物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng).ppt

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1、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)重 慶 郵 電 大 學(xué) 主要內(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(shè)計(jì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)案例分析 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景隨著我國(guó)醫(yī)療改革事業(yè)的深入推進(jìn)，智慧地球、智慧城市等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用不斷滲透。為了解決我國(guó)醫(yī)療資源欠缺、分布不均、資源利用率低下的一系列問(wèn)題，醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用積累共性關(guān)鍵技術(shù)解決方案、應(yīng)用解決方案、服務(wù)運(yùn)營(yíng)和推廣應(yīng)用模式的重要手段。 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用需求資源管理：包括對(duì)藥品、醫(yī)護(hù)人員、患者、醫(yī)療設(shè)備的管理與監(jiān)控；電子健康檔案：包括個(gè)人基本健康信息檔案、疾病控制檔案、婦幼保健檔案、醫(yī)療服務(wù)檔案、社區(qū)衛(wèi)生檔案的建立與管理；移動(dòng)臨床是指利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與移

2、動(dòng)計(jì)算技術(shù)將電子病歷從桌面應(yīng)用推向移動(dòng)應(yīng)用；遠(yuǎn)程會(huì)診是指通過(guò)醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)為患者進(jìn)行疾病診斷、治療的過(guò)程。 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)遵循物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用層三層通用架構(gòu) 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)感知層框架 醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)感知層的任務(wù)針對(duì)醫(yī)院資源管理應(yīng)用需求，提供基于RFID技術(shù)的醫(yī)護(hù)人員、醫(yī)療設(shè)備、患者、藥品等資源管理的完整解決方案和核心技術(shù)支持；針對(duì)居民健康檔案的長(zhǎng)期、及時(shí)、完整、準(zhǔn)確等要求，在現(xiàn)有門(mén)診和臨床診斷獲取病理參數(shù)手段的基礎(chǔ)上，提供基于BAN（體域網(wǎng)）的在個(gè)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(shù)支持；針對(duì)移動(dòng)臨床和遠(yuǎn)程診療等醫(yī)療應(yīng)用需求，基于傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，定義感知

3、層和傳輸層邊界，配合傳輸層的相關(guān)技術(shù)和協(xié)議要求，提供具有通信協(xié)議解析能力的RFID讀寫(xiě)設(shè)備和BAN用戶服務(wù)器。 主要內(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(shè)計(jì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)案例分析 生命體征信息檢測(cè)與定標(biāo)方法設(shè)計(jì)生命體征信息傳輸需求、模型、仿真對(duì)生命體征信息和傳感器節(jié)點(diǎn)分為復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和瘦節(jié)點(diǎn)。其中血壓、心電、心音、血氧飽和度、呼吸等節(jié)點(diǎn)定義為復(fù)雜接點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)可以考慮定義為瘦節(jié)點(diǎn)。可調(diào)度的信號(hào)數(shù)字化方法設(shè)計(jì)信號(hào)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)信息、常規(guī)生理生化體征指標(biāo)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(dòng)態(tài)可變采樣率方法完成信號(hào)的數(shù)字化，采樣速率和采樣精度隨身體狀態(tài)

4、的變化而自適應(yīng)改變；節(jié)點(diǎn)可根據(jù)網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)調(diào)度指令動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)數(shù)字化的各項(xiàng)參數(shù)。 生命體征信息檢測(cè)與定標(biāo)方法設(shè)計(jì)信號(hào)預(yù)處理算法通過(guò)敏感元件進(jìn)行信號(hào)采集，并根據(jù)前端采集信號(hào)的不同，設(shè)計(jì)不同的片上系統(tǒng)算法，實(shí)現(xiàn)不同體征參數(shù)的特征提取。 BAN數(shù)據(jù)融合技術(shù)基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)生命體征類數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采樣和融合。定標(biāo)、控制與編碼微型節(jié)點(diǎn)式體征傳感器信號(hào)定標(biāo)意義重大，必須按照臨床標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)研發(fā)各節(jié)點(diǎn)，可采用外部標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源測(cè)試方法和內(nèi)部定標(biāo)信號(hào)相結(jié)合的方法進(jìn)行信號(hào)定標(biāo)。 面向醫(yī)療的RFID技術(shù)針對(duì)不同醫(yī)療資源采用半無(wú)源和有源RFID技術(shù)休眠態(tài)：標(biāo)簽的所有部件均停止工作。信道查詢態(tài)：查詢信道上的有

