無線可穿戴傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)所醫(yī)療智能化的探索

0 引 言

據(jù)公安部相關(guān)統(tǒng)計顯示，在未實行監(jiān)所醫(yī)療社會化的2013 至 2015 年，全國看守所在押人員因病死亡總數(shù)呈逐年上升的趨勢。死亡總數(shù)中的 50% 屬患有各種基礎(chǔ)疾病（如心腦血管疾?。┘又睾髮?dǎo)致死亡。同時，對猝死人員在黃金時間的救治 32.8% 多為無專業(yè)知識的值班民警和同監(jiān)室在押人員實施，導(dǎo)致延誤最佳搶救時間。另外，有文獻報道 [1]，針對無刑事行為能力的在押精神病人，使用抗精神病藥物與猝死發(fā)生率呈顯著劑量相關(guān)性，并且引起靜脈血栓和肺栓塞的危險性更高，心血管與代謝性疾病的發(fā)生比普通人提早 10 ～ 15 年。如何確保在押人員的身體健康、徹底杜絕在押人員死亡事件的發(fā)生，是一項艱巨復(fù)雜的系統(tǒng)性工作 [2]。人們由此研發(fā)了心電監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)（WirelessSensorNetworks，WSN）系統(tǒng)，在傳感器感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，實現(xiàn)全時段、全方位、穿戴方便、實時連續(xù)地對心電、血壓等生命體征的監(jiān)護 [3]。

在醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)（Medical Internet of Things，MIoT）領(lǐng) 域，可穿戴傳感器的擺放位置己經(jīng)覆蓋了身體的各個部位，且穿戴方便簡單 [4-5]，便于收集人體血壓、血氧、體溫、心率、心電圖、呼吸等臨床觀察的各種體征信息，具有低負荷、可移動操作、使用簡便、支持無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c [6-7]。顯然，隨著各類傳感器技術(shù)、微型機電技術(shù)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)和無線通信等技術(shù)的提升與融合 [8]，可穿戴技術(shù)對疾病診療起著關(guān)鍵作用。

1 組網(wǎng)及系統(tǒng)構(gòu)成

MIoT 也稱傳感網(wǎng)，它把實時監(jiān)測、感知及采集的信息進行集成，通過嵌入式系統(tǒng)處理信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對客觀物理世界的動態(tài)感知 [9]，同時完成對信息的傳輸、控制處理、存儲顯示等操作，實現(xiàn)與醫(yī)學(xué)專業(yè)技術(shù)深度融合的智能化服務(wù)。MIoT 也包含物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的各個層次，總體上也遵循物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的通用架構(gòu)，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三

層次架構(gòu) [10]，心電監(jiān)護醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)框架如圖 1 所示。 

（1）感知層 ：主要包括 RFID 標簽與讀寫器、可穿戴式生理信號接收傳感器設(shè)備以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensor Networks，WSN）。可穿戴設(shè)備將心電電極與服裝融為一體 [11]，使用者只需穿上一件具有心電信號接收、處理與發(fā)射功能的可穿戴背心或 T 恤即可完成心電信號的實時連續(xù)采集。2017 年 7 月聯(lián)想 TechWorld 大會上發(fā)布了一款名為SmartVest 的智能心電衣，該成品也是全球首款 12 導(dǎo)聯(lián)（目前大部分醫(yī)院使用的心電圖都為 12 導(dǎo)聯(lián)）的醫(yī)療可穿戴設(shè)備，可 360°掃描心臟，實時監(jiān)測用戶 12 導(dǎo)聯(lián)的心電圖，提供心率數(shù)據(jù)，可連續(xù)使用 2 周時間 [12]。WSN 采用短距離無線網(wǎng)絡(luò) ZigBee 技術(shù)，具有低功耗、低成本、低速率、短延時、短距離、高容量、高可靠、高安全等特點，其協(xié)議棧從 ZigBee2004 升至 ZigBee2007[13]，能隨機分配地址，支持網(wǎng)狀 / 樹狀拓撲結(jié)構(gòu)、自動跳頻、可選數(shù)據(jù)分割，同時支持多對一路由、多密鑰、多節(jié)點與大網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)實際場地無線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點、匯聚節(jié)點及路由與網(wǎng)關(guān)，由于節(jié)點體積較小，固定方便，對場地無特殊要求，只需電源即可組網(wǎng)。具有自組織性，分布式的控制，無線多跳，實現(xiàn)“自組織，自愈合”。采用動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點可以移動，拓撲結(jié)構(gòu)也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化，每個節(jié)點都可充當路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接、數(shù)據(jù)簡單處理等功能 [9,14]。

