【作 者】陸靚亮南京醫(yī)科大學(xué)附屬無(wú)錫人民醫(yī)院，無(wú)錫市，214023

0 引言

隨著醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備日益增長(zhǎng)的需求，傳統(tǒng)的床邊有線監(jiān)測(cè)設(shè)備已無(wú)法滿足醫(yī)院的要求，同時(shí)也限制了病人的可移動(dòng)性。近年來(lái)，隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，比如無(wú)線生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于可穿戴設(shè)備的定位系統(tǒng)等[1]。

用無(wú)線技術(shù)監(jiān)測(cè)生命體征信號(hào)主要涉及以下問(wèn)題：要監(jiān)測(cè)的信號(hào)類型、無(wú)線傳輸協(xié)議、信號(hào)傳輸、表現(xiàn)媒介以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩珔f(xié)議。本文要監(jiān)測(cè)的生命體征信號(hào)為血壓和心率。使用的無(wú)線傳輸協(xié)議是藍(lán)牙，其特點(diǎn)是功耗低、兼容性高、價(jià)格適中，并廣泛應(yīng)用于手持設(shè)備。信號(hào)的傳輸與表現(xiàn)媒介為PDA，目前PDA被廣泛應(yīng)用于醫(yī)院護(hù)理系統(tǒng)[2]。另一個(gè)重要問(wèn)題是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和醫(yī)療數(shù)據(jù)庫(kù)的隱私保護(hù)問(wèn)題，本文采用IDEA和RSA聯(lián)合安全協(xié)議，對(duì)藍(lán)牙傳輸?shù)纳w征信號(hào)進(jìn)行編碼和解碼。這種協(xié)議能使計(jì)算速度更快、安全性更高。

本研究的目的是提出一種基于藍(lán)牙和PDA技術(shù)的血壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)RFID識(shí)別患者信息。利用IDEA和RSA聯(lián)合安全算法將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至服務(wù)器。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在醫(yī)院，傳統(tǒng)的血壓計(jì)通常體積大，價(jià)格高，操作效率低。醫(yī)院也有一些尺寸更小，攜帶方便的血壓計(jì)，但是這些設(shè)備沒(méi)有數(shù)字輸出端口用于生命體征數(shù)據(jù)傳輸，因此測(cè)量數(shù)據(jù)仍然依賴于人工處理，如手寫輸入、鍵盤輸入等操作。這會(huì)降低護(hù)士對(duì)病人的護(hù)理效率，病人的隱私也得不到保護(hù)。圖1顯示了本系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)。從圖1可以看出，生命體征數(shù)據(jù)血壓和心率可以通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行無(wú)線傳輸。接著，通過(guò)PDA操作界面上的接收按鈕自動(dòng)接收數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)加密后通過(guò)WiFi無(wú)線傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。應(yīng)用服務(wù)器中的數(shù)據(jù)分析器可以對(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。最后血壓和心率數(shù)據(jù)通過(guò)護(hù)士工作站的電腦客戶端呈現(xiàn)出來(lái)，并利用客戶端應(yīng)用軟件對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

圖1 無(wú)線血壓計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of wireless blood pressure monitor

1.1 傳輸方式

藍(lán)牙是一種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)，其特點(diǎn)是功耗低，體積小，重量輕[3]。另外，它采用跳頻技術(shù)來(lái)提高通信的可靠性和安全性。在本文中，采集到的數(shù)據(jù)由嵌入在血壓計(jì)中的藍(lán)牙發(fā)射器傳送，并由通用PDA來(lái)接收數(shù)據(jù)。在PDA中所安裝的接收數(shù)據(jù)程序遵循血壓計(jì)的通訊協(xié)議。使用這種模式的優(yōu)點(diǎn)如下：通用PDA的價(jià)格比專用PDA的價(jià)格更低；與專用PDA相比，程序員可以有更高的自由度來(lái)設(shè)計(jì)相關(guān)的功能。

1.2 射頻識(shí)別RFID

為了提高效率，減少患者的ID或護(hù)士的工號(hào)錄入的錯(cuò)誤，本文采用PDA上的RFID閱讀器來(lái)讀取患者和護(hù)士身上的被動(dòng)式RFID標(biāo)簽的信息。在接收血壓和心率數(shù)據(jù)之前，護(hù)士使用在PDA上安裝的閱讀器讀取患者和護(hù)士自己身上的標(biāo)簽，而不是使用PDA的觸摸面板直接輸入數(shù)據(jù)。PDA上的患者ID由10位數(shù)字組成，護(hù)士工號(hào)由6位字母和數(shù)字組成，信息映射過(guò)程在數(shù)據(jù)庫(kù)中完成后，病人姓名和護(hù)士姓名將顯示在PDA上，以便核對(duì)標(biāo)簽信息的正確性。當(dāng)護(hù)士完成身份信息讀取后，他們可以開始接收血壓和心率信號(hào)。護(hù)士只需要按觸摸面板上的“接收數(shù)據(jù)”按鈕即可。如果接收到的數(shù)據(jù)正確顯示在屏幕上，那么護(hù)士可以點(diǎn)擊“保存”按鈕來(lái)離線保存數(shù)據(jù)，或者點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕，直接將加密的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器。在醫(yī)院的實(shí)際使用中，RFID標(biāo)簽遇到幾個(gè)問(wèn)題需要在下一步工作中繼續(xù)研究，主要如下：①RFID標(biāo)簽比較貴；②有些病人對(duì)佩戴的標(biāo)簽過(guò)敏；③標(biāo)簽內(nèi)的天線在使用了幾天后經(jīng)常被摔壞。為了克服這些缺點(diǎn)，在今后工作中將優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)，降低成本，提升患者滿意度，提高可靠性。

