鹿煜煒

（安徽醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程與信息部，安徽 合肥 230601）

基于無線通信網(wǎng)絡(luò)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計研究

鹿煜煒

（安徽醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程與信息部，安徽 合肥 230601）

介紹了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線遠程監(jiān)護系統(tǒng)，對無線節(jié)點分布進行了規(guī)劃，并分析了系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)掃描時間，從理論上證實了無線覆蓋方案具有可行性。文中提出了在院內(nèi)覆蓋ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和院內(nèi)LAN相結(jié)合的組網(wǎng)方式，并分別基于Internet和GSM/GPRS設(shè)計了對合作醫(yī)療機構(gòu)患者和家庭患者的遠程通信方案。該系統(tǒng)具有功耗低、成本低、可靠性高、覆蓋面廣等特點。

遠程醫(yī)療；無線通信；監(jiān)護系統(tǒng)；ZigBee

隨著我國社會老齡化的加劇，解決長期慢性病的醫(yī)療監(jiān)護已成為重要的社會問題。一些突發(fā)性疾病及家庭保健，如心腦血管疾病，老人、孕婦、胎兒的日常護理和保健都需要長期的醫(yī)療監(jiān)護。隨著當今社會老年人口的劇增，醫(yī)療資源中監(jiān)護的作用更加突出。

醫(yī)療監(jiān)護儀器一般可分為兩類，一類是常見的在醫(yī)院內(nèi)由醫(yī)生或其他專業(yè)技術(shù)人員使用的專用監(jiān)護設(shè)備，對患者進行各項生理指標的監(jiān)護；另一類是在家庭或者其它非醫(yī)院病區(qū)，在醫(yī)生的指導(dǎo)下或經(jīng)對患者簡單的示教后，由患者本人或其家屬使用監(jiān)護設(shè)備對患者進行監(jiān)護，所得生理指標會記錄后由患者方帶回醫(yī)院提取監(jiān)護設(shè)備中的數(shù)據(jù)，或者通過遠程通信系統(tǒng)將監(jiān)護設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到醫(yī)院。

在傳統(tǒng)的方案中，監(jiān)護系統(tǒng)大多是建立在線纜連接的基礎(chǔ)上，一般體積和功耗大，不便攜帶，被監(jiān)護者身上安裝的傳感設(shè)備難以自由靈活地移動和接入，監(jiān)控數(shù)據(jù)只能在本地讀取，因而限制了被監(jiān)護者的行動，也影響了緊急狀況下醫(yī)護人員的處理響應(yīng)時間，可能導(dǎo)致貽誤最佳治療時機。而且系統(tǒng)的醫(yī)療傳感器和監(jiān)護儀器通常是一對一的方式，沒有集中管理，缺乏擴展性，成本高。為了使需要經(jīng)常測量或不便測量生理指標的患者（例如常住家中的慢性疾病患者、老年患者或需要頻繁做各種監(jiān)測又可以自由在醫(yī)院內(nèi)行動的患者等）能夠在隨意運動的狀態(tài)下測量某些常規(guī)的生理指標，目前國際上對遠程醫(yī)療的關(guān)注越來越強。近年來，隨著生物醫(yī)學(xué)傳感器的小型化和無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的快速發(fā)展普及，利用高頻率的無線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護控制儀器之間的信息，使得無線醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的研制成為熱點［1-2］。

