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)遵循物聯(lián)網(wǎng)感知(gnzh)層、網(wǎng)絡傳輸層、應用層三層通用架構(gòu)共四十二頁醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)感知層框架共四十二頁醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)(lin wn)感知層的任務針對醫(yī)院資源管理應用需求，提供基于RFID技術的醫(yī)護人員、醫(yī)療設備、患者、藥品等資源管理的完整解決方案和核心技術支持；針對居民健康檔案的長期、及時、完整、準確等要求，在現(xiàn)有

3、門診和臨床診斷(zhndun)獲取病理參數(shù)手段的基礎上，提供基于BAN（體域網(wǎng)）的在個人自然狀態(tài)下獲取人體生理和病理參數(shù)的解決方案和核心技術支持；針對移動臨床和遠程診療等醫(yī)療應用需求，基于傳輸網(wǎng)絡架構(gòu)，定義感知層和傳輸層邊界，配合傳輸層的相關技術和協(xié)議要求，提供具有通信協(xié)議解析能力的RFID讀寫設備和BAN用戶服務器。共四十二頁主要(zhyo)內(nèi)容醫(yī)療(ylio)物聯(lián)網(wǎng)背景概述醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)案例分析共四十二頁生命(shngmng)體征信息檢測與定標方法設計生命體征信息傳輸需求、模型、仿真對生命體征信息和傳感器節(jié)點分為復雜節(jié)點和瘦節(jié)點。其中血壓、心電、心音、血氧飽和度、呼吸等節(jié)點定

4、義為復雜接點，其余節(jié)點可以考慮定義為瘦節(jié)點。可調(diào)度的信號數(shù)字化方法設計信號數(shù)字化方法。采集的信息包括：心血管系統(tǒng)信息、呼吸系統(tǒng)(h x x tn)信息、常規(guī)生理生化體征指標信息；環(huán)境信息；輔助采集加速度、位置等姿態(tài)信息。采用動態(tài)可變采樣率方法完成信號的數(shù)字化，采樣速率和采樣精度隨身體狀態(tài)的變化而自適應改變；節(jié)點可根據(jù)網(wǎng)關協(xié)調(diào)調(diào)度指令動態(tài)調(diào)整信號數(shù)字化的各項參數(shù)。共四十二頁生命(shngmng)體征信息檢測與定標方法設計信號預處理算法通過敏感元件進行信號采集，并根據(jù)前端采集信號的不同，設計不同的片上系統(tǒng)算法，實現(xiàn)不同體征參數(shù)的特征提取。BAN數(shù)據(jù)融合技術基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的信號處理技術，對生命

5、體征類數(shù)據(jù)進行同步采樣和融合。定標、控制與編碼微型節(jié)點式體征傳感器信號定標意義重大(zhngd)，必須按照臨床標準信號研發(fā)各節(jié)點，可采用外部標準信號源測試方法和內(nèi)部定標信號相結(jié)合的方法進行信號定標。共四十二頁面向(min xin)醫(yī)療的RFID技術針對不同醫(yī)療資源采用半無源和有源RFID技術休眠態(tài)：標簽的所有部件均停止(tngzh)工作。信道查詢態(tài)：查詢信道上的有效讀寫器信號?？臻e態(tài)：當信道沖突時，搜索讀寫器的控制命令，以重置擴頻碼。激活態(tài)：當感應能量低于門限值時，啟動電池供電。通信態(tài)：建立與讀寫器的有效連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。半無源RFID工作機制有源RFID工作機制共四十二頁RFID節(jié)點(ji

6、 din)設計方案半無源RFID標簽(bioqin)有源RFID標簽共四十二頁RFID防碰撞(pn zhun)方法由于院內(nèi)具有不同于一般RFID應用的、資源海量的顯著特點，要求RFID讀寫器能實時讀寫數(shù)量巨大的標簽，提高吞吐率，縮短(sudun)操作時間，因此必須設計適合于醫(yī)院環(huán)境的RFID標簽防沖撞機制。共四十二頁BAN信息(xnx)傳輸技術BAN（Body Area Networks，體域網(wǎng)），是一種新型的無線通信技術，其典型(dinxng)通信距離為2米左右，限制在人的身體范圍之內(nèi)。目前已進入IEEE標準化流程，標準號為IEEE 802.15.6。WMANWLANWPANWBAN共四十二

7、頁BAN的目的(md)在人的體內(nèi)和體表形成一個基于(jy)無線技術的傳感器網(wǎng)絡。監(jiān)測和控制人的各種生命體征。體溫血壓心電腦電脈搏血氧飽和度等共四十二頁BAN的應用(yngyng)場景共四十二頁BAN典型(dinxng)應用設備ECG(檢測心電狀態(tài)(zhungti)EMG (檢測肌電狀態(tài)) 姿勢感應( 檢測活動狀態(tài)) 共四十二頁WBAN與WPAN、WLAN、WMAN的互聯(lián)共四十二頁BAN典型(dinxng)應用對傳輸?shù)男枨蠊菜氖摤F(xiàn)有各種( zhn)無線候選技術指標現(xiàn)有技術無法完全滿足醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的傳輸需求，因此有必要針對醫(yī)療應用的特點開發(fā)(kif)一種新的專用無線通信技術。共四十二頁BAN技術

