基于自组网和物联网的医疗设备综合管理系统设计与实现*

周军华 任 坚 吴文生 徐 荣 张晓明 唐 永

基于自组网和物联网的医疗设备综合管理系统设计与实现*

周军华①*任 坚①吴文生①徐 荣①张晓明①唐 永①

目的：针对传统医疗设备管理系统电子信息化方面的不足，设计一种新的基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统，以提高医院对医疗设备的管理效率。方法：引入自组网和云计算网络技术，实现各个管理系统模块之间快速无缝链接，并提供完善的操作手册和设备状态等信息。结果：该系统采用了新型监控和无线组网技术，具有监控医院所有医疗仪器设备的运行状况，并记录和统计各种运行信息，实现对医院所有医疗仪器设备的管理、跟踪和统计等功能；此外，提供的手册可以方便地检查仪器设备的健康状态，以便于维护和维修。结论：基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统，通过实际部署使用，验证了该系统的成熟性和可靠性，可以大幅提高医疗设备的使用效率。

物联网；自组网；云计算

[First-author’s address] Affiliated Hospital of Jiangnan University Department of Medical Instruments, Wuxi 214122, China.

物联网[1-3]作为下一代互联网技术，结合工业化和信息化，将会从根本上改变行业的形态，极大地推动技术进步，改善人们生活条件。物联网技术在医疗领域的应用潜力巨大，能够帮助医院实现对患者的智能化医疗和对物的智能化管理[4-5]。随着现代医疗技术的发展，检测技术逐步更新，医疗仪器设备不论从种类上还是数量上都有了极大的增加，而如何管理众多设备，提高其使用效率，减少浪费，对医疗单位提出了更大的挑战[6-7]。

随着医疗设备管理系统的不断发展，物联网技术在该领域得到了广泛关注，已经成为提高医疗设备管理效率的关键技术之一[8-12]。就应用角度而言，采用现代传感器技术，无线自组网技术和综合信息处理技术可以更科学有效地管理医院的医疗仪器设备，将医院主要的医疗仪器设备接入物联网中，通过云计算网络提供多种途径的实时访问、查询和管理，从而可以高速、高效地操控和运行医院医疗设备管理，降低医疗仪器设备的使用和维护成本，避免重复浪费，有效提升医院的核心竞争力[13-18]。

针对传统医疗设备管理电子化信息方面的不足，本研究引入自组网和云计算技术，提出了一种基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统，其中，自组网技术可以让整个无线网络实现自组建、自诊断、自愈合及自路由，减少了用户参与，极大的提供网络的工作效率。引入的云计算网络技术，可以将医院(用户)、卫生管理机构、医疗设备厂商及维护厂商等覆盖到系统中，统计不同厂家的各种医疗设备的使用情况、故障情况、采购成本以及使用和维护成本等；设计了通用的接口协议，将医疗设备的研发、生产、销售、使用、反馈、维护和管理等各个环节统一起来，有效推进整个产业链的进步。本研究提出的综合管理系统通过实际部署测试使用，验证了系统的可靠性和有效性。

1 医疗设备综合管理系统设计

基于自组网和物联网技术的医疗设备综合管理系统是采用监控终端监控医疗仪器设备的运行状况，通过无线接口将运行信息发送给服务器，服务器则记录并统计各个医疗仪器的状态信息，提供实时监控的窗口显示。服务器端需建立本地和云端数据库，记录设备信息，提供操作手册和运行记录等信息。服务器端和云端软件还可根据需要自动提供各种格式内容的报表。为获得医疗仪器设备的位置信息，系统将集成已有的射频识别(radio frequency identification，RFID)技术，在医疗仪器设备贴上RFID标签，在各科室、病区门口设立卡口，扫描进出的医疗仪器设备。除此之外，监控终端还可以通过获知自身挂载在哪个无线网桥下来得到自身的大致位置。

基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统中所有设备都可以采用在线升级的方式更新固件和软件，在硬件设计上充分考虑了冗余和备份，如更新失败仍可以自恢复到先前版本。

基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统的功能模块主要包括：①监控终端：监控医疗设备的运行状态，提供无线传输和路由功能；②主控接口模块：通过服务器的串口为服务器提供无线接口；③无线网桥：提供与监控终端的无线连接，并通过WiFi或有线以太网连接服务器；④服务器：主要是软件部分，记录各个医疗设备的运行状态，提供操作手册和运行记录，输出各种格式内容的报表，除此之外还负责其他硬件模块的管理和配置；⑤云计算网络服务器：汇总所有的单体服务器，提供云端的数据库和访问接口，支持远程访问，可部署在各个独立的服务器上，其系统整体架构如图1所示。

图1 综合管理系统框图

2 医疗设备综合管理系统关键技术

对于所有物联网系统而言，信息的检测和传输是系统设计的难点。监控终端设备需要检测医疗仪器设备的运行状态，要求能够低功耗运行，且可通过无线网络传输数据，无缝兼容医疗仪器，将监控终端设计成设备电源线形式，使用者无需额外操作，即可使监控终端正常工作。本研究提出的医疗设备综合管理系统所采用的关键技术主要包括：检测技术、无线自组网技术和云计算网络技术等。