在本案中，院內(nèi)除ICU采用區(qū)域集中監(jiān)控的方式（各病床監(jiān)控數(shù)據(jù)可在護士站專用設(shè)備上顯示和調(diào)閱），其它病區(qū)依然使用著傳統(tǒng)的監(jiān)護方式，在病房按需設(shè)置監(jiān)控儀器，醫(yī)生在查房和處理緊急狀況時分析并手工記錄監(jiān)控數(shù)據(jù)。醫(yī)院在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)上的投入沒有得到充分利用，因此有必要建立遠程醫(yī)療監(jiān)護，通過設(shè)立醫(yī)院監(jiān)護中心，在全院建立無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，減少監(jiān)護設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的連線，醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備測試可以在醫(yī)院內(nèi)大部分區(qū)域進行，使患者擁有較多的自由活動空間，能夠極大地方便病人就診，提高院內(nèi)現(xiàn)有監(jiān)護水平，并逐步擴展周邊社區(qū)和外縣市的遠程監(jiān)護。使被監(jiān)護人能夠在相對自由的環(huán)境獲得測量數(shù)據(jù)，便于監(jiān)護中心能夠及時準確的得到被監(jiān)護人的各項生理指標，在較準確的獲得測量指標的同時讓患者得到最及時有效的監(jiān)護，提高醫(yī)院的現(xiàn)代化信息管理和工作效率。

1　遠程監(jiān)護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖l所示，系統(tǒng)主要由醫(yī)療傳感器，信號處理、傳輸、顯示、存儲和監(jiān)護中心工作站等模塊組成。醫(yī)療傳感器主要功能為采集人體生理指標數(shù)據(jù)，或?qū)︶t(yī)療設(shè)備的狀況以及治療過程情況進行動態(tài)監(jiān)測，心電、腦電、肌電、呼吸體溫等信號在患者隨身攜帶的監(jiān)控儀器上顯示和存儲。存儲模塊主要用于存儲傳感器采集的數(shù)據(jù)，在處理模塊將數(shù)據(jù)傳輸之后，傳感器節(jié)點內(nèi)不做數(shù)據(jù)的大量存儲。由傳輸模塊接入網(wǎng)絡(luò)，所得到的數(shù)據(jù)以不同的方式傳輸?shù)结t(yī)院監(jiān)護中心服務(wù)器上，監(jiān)護中心可實時顯示或調(diào)閱系統(tǒng)內(nèi)任一患者的當前或歷史監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過分析軟件進行分析，醫(yī)生根據(jù)軟件分析結(jié)果及自己的判斷給患者適當?shù)尼t(yī)囑，必要時采取相應(yīng)的救治措施［3-6］。

圖1　遠程監(jiān)護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

醫(yī)療監(jiān)控儀器已經(jīng)是非常成熟的產(chǎn)品，因此在本設(shè)計中，重點關(guān)注的是信號經(jīng)過監(jiān)控儀器的傳輸模塊后以何種方式傳輸，即圖1中以云狀圖表示的部分。

按被監(jiān)護人的地理位置不同，整個監(jiān)護系統(tǒng)又可劃分為三個功能模塊：1、院內(nèi)住院患者監(jiān)護；2、已建立合作關(guān)系的地方醫(yī)院和社區(qū)醫(yī)療所患者遠程監(jiān)護；3、家庭患者遠程監(jiān)護。對于這三類監(jiān)護對象，都需要能夠在獲得監(jiān)護的同時有一定行動范圍，因此無線技術(shù)的引用必不可少。另一方面充分利用醫(yī)院現(xiàn)有的高速穩(wěn)定的有線網(wǎng)絡(luò)，可以節(jié)約建設(shè)成本，提高系統(tǒng)的健壯性。

2　無線通信技術(shù)的選擇

醫(yī)院的醫(yī)療監(jiān)護儀器對電磁輻射的要求很高，對于無線監(jiān)護設(shè)備而言，其輻射的電磁波既不能影響其它醫(yī)療設(shè)備的正常運行，同時其自身也應(yīng)具有一定的抗干擾能力。對院內(nèi)住院患者，需要保證其在醫(yī)院樓群范圍的移動性，因此監(jiān)護儀器應(yīng)通過一種覆蓋全院的無線網(wǎng)絡(luò)連接病區(qū)工作站和監(jiān)護中心；對社區(qū)醫(yī)療所患者，監(jiān)控信號通過覆蓋醫(yī)療所范圍的無線網(wǎng)絡(luò)，在醫(yī)療所工作站顯示調(diào)用，并且可以通過Internet網(wǎng)從醫(yī)療所傳送至醫(yī)院的監(jiān)護中心；對家庭患者，需要通過遠距離的傳輸方式連接醫(yī)院監(jiān)護中心。