5、效讀寫(xiě)器信號(hào)?？臻e態(tài)：當(dāng)信道沖突時(shí)，搜索讀寫(xiě)器的控制命令，以重置擴(kuò)頻碼。激活態(tài)：當(dāng)感應(yīng)能量低于門(mén)限值時(shí)，啟動(dòng)電池供電。通信態(tài)：建立與讀寫(xiě)器的有 效連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。半無(wú)源RFID工作機(jī)制有源RFID工作機(jī)制 RFID節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案半無(wú)源RFID標(biāo)簽 有源RFID標(biāo)簽 RFID防碰撞方法由于院內(nèi)具有不同于一般RFID應(yīng)用的、資源海量的顯著特點(diǎn)，要求RFID讀寫(xiě)器能實(shí)時(shí)讀寫(xiě)數(shù)量巨大的標(biāo)簽，提高吞吐率，縮短操作時(shí)間，因此必須設(shè)計(jì)適合于醫(yī)院環(huán)境的RFID標(biāo)簽防沖撞機(jī)制。 BAN信息傳輸技術(shù) BAN（Body Area Networks，體域網(wǎng)），是一種新型的無(wú)線通信技術(shù)，其典型通信距離為2米左右，限制

6、在人的身體范圍之內(nèi)。目前已進(jìn)入IEEE標(biāo)準(zhǔn)化流程，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為IEEE 802.15.6。 WMAN WLAN WPAN WBAN BAN的目的在人的體內(nèi)和體表形成一個(gè)基于無(wú)線技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)測(cè)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 BAN的應(yīng)用場(chǎng)景 BAN典型應(yīng)用設(shè)備ECG(檢測(cè)心電狀態(tài))EMG (檢測(cè)肌電狀態(tài)) 姿勢(shì)感應(yīng)( 檢測(cè)活動(dòng)狀態(tài)) WBAN與WPAN、WLAN、WMAN的互聯(lián) BAN典型應(yīng)用對(duì)傳輸?shù)男枨?現(xiàn)有各種無(wú)線候選技術(shù)指標(biāo) 現(xiàn)有技術(shù)無(wú)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(duì)醫(yī)療應(yīng)用的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)一種新的專用無(wú)線通信技術(shù)。 BAN技術(shù)指標(biāo)（草案） Dista

7、nce 2 m std, 5 m special Piconet density 2 - 4 nets / m2 Devices per network max. 100 Net network throughput 100 Mbit/s max. Power consumption 1mW / Mbps( 1 m distance) Startup time 100 us, or 10% of TX slot Latency (end to end) 10 ms Network setup time 1 sec (after initial setup, per device) BAN與現(xiàn)有

8、無(wú)線技術(shù)的對(duì)比 1000 mW500 mW100 mW 50 mW 10 mW 1 Gbit/s100 kbit/s1 Mbit/s10 Mbit/s100 Mbit/s1 kbit/s10 kbit/s IEEE 802.15.3aIEEE 802.11 a/b/gBluetoothZigBee 200 mW 20 mWBody Area Network 5 mW 2 mW BAN設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(dǎo)率、介電常數(shù)、特征阻抗等物理參數(shù)差異會(huì)對(duì)電波傳播所造成的不同影響；體內(nèi)信道也會(huì)隨著人的年齡、體重、姿勢(shì)、時(shí)段等因素

