基于物联网的患者移动监测系统的设计

陈皇宇，王娟

南京军区南京总医院 信息管理科，江苏 南京 210002

基于物联网的患者移动监测系统的设计

陈皇宇，王娟

南京军区南京总医院 信息管理科，江苏 南京 210002

目的针对目前医院中患者移动监测的医疗需求，设计了患者移动监测系统。方法采用物联网技术作为基础，进行患者移动监测系统设计。系统主要包括智能移动终端和参数收集节点间的蓝牙通信模块、生理数据储存和管理模块、智能移动终端和患者监测点的通讯模块、患者GPRS定位和实时地理位置监测模块、患者参数收集等模块等。结果本系统的应用，实现了移动患者身体各项指标的实时监测。结论本系统解决了传统的监测系统在患者移动监测过程中监测带间大，吞吐量低、效率差的问题，使移动患者监测系统发挥了更大的作用。

移动监测系统；物联网；蓝牙通信模块；射频识别；智能移动端

引言

在移动互联网技术的基础上发展起来的移动医疗，给医疗卫生业带来了新的发展机遇[1-3]。让医生、患者、诊断数据有了新的结合方法。随着计算机网络技术的发展，出现了移动监测，相对于传统的医院内病床旁监测来说，医生对患者的监测标准更为统一[4-5]。移动监测系统的出现，给医疗机构、患者和设备供应商带来了巨大变化，改变了传统的医疗模式。设计患者移动监测系统，能够为构建便捷、人性、智能化的医疗模式提供可靠的理论依据[6-8]，成为该领域亟待解决的问题，受到了广大学者的关注，也设计了很多移动监测系统。

曹恩国等[9]设计了基于ARM-Linux的移动监测系统，此监测系统采用嵌入式微控制器PXA270为硬件核心，以TCP（传输控制协议）和Modbus（网络通讯协议）协议为软件编程实现患者移动监测。但该系统存在监测数据不全，运行效率低的问题。孙振邦等[10]设计了基于J2ME的移动监测系统，该系统在J2ME平台上，以GPRS（通用分组无线服务技术）为信息传输通道，对患者监测信息进行传输，实现对患者的移动监测，但是该系统存在监测精度低的问题。黄剑波等[11]设计了基于ZigBee网络的患者移动监测系统，该系统主要由ZigBee网络、PC上位机和安卓客户端三子系统组成，基于ZigBee网络可实现实时对患者进行移动监测，但是存在系统运行稳定性差的问题。

针对上述问题的产生，本文提出并设计了基于物联网的患者移动监测系统。实验结果证明，采用改进的移动监测系统，监测精度及系统运行效率，均要优于传统的监测系统，具有一定的优势。

1 移动监测系统整体结构分析

基于物联网的患者移动监测系统主要采用主动监测的方式，其系统框架见图1。

基于物联网的患者移动监测系统的实现技术，是通过智能移动终端和参数收集节点间的蓝牙通信、生理数据储存和管理、智能移动终端和患者监测点的通讯、用户GPRS定位和实时地理位置监测、患者参数收集等模块设计与实现的。此系统的全部性能是经过及时收集患者信息，把收集到的患者信息输送给患者携带的移动终端上实行处理，经过移动终端及时得到患者所处的地理位置信息，再经过GPRS网络将患者信息和地理位置信息输送至医院患者监测中心，医护人员能同时得到患者信息及地理位置信息，便于医护人员及时对患者实行监测、分析及及时得到患者所处地。当在户外运动时患者发病，系统会主动报警提醒家属和医生，让救护人员快速到达现场进行救助，达到对患者全方位实时监测的目的。

图1 基于物联网的患者移动监测系统框架

2 系统软硬件设计

2.1 感知层设计

感知层是实现物联网全面感知的核心层，主要用于采集患者的生理参数。感知层包括心电传感器、脉搏传感器、体温传感器、微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）处理器、蓝牙模块。主要负责患者信息的采集与终端识别，类似人类的皮肤和五官，通过传感器技术感知患者信息，采集终端患者信息，执行上层的指令，完成相应的工作，来实现基于物联网的患者移动监测系统的感知层搭建，感知层结构图，见图2。