2.1 检测技术

监控终端设备采用CS5460芯片采集被测仪器设备的运行电压电流信号，以此来判断被测设备是否运行以及实时功率，CS5460芯片是用于功率测量芯片，其性能和稳定性要求能够满足本系统的需求。为采集更详细的信息，监控终端设备还提供USB接口和RS232串口用于连接被测仪器，采用仪器设备厂商提供的接口，定义收集仪器设备的运行日志，故障代码等运行信息，并将其通过无线接口模块发送给服务器。监控终端的软、硬件架构如2图、图3所示。

图2 监控终端硬件框图

图3 监控终端软件架构图

2.2 自组网技术

无线接口模块是本系统设计的难点和重点。医疗设备管理系统本身无需大带宽的无线通道，对实时性的要求也很低，各个监测终端具有一定的本地存储能力，可以选择设定每隔10 min、30 min等时间间隔发送数据，可以极大地降低系统负载，减少相互干扰。针对不同应用场景，基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统可选同时支持WiFi模块和433 MHz模块，提供多种组网能力，而WiFi模块将是最优选择；如无完善的WiFi网络，433 MHz网络将成为首选。

采用WiFi组网，其技术成熟可靠，当前已有大量的应用[19-20]。而433 MHz技术无法可靠地传输数据和组网，极大的限制其应用。为此，本研究在433 MHz物理层之上另行开发基于自组网技术的链路层和网络层协议，构建完善的自组网，避免433 MHz技术存在的缺陷。每台监控终端设备在出厂后都会固化一个唯一的ID号与自身的MAC地址和433 MHz网络地址有着固定且唯一的对应关系，初始化上电后会根据ID号来计算本机地址，433 MHz网络中所有节点的地址不会重复。服务器端的节点为主机节点或是根节点，预留特定的地址，在任何系统中都不会变化。为节约无线传输带宽，系统还预设了广播地址，普通节点不可以使用广播地址发送广播报文，中继节点收到广播报文后向下转发广播报文。为增加传输可靠性，除了广播报文外的每一次的数据传输都会有数据校验和应答机制，在固定时间里收不到应答报文或是应答故障报文，会触发重传操作，重传3次仍不成功，则放弃本次传输。

433 MHz自组网网络支持自组建、自愈合及自主路由，自适应网络架构，以减少网络维护的工作量和客户的维护时间，增加网络的可靠性。为此在构建433 MHz网络时，需要额外的网络维护机制。433 MHz的服务器节点和中继节点会定时发送心跳报文，各个终端节点需及时响应，来确认自身是否在网络中，传输通道是否通畅。服务器节点也通过发送心跳报文来扫描网络节点，确定在线的网络节点。网络中所有节点在发送报文之前均需监控网络拥塞状态，减少数据碰撞的发生，每次发送报文都会启动硬看门狗电路来避免长时间占用网络。433 MHz网络采用树状结构，服务器节点处于整个网络的最高点，等级最高且唯一。监控终端节点可能为末梢节点或为枝干节点(中继节点)，枝干节点可以下挂末梢节点或是枝干接点，每个节点均有自己的上下级关系和等级。等级的高低取决于上级节点的高低，组网时优先选择等级高的节点，但仍需减少来回切换的次数和网络摆动情况。网络等级共有8级，0级最高为根节点所有。网络组建和维护均由各节点自行完成，上层软件无需参与，其流程如图4所示。

监控终端在上电后会发送“我上电”报文来申请建立路由链路。“我上电”报文本质上是广播报文，分为发送给根节点和发送给中继节点的两种。如果监控终端未收到根节点发送的路由应答报文，即认为自身无法直接和根节点联系上，此时应向中继节点发送“我上电”报文，申请中继链接。通常情况下，会有多个中继节点响应“我上电”报文并提供中继链接，这时监控终端需要考虑各个中继节点的网络等级和负载数量来选择中继节点。完成响应的握手操作后，监控终端记录自身的上一级节点的地址，并将自身的网络等级修改中继节点的低一级，而中继节点也会将该监控终端的地址和时间记录至自身的路由表中。中继节点只转发自己路由表中条目项的报文，其他中转报文一律丢弃，可有效的抑制网络风暴，减轻网络负载。

图4 自组网网络构建和维护流程图

采用架构的自组网络，根节点和网桥节点发送报文时，只需填写相应的目的地址即可，无需知晓整个网络的路由架构，收到该报文的节点会自动查询各自的路由表转发报文。监控终端发送上报报文时也只需将自己的上一级节点设为目的地址，中继节点会自动向上转发报文给服务器。本网络对实时性要求很低，即使路由表较大、查表时间较长也不会影响系统的功能实现。路由表的更新和老化会在路由表查找的同时进行，保证路由表的有效性。中继节点的突然下电会导致其下的监控终端中断链接，但监控终端会通过检查心跳报文和应答报文来获知这一情况，随后会自动发起重新路由的申请，重新选择路由路径。

