劉黎明

摘 要：無線可穿戴網絡作為醫(yī)療物聯網系統(tǒng)的一個分支，由感知層、網絡傳輸層、應用層組成。感知層中可穿戴傳感器接收與傳輸來自人體的不同生理參數信號，其中包括睡眠狀況、血壓、心率、體溫等。通過基于ZigBee無線網絡將信息傳輸至應用層，以實現全時段全方位全流程無死角實時的生命體征顯示、診斷、預測、報警。創(chuàng)建智慧監(jiān)所，第一時間防范在押人員突發(fā)心血管疾病與猝死。

關鍵詞：可穿戴設備; 醫(yī)療物聯網; ZigBee;無線傳感器網絡;智慧監(jiān)所;RFID

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-00-03

0 引 言

據公安部相關統(tǒng)計顯示，在未實行監(jiān)所醫(yī)療社會化的2013至2015年，全國看守所在押人員因病死亡總數呈逐年上升的趨勢。死亡總數中的50%屬患有各種基礎疾?。ㄈ缧哪X血管疾病）加重后導致死亡。同時，對猝死人員在黃金時間的救治32.8%多為無專業(yè)知識的值班民警和同監(jiān)室在押人員實施，導致延誤最佳搶救時間。另外，有文獻報道[1]，

針對無刑事行為能力的在押精神病人，使用抗精神病藥物與猝死發(fā)生率呈顯著劑量相關性，并且引起靜脈血栓和肺栓塞的危險性更高，心血管與代謝性疾病的發(fā)生比普通人提早10～15年。如何確保在押人員的身體健康、徹底杜絕在押人員死亡事件的發(fā)生，是一項艱巨復雜的系統(tǒng)性工作[2]。人們由此研發(fā)了心電監(jiān)測無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）系統(tǒng)，在傳感器感應區(qū)域內，實現全時段、全方位、穿戴方便、實時連續(xù)地對心電、血壓等生命體征的監(jiān)護[3]。

在醫(yī)療物聯網（Medical Internet of Things，MIoT）領域，可穿戴傳感器的擺放位置己經覆蓋了身體的各個部位，且穿戴方便簡單[4-5]，便于收集人體血壓、血氧、體溫、心率、心電圖、呼吸等臨床觀察的各種體征信息，具有低負荷、可移動操作、使用簡便、支持無線數據傳輸等特點[6-7]。顯然，隨著各類傳感器技術、微型機電技術與現代網絡和無線通信等技術的提升與融合[8]，可穿戴技術對疾病診療起著關鍵作用。

1 組網及系統(tǒng)構成

MIoT也稱傳感網，它把實時監(jiān)測、感知及采集的信息進行集成，通過嵌入式系統(tǒng)處理信息，通過無線網絡實現對客觀物理世界的動態(tài)感知[9]，同時完成對信息的傳輸、控制處理、存儲顯示等操作，實現與醫(yī)學專業(yè)技術深度融合的智能化服務。MIoT也包含物聯網技術的各個層次，總體上也遵循物聯網應用的通用架構，即感知層、網絡層和應用層三層次架構[10]，心電監(jiān)護醫(yī)療物聯網系統(tǒng)框架如圖1所示。

（1）感知層：主要包括RFID標簽與讀寫器、可穿戴式生理信號接收傳感器設備以及無線傳感器網絡 （Wireless Sensor Networks，WSN）。可穿戴設備將心電電極與服裝融為一體[11]，使用者只需穿上一件具有心電信號接收、處理與發(fā)射功能的可穿戴背心或T恤即可完成心電信號的實時連續(xù)采集。2017年7月聯想TechWorld大會上發(fā)布了一款名為SmartVest的智能心電衣，該成品也是全球首款12導聯（目前大部分醫(yī)院使用的心電圖都為12導聯）的醫(yī)療可穿戴設備，可360°掃描心臟，實時監(jiān)測用戶12導聯的心電圖，提供心率數據，可連續(xù)使用2周時間[12]。WSN采用短距離無線網絡ZigBee技術，具有低功耗、低成本、低速率、短延時、短距離、高容量、高可靠、高安全等特點，其協(xié)議棧從ZigBee2004升至ZigBee2007[13]，能隨機分配地址，支持網狀/樹狀拓撲結構、自動跳頻、可選數據分割，同時支持多對一路由、多密鑰、多節(jié)點與大網絡。根據實際場地無線網絡布設數據采集節(jié)點、匯聚節(jié)點及路由與網關，由于節(jié)點體積較小，固定方便，對場地無特殊要求，只需電源即可組網。具有自組織性，分布式的控制，無線多跳，實現“自組織，自愈合”。采用動態(tài)變化的網絡拓撲結構，網絡中的部分或全部節(jié)點可以移動，拓撲結構也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化，每個節(jié)點都可充當路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復連接、數據簡單處理等功能[9，14]。