2.1家庭患者遠程監(jiān)護通信方式

在家接受遠程監(jiān)護的患者家庭條件有很大差異，不能保證家庭與Internet網(wǎng)時刻暢通，因此需要通過遠距離的無線通信。目前在我國覆蓋面積和通用性最好的是蜂窩網(wǎng)絡(luò)（GSM/GPRS），通訊費用較低，且我院已與移動公司合作在醫(yī)療綜合樓內(nèi)架設(shè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)基站，除手術(shù)室等特殊區(qū)域外，全部設(shè)中繼和發(fā)射天線，保證樓內(nèi)信號暢通。信號通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)護中心硬件上只需增設(shè)GSM/ GPRS接收模塊［7］。對于GSM/GPRS模塊，目前國內(nèi)已經(jīng)使用的有西門子的TC35系列、愛立信的DM10/DM20系列、Falcom的A2D系列、Wavecome的WMO2系列等，而且這些模塊的用法和功能差別不大。

2.2住院患者遠程監(jiān)護通信方式

對院內(nèi)住院患者和社區(qū)醫(yī)療所患者，其活動場所固定，可在醫(yī)院和醫(yī)療所分別通過短距離無線通信連接監(jiān)護儀器和監(jiān)護工作站。評價無線通訊系統(tǒng)的主要參數(shù)有網(wǎng)絡(luò)大小、傳輸距離、傳輸速率以及功耗等。幾種常見的短距離無線通信系統(tǒng)的對比如表1所示［8］。

表1　短距離無線通信系統(tǒng)對比

基于IEEE 802.11標準的無線寬帶WiFi有著高傳輸速率，但同時有著高功耗，系統(tǒng)復(fù)雜，項目成本高。且本院從保護數(shù)據(jù)安全和投入成本角度考慮，還沒有實施院內(nèi)無線寬帶覆蓋的計劃。

相對來說，基于IEEE 802.15.4的ZigBee技術(shù)和基于IEEE 802.15.1的藍牙技術(shù)有相對較低的成本和功耗（目前ZigBee模塊的成本僅約5美元并且是免專利費的。ZigBee設(shè)備發(fā)射功率僅為1 mW，采用休眠模式的ZigBee設(shè)備使用兩節(jié)AA干電池一般可正常使用兩年以上），同時傳輸速率能夠滿足醫(yī)療監(jiān)護數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。相比之下，低?fù)雜度、自組織易擴展、抗毀性強、傳輸距離范圍大的ZigBee技術(shù)最合適的選擇。

3　監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計

3.1ZigBee協(xié)議

ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)是在參照OSI模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)其自身的特點和實際應(yīng)用的需要定義的，由物理層、控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等構(gòu)成。其中：IEEE 802.15.4工作組定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的底層協(xié)議；在此基礎(chǔ)上，ZigBee聯(lián)盟參照和采用現(xiàn)有的標準定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)，以及制定安全協(xié)議、高層應(yīng)用、測試和市場推廣等［9-13］。

在本系統(tǒng)中，為滿足無線通信要求，需要在醫(yī)院內(nèi)和醫(yī)療所內(nèi)覆蓋網(wǎng)絡(luò)。在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，除了邊緣節(jié)點可采用RFD以節(jié)省費用外，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊之間可以相互通信，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料，如圖2所示。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75米進行擴展，相對于價值百萬元人民幣以上的移動通信基站，ZigBee“基站”的成本不到1 000元。