8、指標（草案(co n)）Distance2 m std, 5 m specialPiconet density2 - 4 nets / m2 Devices per network max. 100Net network throughput100 Mbit/s max.Power consumption 1mW / Mbps( 1 m distance)Startup time 100 us, or 10% of TX slotLatency (end to end)10 ms Network setup time 1 sec(after initial setup, per device)

9、共四十二頁BAN與現(xiàn)有無線技術(jsh)的對比1000 mW500 mW100 mW 50 mW 10 mW1 Gbit/s100 kbit/s1 Mbit/s10 Mbit/s100 Mbit/s1 kbit/s10 kbit/sIEEE 802.15.3aIEEE 802.11 a/b/gBluetoothZigBee 200 mW 20 mWBody Area Network 5 mW 2 mW共四十二頁BAN設計要點(yodin)1：信道模型考慮體內(nèi)（In-body）電波傳播的通用信道模型。人體內(nèi)部各種組織和器官由于傳導率、介電常數(shù)、特征阻抗等物理參數(shù)差異會對電波傳播所造成的不同影響；

10、體內(nèi)信道也會隨著人的年齡、體重、姿勢、時段等因素而變化；分析基于統(tǒng)計方法的動態(tài)化、通用化體內(nèi)信道模型。考慮支持多場景的體表（On-body）信道模型。分析電波沿人體表面(biomin)傳播時所產(chǎn)生的表面(biomin)波、蠕波、散射波、衍射波等現(xiàn)象對整體傳播特性的影響；考慮體表信道狀況與人的身體狀態(tài)之間的關聯(lián)；針對隔音室、監(jiān)護室、病房等真實生活場景，提出能夠精確描述各種場景下體表電波傳播的信道模型?？紤]干擾對BAN信道的影響?？紤]不同個體的BAN之間、BAN與其它同頻段通信技術之間的干擾特征，減輕和克服干擾的影響。共四十二頁BAN設計要點2：超短距離通信(tng xn)方案面向超短距離傳輸?shù)牡?/p>

11、功耗通信信號處理機制。以極低功耗作為各個通信組成單元(dnyun)的主要設計目標之一。具有良好擴展性和靈活性的多模式通信機制。提出支持多種傳輸速率、多種通信質(zhì)量的混合通信機制；對于瘦節(jié)點，設計低復雜度、低成本的通信方案；對于復雜節(jié)點，可采用先進的通信方案，以有效提高傳輸帶寬和通信效果。增強BAN數(shù)據(jù)通信可靠性的傳輸技術。引入分集技術；采用虛擬多天線技術和協(xié)作通信機制。共四十二頁BAN設計(shj)要點3：通信協(xié)議與組網(wǎng)技術支持多級別服務質(zhì)量（QoS）和跨層優(yōu)化的BAN系列協(xié)議族。充分保障各種不同種類、不同特點的生命體征信息對數(shù)據(jù)傳輸服務質(zhì)量的差異化需求。BAN的自適應組網(wǎng)與拓撲控制(kngzh

12、)方法。設計既支持同構(gòu)節(jié)點、又支持異構(gòu)節(jié)點的自組織組網(wǎng)方案；提出能夠跟隨身體狀態(tài)自適應變化的動態(tài)拓撲控制方法。適用于BAN的在網(wǎng)協(xié)同方法與反饋協(xié)議。網(wǎng)絡節(jié)點間進行協(xié)同的框架和機制；基于傳感器關聯(lián)技術的事件驅(qū)動型信息傳輸方法和休眠、喚醒機制；對網(wǎng)絡中存在的反饋回路，設計閉環(huán)控制的優(yōu)化方法和相應的協(xié)議。共四十二頁BAN設計(shj)要點4：節(jié)點設計節(jié)點(ji din)的設計要求：微型化、低功耗、標準化、系列化。共四十二頁用戶(yngh)服務器用戶服務器（US）是BAN與用戶之間進行交互的接口。通過用戶服務器，用戶能夠(nnggu)獲取BAN節(jié)點的數(shù)據(jù)信息和網(wǎng)絡狀態(tài)信息，并能對節(jié)點和網(wǎng)絡進行控制和反