图2 感知层结构图

由图2可知，此模块可以采集患者的心电、脉搏、体温相关的的信息，以传感器作为检测装置，感受被测量的信息，并将检测和感受到的信息通过MCU处理器进行处理，直至此信息满足传输、处理和存储要求后，将其通过蓝牙模块传输至传输层。此模块优点如下：① 可主动采集患者信息，主动收集患者的信息，还提供信息处理引擎，依据数据集意义，把收集的信息进行对应处理；② 依据医疗业汇聚要求进行全面数据汇聚，可以患者为核心进行信息汇聚，反映出患者信息档案视图；③ 依据医疗信息监测要求进行全局化分析，及时了解患者身体状态和干扰患者康复的重点危险因素，再结合医疗知识，对医疗数据进行标记，为之后对患者的处理和救护提供及时的患者信息。

2.2 传输层设计

传输层可解决感知层所获取的信息维持在一定范围内，通常是长距离传输，主要完成基于物联网的患者移动监测系统中患者信息的接入、处理和传输功能，是进行患者信息交换、处理、传递的数据通路，包括蓝牙模块、数据处理模块、患者GPS（全球卫星定位系统）定位模块、GPRS模块。传输层结构图，见图3。

图3 传输层结构图

由图3可知，GPS定位部分主要是对患者进行准确的定位，实时对患者的地理位置信息进行捕捉，在发生突发事件时，可把定位信息及时送到患者监测中心，为患者的及时救助提供依据支持；数据梳理部分，主要是对采集的心电数据、脉搏数据、体温数据采用滤波算法进行滤波、提取心电数据、脉搏数据、体温数据特征参数，获取患者的基础信息。

2.3 应用服务层设计

基于物联网的患者移动监测系统由PC端和移动智能终端组成，PC端主要用于接收及监测从患者处采集的信息，移动智能终端主要用于医护人员对患者情况进行监测，便于操作。应用服务层结构，见图4。

图4 应用服务层结构图

由于患者信息的多样且灵活多变，基于物联网的患者移动监测系统为了能够在不同的应用级别上满足不同的医疗机构及医疗信息，添加了中间件技术来实现。中间件为底层与上层间的患者信息传递提供了很好的交互平台，实现各类患者信息资源之间的关联、整合、协同等。所以，中间件需要满足多种应用通用需求的API集合、跨平台时的灵活性等需求。

2.4 用户交互接口设计

用户交互接口包括医护员接口和患者接口两个部分。医护员接口为医护员提供云端管理的接入点，提供用户管理、权限管理、任务管理、资源管理等功能。其中用户管理结构对用户进行管理和识别，并完成对用户程序执行环境、用户使用信息等进行管理的性能；任务管理接口负责云端的用户任务管理，对任务进行调度、监测与统计；资源管理接口负责监视患者的具体日常习惯，有无按照医生要求作息等；安全管理接口主要负责系统可靠性的管理，如身份认证、访问授权等，用户交互接口结构图，见图5。

图5 用户交互接口结构图

2.5 接入网关设计

接入网关在基于物联网的患者移动监测系统中发挥着承上启下的功能，是系统能够实现患者移动监测的关键。接入网关的结构图，见图6。

图6 接入网关结构图

由图6可知，接入网关的基本即为微处理器模块和本地存储模块，在结合Wi-Fi通信模块、物联网通信模块可以适应患者移动讯息的收集。假如想增加网关间的合作及对移动终端患者信息的实时监测，要添加GPRS通信模块；同时可添加蓝牙通信模块或射频识别（RFID）读写模块提高对移动终端患者信息的监测；还可增加薄膜晶体管液晶显示器件显示模块增强人机交互。

2.6 嵌入式微处理器设计

为了增加用户对物联网网关功能的多样性需求，增加嵌入式微处理器模块。嵌入式微处理器由通用计算机CPU演变而来，其体积小、成本低、性能好，尤其是ARM系列的微处理器具有速度高、能耗低等优点。因此微处理器主要以ARM9处理器为核心的存储处理部分。嵌入式微处理器结构图，见图7。

图7 嵌入式微处理器结构图

微处理器模块是物联网的控制核心。它主要通过数据总线和地址总线与本地存储器模块连接，于存储控制程序和病人信息；微处理器模块经过三路通用异步收发传输器（UART）接口和物联网通信模块、RFID读写模块及蓝牙通信模块进行连接，对物联网通信模块和物联网通信节点进行控制，操纵RFID读写模块对RFID标签的读写，控制蓝牙通信模块；微处理器模块经过两路USB接口和3G通信模块、Wi-Fi模块连接，3G通信模块和物联网连接；在经过LCD控制器与液晶显示模块相连，实现患者信息的显示。