圖2　ZigBee網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

ZigBee標準的特點滿足了本系統(tǒng)對無線通訊的基本需求，在對一個項目進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，需要在充分考慮網(wǎng)絡(luò)容量和時延的前提下，根據(jù)應(yīng)用場所環(huán)境的不同，設(shè)計最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來滿足具體應(yīng)用。雖然理論上一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以最多包括高達6.5萬個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，但是每兩個相鄰節(jié)點完成一次通信的時間為15 ms，整個網(wǎng)絡(luò)掃描一次的時間為中心節(jié)點對所有節(jié)點完成一次輪詢的時間。當網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的數(shù)量增加時，在增加無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的同時大大增加了網(wǎng)絡(luò)的掃描時間，從而帶來較大的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時間，影響應(yīng)用業(yè)務(wù)的實現(xiàn)，因而需要在節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)掃描時間兩個參數(shù)間進行平衡以獲得最優(yōu)的性能。

首先對理想狀態(tài)下常見拓撲結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行容量和延遲分析：

（一）線狀網(wǎng)絡(luò)

最簡單的線狀覆蓋區(qū)域，節(jié)點分布成一條直線或曲線，兩兩相鄰節(jié)點直接進行通信。例如：除了中心節(jié)點外，假設(shè)有N個節(jié)點，且中心節(jié)點位于線的一端，則可以計算網(wǎng)絡(luò)的掃描時間T（單位：ms）的公式為：

T=15×（1+2+3+……+N）（1）

若中心節(jié)點位于線中一點，并設(shè)中心節(jié)點一側(cè)有M（0≤M≤N）個節(jié)點，另一側(cè)有N-M個節(jié)點，則可以計算T為：

顯然，當M=N/2（不妨令N為偶，中心節(jié)點位于正中位置）時T取最小值，當M=0或N（中心節(jié)點位于兩端）時T取最大值。從中易見，在線形結(jié)構(gòu)中，對應(yīng)一定的節(jié)點數(shù)量，中心節(jié)點位置盡可能取在中間位置能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)的掃描時間；同樣，對應(yīng)一定的延時要求，能提高網(wǎng)絡(luò)容量，擴大覆蓋面積。

（二）網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)

常見的網(wǎng)型結(jié)構(gòu)由于自組織網(wǎng)絡(luò)的多路徑，網(wǎng)絡(luò)的掃描時間計算相對線性網(wǎng)絡(luò)較復(fù)雜。這里以方形區(qū)域為例，節(jié)點布設(shè)以方形網(wǎng)格代替蜂窩狀網(wǎng)絡(luò)做簡單分析。按照線性結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中得出結(jié)論，易見網(wǎng)型中中心節(jié)點位于覆蓋區(qū)域中心同樣有掃描時間較少等優(yōu)點，假設(shè)中心節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域重心位置，能和中心節(jié)點相鄰經(jīng)過1跳通信的節(jié)點數(shù)有8個，經(jīng)過2跳通信的節(jié)點數(shù)有16個，示意圖如圖3所示。

理論上圖中25個節(jié)點可以覆蓋約1.4×105平方米的區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)的一次掃描時間T約為0.6 s。

（三）立體網(wǎng)絡(luò)

在實際現(xiàn)場應(yīng)用中，網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域是復(fù)雜的，在現(xiàn)代化建筑中節(jié)點布設(shè)也是立體的，一個Zig-bee網(wǎng)絡(luò)通常需要綜合采用幾種拓撲結(jié)構(gòu)，需要將不同結(jié)構(gòu)的各個子網(wǎng)連成一個大網(wǎng)，這樣網(wǎng)絡(luò)的掃描時間就等于中心節(jié)點到各個子網(wǎng)掃描時間之和，為了減少系統(tǒng)掃描時間，中心節(jié)點應(yīng)盡量選擇在幾個子網(wǎng)的中間位置。

圖3　ZigBee網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點跳數(shù)示意圖

對于本院的住院患者，正?；顒訁^(qū)域一般在住院部和醫(yī)技檢查區(qū)域。醫(yī)院的內(nèi)科和外科住院部分別位于南樓和北樓的六至十九層標準層，每個標準層的建筑結(jié)構(gòu)相同，建筑面積為1 576.9 m2（約22.3 m×72.2 m的矩形），門診急診位于A區(qū)一至四層裙樓，每層建筑結(jié)構(gòu)相似，近似為91.2 m×150 m的矩形，俯視簡圖如圖4所示。