9、而變化；分析基于統(tǒng)計(jì)方法的動(dòng)態(tài)化、通用化體內(nèi)信道模型?？紤]支持多場(chǎng)景的體表（On-body）信道模型。分析電波沿人體表面?zhèn)鞑r(shí)所產(chǎn)生的表面波、蠕波、散射波、衍射波等現(xiàn)象對(duì)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(guān)聯(lián)；針對(duì)隔音室、監(jiān)護(hù)室、病房等真實(shí)生活場(chǎng)景，提出能夠精確描述各種場(chǎng)景下體表電波傳播的信道模型?？紤]干擾對(duì)BAN信道的影響。 考慮不同個(gè)體的BAN之間、BAN與其它同頻段通信技術(shù)之間的干擾特征，減輕和克服干擾的影響。 BAN設(shè)計(jì)要點(diǎn)2：超短距離通信方案面向超短距離傳輸?shù)牡凸耐ㄐ判盘?hào)處理機(jī)制。以極低功耗作為各個(gè)通信組成單元的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。具有良好擴(kuò)展性和靈活性的多模式

10、通信機(jī)制。提出支持多種傳輸速率、多種通信質(zhì)量的混合通信機(jī)制；對(duì)于瘦節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)低復(fù)雜度、低成本的通信方案；對(duì)于復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，可采用先進(jìn)的通信方案，以有效提高傳輸帶寬和通信效果。增強(qiáng)BAN數(shù)據(jù)通信可靠性的傳輸技術(shù)。引入分集技術(shù)；采用虛擬多天線技術(shù)和協(xié)作通信機(jī)制。 BAN設(shè)計(jì)要點(diǎn)3：通信協(xié)議與組網(wǎng)技術(shù)支持多級(jí)別服務(wù)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(diǎn)的生命體征信息對(duì)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量的差異化需求。 BAN的自適應(yīng)組網(wǎng)與拓?fù)淇刂品椒āＴO(shè)計(jì)既支持同構(gòu)節(jié)點(diǎn)、又支持異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的自組織組網(wǎng)方案；提出能夠跟隨身體狀態(tài)自適應(yīng)變化的動(dòng)態(tài)拓?fù)淇刂品椒?。適用于BAN的在網(wǎng)協(xié)同方法與反饋協(xié)議

11、。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)同的框架和機(jī)制；基于傳感器關(guān)聯(lián)技術(shù)的事件驅(qū)動(dòng)型信息傳輸方法和休眠、喚醒機(jī)制； 對(duì)網(wǎng)絡(luò)中存在的反饋回路，設(shè)計(jì)閉環(huán)控制的優(yōu)化方法和相應(yīng)的協(xié)議。 BAN設(shè)計(jì)要點(diǎn)4：節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求：微型化、低功耗、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。 用戶服務(wù)器用戶服務(wù)器（US）是BAN與用戶之間進(jìn)行交互的接口。通過(guò)用戶服務(wù)器，用戶能夠獲取BAN節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并能對(duì)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和反饋。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同，US既能采用專用的硬件終端進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，也能基于手機(jī)的公共開(kāi)發(fā)平臺(tái)以軟件形式實(shí)現(xiàn)。 基于專用終端的用戶服務(wù)器設(shè)計(jì)支持IEEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn)的專用終端。該終端是一種具有網(wǎng)關(guān)功能的終端設(shè)備

12、，主要完成如下功能：一是作為協(xié)調(diào)器和中心節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)BAN感知網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)；二是作為轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)，實(shí)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(jī)交互終端，實(shí)現(xiàn)與用戶之間的信息交換，便于用戶操作和使用。 US專用終端的硬件設(shè)計(jì)方案核心控制單元是一塊ARM架構(gòu)的微處理器，一側(cè)通過(guò)IEEE 802.15.6模塊連接BAN無(wú)線子網(wǎng)，另一側(cè)通過(guò)3G模塊連接移動(dòng)通信網(wǎng)和Internet。 基于手機(jī)平臺(tái)的用戶服務(wù)器該種解決方案利用廣泛使用的手機(jī)作為用戶服務(wù)器的硬件平臺(tái)，不再設(shè)計(jì)專用硬件終端，通過(guò)在手機(jī)上運(yùn)行用戶服務(wù)器程序來(lái)實(shí)現(xiàn)與用戶進(jìn)行交互的目的。手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙、WiFi等方式與BAN協(xié)