3 实验结果分析

为了验证改进系统在患者移动监测方面的有效性及可行性，需要进行实验对比分析。实验采用Android 2.3版本系统，AP采用TP-LINK公司生产的TL-WN821N，符合IEEE 802.11n标准协议，在Linux内核为2.6.32的操作系统上进行测试，结果见图8。

图8 不同系统的监测连续性对比图

从中可以看出在没有历史患者信息时，采用传统的监测系统时，其连续监测带间一直高于正常监测带间，且其波动幅度较大；采用改进的监测系统时，虽然一直高于正常监测带间，但其相比传统的监测系统更加接近正常监测带间，具有一定的优势。

另一方面，为了进一步验证改进监测系统的有效性，以监测系统的吞吐量为标准，以正常监测值为基准，传统监测系统与改进监测系统为对比，进行实验分析，结果见图9。

图9 不同系统的吞吐量对比图

由图9可以看出，采用传统的监测系统时，其丢包率较高，使得其吞吐量增加，与正常监测值相差较大；采用改进的监测系统时，其丢包率较低，吞吐量与正常监测值接近，相比传统的监测系统具有一定的优势。这主要是因为在患者信息采集模块中增加了物联网通信。

在医院选取60例患者的数据进行对比分析。其中，33例患者是下肢静脉血栓、21例患者是脑卒中、6例患者是糖尿病并发症。患者年龄在35～65岁。在上述病例中，所有患者都有进行移动监测的医疗需求。

针对60例患者进行患者移动监测系统应用，将所有的患者分为两组，其中一组是早期用传统的患者移动监测系统进行监测的。其中包含17例下肢静脉血栓患者、11例脑卒中患者和2例糖尿病并发症患者；另一组是用最新设计的基于物联网的患者移动监测系统进行监测，其中包含16例下肢静脉血栓患者、10例脑卒中患者以及4例糖尿病并发症患者，均实时采集了患者的身体各项指标数据，为患者的诊疗提供了数据基础。

结果，用传统的患者移动监测系统进行监测，其中1例患者因未能及时将血栓相关指标及时传递到控制端，造成二次血栓抢救延误。用基于物联网的患者移动监测系统进行监测的病例中，所有患者均没有因为监测数据造成诊断不及时，满足了移动医疗的发展需求。

4 结论

本研究针对传统的患者移动监测系统一直存在监测带间大、吞吐量低、效率差的问题，提出并设计了基于物联网的患者移动监测系统。此系统主要由患者生理参数采集节点（感知层）、智能移动终端（传输层）、医院健康监测中心（应用服务层）3个子系统组成。首先给出了患者移动监测系统的整体结构；其次，对患者生理参数采集节点、智能移动终端、医院健康监测中心3个子系统进行详细的分析，给出了3个子系统连接所需的用户交互接口模块及其接入网关和微处理器结构；最后，设计了患者移动监测系统的软件。实验结果证明，采用改进的监测系统，其监测带间、吞吐量均要优于传统的监测系统，具有一定的优势。

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本文编辑 王博洁

Design of Mobile Monitoring System Based on Internet of Things

CHEN Huang-yu, WANG Juan

Department of Information Management, Nanjing General Hospital of Nanjing Military Region, Nanjing Jiangsu 210002, China

ObjectiveTo design a mobile monitoring system for patients based on the current medical needs of patients in the hospital mobile monitoring.MethodsMobile monitoring system was designed by the internet of things technology. The system mainly included the bluetooth communication module between the intelligent mobile terminal and parameter collection nodes, physiological data storage and management module, communication module between intelligent mobile terminals and patients monitoring point, GPRS positioning and real-time location monitoring module, patients parameter collection module, etc.ResultsApplication of this system realized the mobile real-time monitoring of the indicators in the patient's body.ConclusionThis system solved the problems of the traditional monitoring system in the process of patients monitoring, such as large interband transmissior, low throughput and low efficiency, which made mobile monitoring system play a bigger role.

mobile monitoring system; internet of things; bluetooth communication module; radio frequency identificationRFID; intelligent mobile terminal

TP277

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.08.031

1674-1633(2017)08-0116-04

2016-11-17

2016-12-23

作者邮箱：kjxn11@163.com