圖4　醫(yī)院俯視簡圖

首先從節(jié)省成本，減少節(jié)點數(shù)量出發(fā)，以單節(jié)點覆蓋75米計算，單個標準病區(qū)（約22.3 m×72.2 m）在區(qū)域中心位置設(shè)置一個節(jié)點即可，每個標準層設(shè)置一個節(jié)點，形成了兩條14個節(jié)點的線型網(wǎng)絡(luò)；門急診區(qū)域單層（約91.2 m×150 m）至少設(shè)置兩個節(jié)點即可，這樣四層的門急診區(qū)域形成一個2×4的網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示。

由上圖可見，在不考慮節(jié)點冗余和節(jié)點功率受建筑阻礙衰減的理想情況下，以上節(jié)點分布設(shè)計可以滿足院內(nèi)患者正?；顒訁^(qū)域內(nèi)全部覆蓋的需要。根據(jù)前文對中心節(jié)點設(shè)置位置的分析，結(jié)合實際分布，可以在南北樓中間的四樓設(shè)置監(jiān)護中心，安裝Zigbee中心節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、監(jiān)護管理中心工作站等。中心節(jié)點可以通過增加RF發(fā)射功率的方法，調(diào)整通訊距離，保障和3個子網(wǎng)（南樓、北樓和門急診樓）的通訊。系統(tǒng)共需節(jié)點數(shù)1+8+ 14+14=37個，網(wǎng)絡(luò)掃描時間T=T1+T2+T3，其中T1/T2為南北樓線型子網(wǎng)絡(luò)到中心節(jié)點掃描時間，T3為門急診網(wǎng)型子網(wǎng)絡(luò)到中心節(jié)點掃描時間：T1=15×（1+2+3+……+14）=1 575 ms，T3=15×（1+2+3+4）×2=300 ms。

計算出T=3 450 ms，對于醫(yī)用監(jiān)護設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)而言，3～4 s的延遲顯然是滿足需要的。

圖5　醫(yī)院Zigbee節(jié)點分布示意圖

在考慮實際冗余和衰減的情況下，按照節(jié)點保障通訊距離約30 m設(shè)計，這樣即便有節(jié)點失效，相鄰節(jié)點可以替代完成路由功能。重新對圖5進行設(shè)計：南北樓標準層每層設(shè)置2個節(jié)點，形成兩個網(wǎng)型子網(wǎng)絡(luò)；門急診每層設(shè)置2×4個節(jié)點，形成一個立體網(wǎng)型子網(wǎng)絡(luò)，如圖6所示。系統(tǒng)共需節(jié)點數(shù)1+32+28+28=89個，網(wǎng)絡(luò)掃描時間T=T1+ T2+T3，其中T1/T2為南北樓線型子網(wǎng)絡(luò)到中心節(jié)點掃描時間，T3為門急診網(wǎng)型子網(wǎng)絡(luò)到中心節(jié)點掃描時間：

圖6　醫(yī)院Zigbee節(jié)點分布示意圖二

T1=15×（1+2+3+……+14）×2=3 150 ms，而T3計算較為復(fù)雜，可以假設(shè)上下相鄰層的節(jié)點一一對應(yīng)通訊，節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)如圖7所示。

圖7　醫(yī)院門急診區(qū)Zigbee節(jié)點跳數(shù)示意圖

參照上文對平面網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點跳數(shù)計算方法，根據(jù)上圖立體網(wǎng)型結(jié)構(gòu)可以計算門急診區(qū)32個節(jié)點掃描一遍的時間T3為：

T3=15×（1×3+2×8+3×8+4×8+5×5）=1 500 ms，得T=7 800 ms，對于醫(yī)用監(jiān)護設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)而言，10 s內(nèi)的延遲可以滿足一般的測試需要。