13、調(diào)器建立連接，通過(guò)BAN協(xié)調(diào)器的中轉(zhuǎn)來(lái)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(lán)牙或WiFi協(xié)議。 手機(jī)平臺(tái)的US網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 用戶服務(wù)器軟件基于手機(jī)平臺(tái)的用戶服務(wù)器是以軟件形式存在的。軟件的編寫(xiě)需遵循手機(jī)平臺(tái)的通用編程方法。例如主流的Android、Symbian、Windows Mobile等智能手機(jī)操作系統(tǒng)都有一套獨(dú)自的程序設(shè)計(jì)方法和API接口。這些智能手機(jī)系統(tǒng)均提供對(duì)藍(lán)牙、Wifi模塊的支持，從而可以方便的通過(guò)這些無(wú)線方式與BAN協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接。 采用Android的用戶服務(wù)器結(jié)構(gòu)一個(gè)基于Andriod系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)的用戶服務(wù)器的結(jié)構(gòu)

14、如圖所示。 專用終端 vs. 手機(jī)平臺(tái)+軟件 US專用硬件終端和基于手機(jī)平臺(tái)的US軟件各有優(yōu)勢(shì)。前者能夠提供專門(mén)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，只需要安裝軟件便可以在手機(jī)上運(yùn)行和使用。對(duì)兩者的選擇需根據(jù)具體應(yīng)用需求來(lái)決定。例如在醫(yī)院內(nèi)的生病體征監(jiān)護(hù)設(shè)備適合采用專用硬件終端，而在家庭中的體征信號(hào)監(jiān)測(cè)更適合采用基于手機(jī)的軟件方案。 網(wǎng)絡(luò)層參考架構(gòu)（以遠(yuǎn)程醫(yī)療為例） 網(wǎng)絡(luò)層平面結(jié)構(gòu) 應(yīng)用層 移動(dòng)生命體征監(jiān)測(cè)醫(yī)療人員的實(shí)時(shí)定位行為識(shí)別及跌倒檢測(cè)醫(yī)療用品智能管理電子病歷遠(yuǎn)程醫(yī)療 主要內(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(shè)計(jì)醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)案例分析 基于ARM和CDMA-1X（GpsOne

15、）的移動(dòng)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)終端終端能夠?qū)崟r(shí)采集、處理、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸心電數(shù)據(jù)，并能對(duì)病人進(jìn)行有效定位，提高了心電監(jiān)護(hù)終端的監(jiān)護(hù)水平終端還具有移動(dòng)性、便攜性、操作性好等優(yōu)點(diǎn)。具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)所附pdf格式論文。 可穿戴式生命體征監(jiān)護(hù)設(shè)備高壓氧艙已廣泛應(yīng)用于臨床疾病救治，艙內(nèi)生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是高壓氧治療過(guò)程中對(duì)危重病員進(jìn)行生理指標(biāo)監(jiān)護(hù)的重要設(shè)備?，F(xiàn)有監(jiān)護(hù)設(shè)備對(duì)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(hù)存在局限：多個(gè)傳感器通過(guò)有線的方式和處理器相連接獨(dú)立的傳感器間缺乏系統(tǒng)整合 不支持信號(hào)的持續(xù)采集和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理分離的監(jiān)護(hù)設(shè)備間無(wú)法共享無(wú)線通信資源。研制一種基于無(wú)線傳感技術(shù)的可穿戴式多參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備，可更好地適應(yīng)高壓氧艙特殊環(huán)境和臨床救治的需要。具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)所附pdf格式論文。 Thank you!