2 數(shù)據(jù)加密系統(tǒng)

本文提出了使用IDEA和RSA聯(lián)合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。該算法兼顧了PDA的計(jì)算能力與數(shù)據(jù)的安全性。在該設(shè)計(jì)方案中，護(hù)士在他們巡檢完所有病房后，從病人身上獲取到的生命體征數(shù)據(jù)傳輸至PDA。由于PDA的計(jì)算能力有限，本文使用IDEA算法對(duì)獲得的生命體征數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。但是，IDEA是一種對(duì)稱密鑰算法，即用戶必須在加密和解密過(guò)程中使用相同的密鑰[4]。因此，在本文中，為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性，IDEA的密鑰將由RSA算法進(jìn)行加密[5]。假設(shè)Patient_data作為包含患者ID、采集日期、血壓和心率數(shù)據(jù)，Key_idea表示IDEA算法的秘鑰。因此，通過(guò)IDEA加密算法Encrypt_idea( )獲得的加密數(shù)據(jù)Encrypt_data如下：

為了通過(guò)公共信道傳輸數(shù)據(jù)的安全性，IDEA的密鑰將通過(guò)公鑰算法進(jìn)行加密。 因此，本文考慮了RSA算法。 假設(shè)將Encrypt_ras( )和Key_rsa_pub分別定義為RSA加密算法和被授權(quán)者或護(hù)士使用的公鑰。 因此，可以獲得IEDA密鑰Key_idea的加密數(shù)據(jù)Encrypt_idea_key如下：

當(dāng)被授權(quán)者或護(hù)士從公共頻道收到加密的數(shù)據(jù)，他們可以通過(guò)以下程序恢復(fù)明文數(shù)據(jù)。為了恢復(fù)IDEA的秘鑰，本文使用RSA解密算法Decrypt_ras( )來(lái)解密Encrypt_idea_key，假設(shè)Key_rsa_prv為RSA算法的私鑰，該私鑰僅由管理員擁有。獲取Key_idea密鑰的公式如下：

另外，一旦密鑰Key_idea被恢復(fù)，就可以進(jìn)一步使用IDEA算法來(lái)解密Encrypt_data以獲取Patient_data。獲取Patient_data的公式如下：

3 結(jié)果與結(jié)論

為了與傳統(tǒng)護(hù)理機(jī)制進(jìn)行比較，我們采用兩種測(cè)量患者血壓的方法，對(duì)200個(gè)病人的血壓數(shù)據(jù)輸入速度和正確性進(jìn)行比較。第一種是使用手持的PDA，從藍(lán)牙血壓計(jì)無(wú)線接收數(shù)據(jù)。第二種方法是使用傳統(tǒng)血壓計(jì)手寫記錄。結(jié)果如表1所示。從表1可以看出：使用PDA輸入數(shù)據(jù)的效率明顯比傳統(tǒng)的手寫記錄要快。兩種方法測(cè)得數(shù)據(jù)的正確性差不多。傳輸?shù)絇DA的測(cè)量數(shù)據(jù)的正確性取決于操作血壓計(jì)，讀取標(biāo)簽，以及將數(shù)據(jù)傳送到PDA的準(zhǔn)確性。因此，正確性可能受到這些過(guò)程之一的影響。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，所有的錯(cuò)誤發(fā)生在血壓計(jì)操作期間。利用傳統(tǒng)方法記錄血壓的正確性主要是由于護(hù)士的筆誤造成的。

表1 不同測(cè)量血壓方法的效率比較Tab.1 Comparison of the eきciency of diあerent blood pressure measurement methods

本文有兩大亮點(diǎn)：一是PDA程序的實(shí)現(xiàn)，它可以從體積小、重量輕的嵌入式藍(lán)牙血壓計(jì)無(wú)線地接收生命體征數(shù)據(jù)；二是通過(guò)使用IDEA和RSA的聯(lián)合算法，可以確保患者個(gè)人信息的安全性和隱私性，以及通過(guò)公共信道發(fā)送生命體征數(shù)據(jù)的保密性。通過(guò)融合RFID和藍(lán)牙技術(shù)，本系統(tǒng)可以幫助護(hù)士避免一些人為的錯(cuò)誤。此外，該系統(tǒng)還可以提高護(hù)理患者的效率，以提升患者滿意度。本研究下一步工作主要側(cè)重于改良RFID電子標(biāo)簽，提高數(shù)據(jù)加密解密的效率。

[1] 楊燕紅, 劉長(zhǎng)興, 徐玲. 移動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用[J]. 醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 2016(7): 55-58.

[2] 李含婧, 賈克斌, 袁野. 移動(dòng)醫(yī)療護(hù)理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程, 2017(1): 55-61.

[3] 周瑋寧, 施榮, 沈連豐. 基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2004(1): 77-80.

[4] 王陽(yáng), 張松濤, 楊亞濤. 基于IDEA算法的手機(jī)短信加解密實(shí)現(xiàn)與測(cè)試[J]. 北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2015(2): 74-79.

[5] 翁云翔. 基于DES和RSA的混合加密算法研究與設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2016(17): 42-44, 47.