由此可見，在醫(yī)院內(nèi)完全可以建立起一個覆蓋全院醫(yī)療區(qū)域的，滿足醫(yī)用監(jiān)護終端延遲需求的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，按單個節(jié)點建設(shè)費用在千元左右計算全部節(jié)點建設(shè)的工程投入不過是萬元級的。而且當覆蓋范圍增加時，只需增加ZigBee節(jié)點就可以對網(wǎng)絡(luò)進行擴展，在監(jiān)護中心的管理工作站進行相應(yīng)的配置就可以完成系統(tǒng)的擴容。

在醫(yī)院內(nèi)部，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，患者身上裝置的監(jiān)護設(shè)備的無線模塊接受監(jiān)護中心發(fā)送的控制信號，并將監(jiān)護數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)護中心。各病區(qū)監(jiān)護站與監(jiān)護中心通過醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)進行通訊，監(jiān)護數(shù)據(jù)在監(jiān)護系統(tǒng)專用服務(wù)器上調(diào)度和存儲，保證數(shù)據(jù)資料信息的穩(wěn)定傳輸和可靠保存，也方便了醫(yī)院監(jiān)護中心對各病區(qū)監(jiān)護站的集中管理，有效的利用了醫(yī)院的人力資源和醫(yī)療設(shè)備資源。

3.3遠程監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.3.1院內(nèi)監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

具體到本系統(tǒng)建設(shè)而言，在患者裝置的監(jiān)護設(shè)備需要提供ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊，同時，醫(yī)院監(jiān)護中心需要建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并通過RS232/485或USB等其它線纜連接監(jiān)護中心電腦主機。監(jiān)護中心和各病區(qū)監(jiān)護站的電腦均連接醫(yī)院內(nèi)部快速以太網(wǎng)，并在中心機房建立監(jiān)護系統(tǒng)服務(wù)器。如圖8所示。

圖8　醫(yī)院內(nèi)部監(jiān)護系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

3.3.2合作醫(yī)療機構(gòu)監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在與我院建立協(xié)作關(guān)系的地方醫(yī)院和小區(qū)醫(yī)療所，需要在其單位范圍內(nèi)覆蓋ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在其監(jiān)護站建設(shè)一臺同時連接其內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的工作站主機，并根據(jù)數(shù)據(jù)量選擇本地存儲設(shè)備。這樣在其醫(yī)療機構(gòu)內(nèi)形成了完整的無線監(jiān)護系統(tǒng)，可以脫離Internet網(wǎng)絡(luò)而運行。需要的情況下，向安醫(yī)大二附院監(jiān)護中心發(fā)起遠程監(jiān)護請求，同時，二附院監(jiān)護中心工作站主機通過配置雙網(wǎng)卡或其他方式接入Internet網(wǎng)絡(luò)。通過Internet網(wǎng)絡(luò)，被監(jiān)護患者的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到安醫(yī)大二附院監(jiān)護中心，檢測數(shù)據(jù)也能通過二附院內(nèi)網(wǎng)傳輸?shù)侥康牟^(qū)監(jiān)護站并存儲在監(jiān)護系統(tǒng)服務(wù)器上，如圖9所示。

3.3.3家庭患者監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

對在家庭接受監(jiān)護的患者，監(jiān)護設(shè)備通過GSM/GPRS傳輸模塊經(jīng)電信蜂窩網(wǎng)絡(luò)與二附院監(jiān)護中心工作站GSM/GPRS模塊傳輸檢測數(shù)據(jù)及控制信號，由醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)傳輸和存儲，如圖10所示。

圖9　小區(qū)醫(yī)療所/地方醫(yī)院監(jiān)護系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖10　家庭患者監(jiān)護系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