理论上不应出现＞8级网络的存在，如果网络过于庞大，节点数量＞128个，则考虑分拆网络，可采用无线网桥方式，借组已有的WiFi有线以太网网络减少433 MHz网络规模。无线网桥在433 MHz网路中处于根节点位置，但其自身不处理相关数据，只作为433 MHz和WiFi有线以太网网络桥来使用。无线网桥还提供3G无线数据通道，支持Internet访问，自身集成防火墙功能。无线网桥设备可以用于连接位置较偏远的病区设备。该组网算法可以尽可能的平铺网络结构，减少网络层次，减轻网络偏载，降低监控终端处理性能的要求。通过以上协议和技术的保证，基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统的无线网络可靠性和可维护性得到了极大的提高，数据传输更加可靠、便利。用户无需关心复杂的组网架构和维护命令，网络的自愈化极大地减轻了用户负担和维护成本。医院所有的被监控的医疗仪器设备都可以随时上下电，而不影响现有网络的运行。

2.3 云计算网络

设备在本地收集和统计的各种数据，除了保存在本地硬盘外，还可以发布到互联网上。用户经过一定的权限管理流程后可以远程登录服务器中，查看实时和历史信息。分布在医院的多个病区内部，分院内部或是多个医院内部的服务器都可以连接到同一个云计算网络中。该网络可以实现信息共享、信息发布、固定和移动平台的登录以及权限管理等功能。用户可以通过电脑、手机等终端随时登录网络中查看医疗设备的实时运行状态和历史数据。云计算网络架构如图5所示。

图5 云计算网络架构图

除此之外，各个医疗设备厂商在经过授权后同样可以接入到云计算网络中，检查本厂设备的故障情况。云计算网路会将医疗仪器设备的检测和故障编码实时发送给相应的厂商或维护单位，出现故障的医疗仪器设备会在第一时间得到维护和处理，而维护人员在出发前就可以获知故障的详细信息和处理办法，极大的提高维护效率，降低成本。随着管理平台的完善和积累，云计算网络还会自动触发设备维护和校验需求，无需人工干预，还可以自行给出故障解决办法，直接指导用户维修简单故障，无需等待专业维修人员，极大提高了仪器设备的在岗率。

输出多种报表也是云计算网络的重要功能。各台医疗仪器设备的使用情况，统计各个医院、分院及科室的使用负荷，可以按照时间和类型定时输出各种报表，通过短信、彩信或电子邮件的形式发送相关人员，更有效的配置仪器设备，减少浪费和闲置情况。统计各种医疗仪器设备的故障类型和故障率，核算出医疗仪器设备的购买和使用成本，不仅可以帮助医院选购设备，还可以促使厂商改进产品质量，改善服务，促进行业的良性发展。服务器的硬件平台采用市售成品服务器平台，在其上开发功能软件。在客户端软件只是多个平台，包括Windows、IOS及Android等，用户可以使用多种平台登陆服务器，方便的获得权限范围内的信息。系统提供商也可以远程登陆云计算网络，更新和维护本系统的正常运行。服务器端的软件架构如图6所示。

图6 服务器端软件架构图

3 结语

基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统，可以帮助医院和医疗系统更合理的采购和分配医疗仪器设备，提供仪器设备的使用效率，降低故障率，更好的保证正常医疗工作，降低成本，为医院带来较好的经济效益。该系统解决了传统医疗设备管理系统的建设困难、操作复杂及维护成本高等难题，极大的方便了客户的使用和维护。此外，基于自组网和物联网技术医疗设备综合管理系统不仅是为单个医院定制开发的设备管理一体化系统，还可应用于地市级的卫生系统，云计算网络覆盖多所医院、管理机构、设备厂商和维护厂商，促进医疗仪器设备研发、生产、销售、使用、维护和管理等各个环节，推动医疗仪器设备行业的良性发展。

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Research on AD HOC and IOT techniques-based management comprehensive system for medical devices

ZHOU Jun-hua, RENG Jian, WU Wen-sheng// China Medical Equipment,2015,12(1):41-45.

Objective: For the disadvantages of the electronic information in the conventional medical equipment management system, we design a improved medical equipment monitoring and management system based on the Ad Hoc and Internet of Things (IoT) techniques, which is capable of monitoring and recording the operation conditions of the medical equipment in a hospital. Methods: The Ad Hoc and the cloud computing techniques are introduced, which can make the modules of the management system linked each other. Meanwhile, we provide more manual and device status information. Results: The designed system can effectively monitor all the medical equipments, and it is easy for equipment health check, equipment maintenance and repair, which can significantly facilitate the use of the medical devices. Conclusion: The maturity, reliability and validity of the developed system are evaluated using practical deployment, which largely increase the system function and improved the work efficiency.

The Internet of things; Ad Hoc; Cloud computing

周军华,男,(1980- ),硕士，工程师。江南大学附属医院医疗器械科，从事医疗设备维护、维修及质控管理工作。

1672-8270(2015)01-0041-05

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.013

2014-05-08

无锡市医院管理中心智慧医疗科研项目(YGZXZ1304)“基于物联网技术医疗设备管理系统设计”

①江南大学附属医院医疗器械科 江苏 无锡 214122

*通讯作者：439069554@qq.com