13、饋。根據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的不同，US既能采用專用的硬件終端進行實現(xiàn)，也能基于手機的公共開發(fā)平臺以軟件形式實現(xiàn)。共四十二頁基于專用(zhunyng)終端的用戶服務器設計支持IEEE 802.15.6標準的專用終端。該終端是一種具有網(wǎng)關功能的終端設備，主要完成如下功能：一是作為(zuwi)協(xié)調(diào)器和中心節(jié)點，實現(xiàn)對BAN感知網(wǎng)絡的管理和維護；二是作為轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關，實現(xiàn)感知層與傳輸層之間的連接，是BAN接入核心網(wǎng)的橋梁；三是作為人機交互終端，實現(xiàn)與用戶之間的信息交換，便于用戶操作和使用。共四十二頁US專用終端(zhn dun)的硬件設計方案核心控制(kngzh)單元是一塊ARM架構(gòu)的微處理器，一側(cè)通過IEEE 8

14、02.15.6模塊連接BAN無線子網(wǎng)，另一側(cè)通過3G模塊連接移動通信網(wǎng)和Internet。共四十二頁基于手機平臺(pngti)的用戶服務器該種解決方案利用廣泛使用的手機作為用戶服務器的硬件平臺，不再設計專用(zhunyng)硬件終端，通過在手機上運行用戶服務器程序來實現(xiàn)與用戶進行交互的目的。手機通過藍牙、WiFi等方式與BAN協(xié)調(diào)器建立連接，通過BAN協(xié)調(diào)器的中轉(zhuǎn)來對傳感器節(jié)點進行信息讀取和控制。BAN協(xié)調(diào)器的一側(cè)支持IEEE 802.15.6協(xié)議，另一側(cè)需支持藍牙或WiFi協(xié)議。共四十二頁手機(shu j)平臺的US網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)共四十二頁用戶(yngh)服務器軟件基于手機平臺的用戶服務器是以軟件

15、形式存在的。軟件的編寫需遵循手機平臺的通用編程方法。例如(lr)主流的Android、Symbian、Windows Mobile等智能手機操作系統(tǒng)都有一套獨自的程序設計方法和API接口。這些智能手機系統(tǒng)均提供對藍牙、Wifi模塊的支持，從而可以方便的通過這些無線方式與BAN協(xié)調(diào)器進行連接。共四十二頁采用Android的用戶(yngh)服務器結(jié)構(gòu)一個基于Andriod系統(tǒng)所開發(fā)的用戶(yngh)服務器的結(jié)構(gòu)如圖所示。共四十二頁專用終端(zhn dun) vs. 手機平臺+軟件US專用硬件終端和基于手機平臺的US軟件各有優(yōu)勢。前者能夠提供專門化、定制化的硬件解決方法后者則可以降低用戶一側(cè)的成本，

16、只需要安裝軟件便可以在手機上運行和使用。對兩者的選擇需根據(jù)(gnj)具體應用需求來決定。例如在醫(yī)院內(nèi)的生病體征監(jiān)護設備適合采用專用硬件終端，而在家庭中的體征信號監(jiān)測更適合采用基于手機的軟件方案。共四十二頁網(wǎng)絡層參考架構(gòu)(ji u)（以遠程醫(yī)療為例）共四十二頁網(wǎng)絡層平面(pngmin)結(jié)構(gòu)共四十二頁應用層 移動生命體征監(jiān)測醫(yī)療人員的實時定位行為(xngwi)識別及跌倒檢測醫(yī)療用品智能管理電子病歷遠程醫(yī)療共四十二頁主要(zhyo)內(nèi)容醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)背景(bijng)概述醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)案例分析共四十二頁基于ARM和CDMA-1X（GpsOne）的移動遠程(yunchng)心電監(jiān)護終端終端能

17、夠?qū)崟r采集、處理、存儲和遠程傳輸(chun sh)心電數(shù)據(jù)，并能對病人進行有效定位，提高了心電監(jiān)護終端的監(jiān)護水平終端還具有移動性、便攜性、操作性好等優(yōu)點。具體設計方案見所附pdf格式論文。共四十二頁可穿戴式生命體征監(jiān)護(jinh)設備高壓氧艙已廣泛應用于臨床疾病救治，艙內(nèi)生理監(jiān)護系統(tǒng)是高壓氧治療過程中對危重病員進行生理指標監(jiān)護的重要(zhngyo)設備。現(xiàn)有監(jiān)護設備對艙內(nèi)病人的心電、血壓、呼吸、脈搏及血氧飽和度等參數(shù)的監(jiān)護存在局限：多個傳感器通過有線的方式和處理器相連接獨立的傳感器間缺乏系統(tǒng)整合 不支持信號的持續(xù)采集和數(shù)據(jù)的實時處理分離的監(jiān)護設備間無法共享無線通信資源。研制一種基于無線傳感技術的可穿戴式多參數(shù)監(jiān)護設備，可更好地適應高壓氧艙特殊環(huán)境和臨床救治的需要。具體設計方案見所附pdf格式論文。共四十二頁Thank you!共四十二頁內(nèi)容摘要物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)。隨著我國醫(yī)療改革