綜合以上針對三種監(jiān)護對象的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計，如圖11所示。就硬件建設(shè)而言：醫(yī)院監(jiān)護中心工作站的通訊模塊必須包括：GSM/GPRS射頻模塊、雙網(wǎng)卡（分別連接醫(yī)院內(nèi)部以太網(wǎng)和Internet網(wǎng)）、RS232/485串口或USB等模塊（用于連接ZigBee節(jié)點），同時在監(jiān)護中心設(shè)置一個ZigBee節(jié)點；院內(nèi)各病區(qū)監(jiān)護站的通訊模塊必須包括：網(wǎng)卡（連接醫(yī)院內(nèi)部以太網(wǎng)）；小區(qū)醫(yī)療所和地方醫(yī)院工作站的通訊模塊必須包括：網(wǎng)卡（連接Internet網(wǎng)）、RS232/485串口或USB等模塊（用于連接ZigBee節(jié)點），同時在工作站處設(shè)置一個ZigBee節(jié)點；監(jiān)護儀器的通訊模塊必須包括：GSM/GPRS射頻模塊和ZigBee模塊。此外，需要在醫(yī)療機構(gòu)覆蓋ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在二附院架設(shè)監(jiān)護系統(tǒng)服務(wù)器。二附院內(nèi)外網(wǎng)已經(jīng)投入正常運行，因此需要增加建設(shè)的主要是ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋，而ZigBee網(wǎng)絡(luò)是低成本且易于擴展的，因此遠程監(jiān)護工程建設(shè)項目不會給醫(yī)院帶來過高的成本投入（組網(wǎng)實拍圖見圖12）。

圖11　監(jiān)護系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖12　醫(yī)院組網(wǎng)實拍圖

4　結(jié)論

通過對國內(nèi)外遠程醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備和系統(tǒng)方案進行分析和研究，在需求調(diào)研的基礎(chǔ)上，從節(jié)省工程成本、充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、易于建設(shè)的角度出發(fā)，設(shè)計了針對院內(nèi)患者、合作醫(yī)療機構(gòu)患者和家庭患者的遠程監(jiān)控系統(tǒng)方案。

通過對常見無線通訊標準的對比，選擇了ZigBee這種低成本低功耗的、易于維護擴展的、同時又能滿足醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸需要的無線通訊標準；經(jīng)過對IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議的研究，規(guī)劃出可行的節(jié)點分布，并分析了系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)掃描時間，從理論上證實了無線覆蓋方案具有可行性。與傳統(tǒng)的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)相比，本設(shè)計引入了ZigBee無線標準，提出了在院內(nèi)覆蓋ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和院內(nèi)LAN相結(jié)合的組網(wǎng)方式，并根據(jù)使用環(huán)境的不同，分別基于Internet和GSM/GPRS設(shè)計了對合作醫(yī)療機構(gòu)患者和家庭患者的通信方案，構(gòu)成了一個覆蓋較完整的遠程監(jiān)護通信系統(tǒng)。

在本設(shè)計的基礎(chǔ)上，還可以考慮增加患者追蹤定位系統(tǒng)，通過患者佩戴的監(jiān)護設(shè)備，監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)將患者的定位信息發(fā)送到監(jiān)護中心。此外，目前醫(yī)療設(shè)備中Bluetooth和WiFi無線技術(shù)的應(yīng)用相對更為普遍，在存在多種無線信號的環(huán)境下，Zig-Bee與Bluetooth和WiFi的共存分析也是下一步值得探討的課題。

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Design and research of wireless and long-distance monitoring system based on Zigbee network

LU Yu-wei

（Medical Engineering Dept，The Second Hospital of Anhui Medical University，Hefei Anhui 230601，China）

This paper introduces a kind of wireless and long-distance monitoring system which is based on the ZigBee network.In case a feasible plan of the node distribution，the article analyzes the system capacity and network scanning time，proves the feasibility of the wireless coverage design theoretically.Then，the paper initiates a network combination of ZigBee and LAN. Moreover，the communication solution for cooperative medical institutions and families were designed based on Internet and GSM/GPRS respectively.The design of the system possess advantages of low power consumption，low cost，wide coverage，high reliability，etc.

telemedicine；wireless communication；monitoring system；ZigBee

TN923

A

1004-4329（2016）02-084-08

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）02-084-08

2016-02-20

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重點項目（KJ2016A562）資助。

鹿煜煒（1984－），男，博士生，工程師，研究方向：智能信息處理。