（2）網(wǎng)絡(luò)層 ：實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)、處理功能，包含數(shù)據(jù)傳輸與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的融合網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)管理中心、信息中心、智能處理中心。同時，基于現(xiàn)有的局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，其關(guān)鍵技術(shù)包括通信技術(shù)（4G/5G、有線寬帶、WiFi 技術(shù)）和終端技術(shù)（傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)相連的網(wǎng)關(guān)設(shè)備），可隨時隨地為用戶提供服務(wù)。另外，通過有線與無線技術(shù)相結(jié)合，運用多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)同，為用戶智能選擇接入網(wǎng)絡(luò)的模式。

（3）應(yīng)用層 ：應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)的終端層，是網(wǎng)絡(luò)與用戶的接口及充分實現(xiàn)所需領(lǐng)域智能化的平臺，結(jié)合醫(yī)療領(lǐng)域的需求，解決監(jiān)護對象的信息數(shù)據(jù)處理與人機界面問題，以實現(xiàn)監(jiān)護的智能化與信息化。采用智能手機、電腦、移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等多樣化的智能終端，使用戶可隨時隨地監(jiān)測被監(jiān)護對象的各種信息并及時做出處理。實現(xiàn)實時心電圖顯示、心電圖分析診斷、狀態(tài)預(yù)警及提醒、用戶管理和心電圖無線遠程診斷交互功能 [15]。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作基本流程 ：通過穿在人體身上帶有心電信號采集、無線信號發(fā)送的傳感器服裝（T 恤）發(fā)出的無線心電信號，經(jīng)采集節(jié)點將接收到的（周期性）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至無線路由或匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點負責將整個傳感器網(wǎng)絡(luò)采集來的原始數(shù)據(jù)幀通過網(wǎng)關(guān)上傳至數(shù)據(jù)接收電腦或直接傳至數(shù)據(jù)處理中心，利用相應(yīng)的函數(shù)對數(shù)據(jù)幀進行格式轉(zhuǎn)換，提取所需數(shù)據(jù)，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，再進行數(shù)據(jù)整合處理，并實時顯示至各終端設(shè)備。醫(yī)師與其他相關(guān)人員都可通過醫(yī)護顯示客戶端或平板電腦及 PDA 現(xiàn)場實時調(diào)取心電圖像用于查閱與診斷，還可通過交換機將圖像、文本信息經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)傳至遠程會診中心實現(xiàn)遠程會診。心電監(jiān)測醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流程如圖 2 所示。

3 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)實際布局

基于 ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由簇狀拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并由數(shù)據(jù)接收節(jié)點、匯聚節(jié)點、IP 網(wǎng)關(guān)及無線路由器組成。由于節(jié)點體積較小，固定方便，對場地無特殊要求，故只需電源即可組網(wǎng)。在分控、總控室通過電視墻即可觀察每個人的心電波形圖，醫(yī)護人員也可通過電腦終端、手持終端進行實時監(jiān)控。監(jiān)房無線網(wǎng)絡(luò)布局如圖 3 所示。

3.2 可穿戴服裝（背心）傳感器的結(jié)構(gòu)模塊與功能

可穿戴服裝集采集傳感器、信號處理與發(fā)送電路、電源為一體，硬件電路具備高集成度、體積小、不易損壞、抗干擾、續(xù)航時間長、無線信號強、更換方便等特點，具有心電信號采集、放大、濾波、A/D 轉(zhuǎn)換、緩存及發(fā)射功能 [16]。處理過的信號首先由智能服裝的內(nèi)置天線發(fā)射，再經(jīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收節(jié)點、匯聚節(jié)點接收與處理，最后轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)處理中心進行數(shù)據(jù)整合與圖像再現(xiàn)。智能服裝需滿足貼身、長期穿著舒適、不受日常活動影響，洗滌時信號發(fā)射無干擾等要求 [17]，其傳感器編織在服裝纖維中具有一定的柔軟度，且不同于傳統(tǒng)的 Ag/AgCl 膠狀（濕性）電極，采用干性織物電極，對皮膚無損傷 [18]?？纱┐鞣b的功能結(jié)構(gòu)模塊如圖 4 所示。

4 結(jié) 語

早在 2014 年 6 月召開的全國可穿戴計算學(xué)術(shù)會議上已有學(xué)者報導(dǎo)了可穿戴設(shè)備用于監(jiān)所安全警戒系統(tǒng) [19]。興化市看守所與公安部第一研究所聯(lián)合研制的“公安監(jiān)管勤務(wù)指揮系統(tǒng)”及可穿戴設(shè)備已用于監(jiān)所安全管理 [20]。江西省強制隔離戒毒所 [21] 運用 RFID 的可穿戴腕帶標簽無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在監(jiān)管場所的應(yīng)用，實現(xiàn)了對被強戒人員實時電子地圖方位監(jiān)控、查找定位與活動軌跡記錄、自動點名、非法聚集與禁區(qū)入侵及非授權(quán)離位與脫離監(jiān)管報警、緊急救援呼叫、電子錢包等管理。由此可見，伴隨著智慧城市、智慧公安 [22] 的建設(shè)，智能化智慧監(jiān)所的時代已經(jīng)來臨。