（2）網絡層：實現數據傳輸、轉發(fā)、處理功能，包含數據傳輸與互聯網結合的融合網絡、網絡管理中心、信息中心、智能處理中心。同時，基于現有的局域網和互聯網，其關鍵技術包括通信技術（4G/5G、有線寬帶、WiFi技術）和終端技術（傳感器網絡與通信網相連的網關設備），可隨時隨地為用戶提供服務。另外，通過有線與無線技術相結合，運用多種網絡技術協(xié)同，為用戶智能選擇接入網絡的模式。

（3）應用層：應用層是物聯網的終端層，是網絡與用戶的接口及充分實現所需領域智能化的平臺，結合醫(yī)療領域的需求，解決監(jiān)護對象的信息數據處理與人機界面問題，以實現監(jiān)護的智能化與信息化。采用智能手機、電腦、移動互聯網設備等多樣化的智能終端，使用戶可隨時隨地監(jiān)測被監(jiān)護對象的各種信息并及時做出處理。實現實時心電圖顯示、心電圖分析診斷、狀態(tài)預警及提醒、用戶管理和心電圖無線遠程診斷交互功能[15]。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作基本流程：通過穿在人體身上帶有心電信號采集、無線信號發(fā)送的傳感器服裝（T恤）發(fā)出的無線心電信號，經采集節(jié)點將接收到的（周期性）數據轉發(fā)至無線路由或匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點負責將整個傳感器網絡采集來的原始數據幀通過網關上傳至數據接收電腦或直接傳至數據處理中心，利用相應的函數對數據幀進行格式轉換，提取所需數據，完成無線傳感器網絡與有線網絡的協(xié)議轉換，再進行數據整合處理，并實時顯示至各終端設備。醫(yī)師與其他相關人員都可通過醫(yī)護顯示客戶端或平板電腦及PDA現場實時調取心電圖像用于查閱與診斷，還可通過交換機將圖像、文本信息經過互聯網傳至遠程會診中心實現遠程會診。心電監(jiān)測醫(yī)療物聯網數據流程如圖2所示。

3 網絡關鍵技術

3.1 傳感器網絡實際布局

基于ZigBee的網絡架構由簇狀拓撲結構構成，并由數據接收節(jié)點、匯聚節(jié)點、IP網關及無線路由器組成。由于節(jié)點體積較小，固定方便，對場地無特殊要求，故只需電源即可組網。在分控、總控室通過電視墻即可觀察每個人的心電波形圖，醫(yī)護人員也可通過電腦終端、手持終端進行實時監(jiān)控。監(jiān)房無線網絡布局如圖3所示。

3.2 可穿戴服裝（背心）傳感器的結構模塊與功能

可穿戴服裝集采集傳感器、信號處理與發(fā)送電路、電源為一體，硬件電路具備高集成度、體積小、不易損壞、抗干擾、續(xù)航時間長、無線信號強、更換方便等特點，具有心電信號采集、放大、濾波、A/D轉換、緩存及發(fā)射功能[16]。處理過的信號首先由智能服裝的內置天線發(fā)射，再經無線傳感器網絡接收節(jié)點、匯聚節(jié)點接收與處理，最后轉發(fā)至數據處理中心進行數據整合與圖像再現。智能服裝需滿足貼身、長期穿著舒適、不受日?；顒佑绊?，洗滌時信號發(fā)射無干擾等要求[17]，其傳感器編織在服裝纖維中具有一定的柔軟度，且不同于傳統(tǒng)的Ag/AgCl膠狀（濕性）電極，采用干性織物電極，對皮膚無損傷[18]?？纱┐鞣b的功能結構模塊如圖4所示。

4 結 語

早在2014年6月召開的全國可穿戴計算學術會議上已有學者報導了可穿戴設備用于監(jiān)所安全警戒系統(tǒng)[19]。興化市看守所與公安部第一研究所聯合研制的“公安監(jiān)管勤務指揮系統(tǒng)”及可穿戴設備已用于監(jiān)所安全管理[20]。江西省強制隔離戒毒所[21]運用RFID的可穿戴腕帶標簽無線網絡技術在監(jiān)管場所的應用，實現了對被強戒人員實時電子地圖方位監(jiān)控、查找定位與活動軌跡記錄、自動點名、非法聚集與禁區(qū)入侵及非授權離位與脫離監(jiān)管報警、緊急救援呼叫、電子錢包等管理。由此可見，伴隨著智慧城市、智慧公安[22]的建設，智能化智慧監(jiān)所的時代已經來臨。

參 考 文 獻

[1]蔡洪斌，張開武.精神分裂癥共患心血管疾病的研究進展[J].臨床精神醫(yī)學雜志，2012，22（4）：281-282.

[2]高一飛，張紹松.中國看守所的醫(yī)療社會化改革[J].云南大學學報（法學版），2014（6）：85-95.

[3]劉勇.無線傳感器網絡技術在遠程心電采集中的應用研究[D]. 重慶：重慶大學，2010.

[4]繆潔，徐文龍，徐冰俏.一種可穿戴式心電采集系統(tǒng)的設計[J].中國計量學院學報，2015，26（3）： 305-310.

[5]崔宏恩，姚紹衛(wèi).可穿戴醫(yī)療設備關鍵技術及其質量控制初探[J].中國醫(yī)療器械雜志，2015，39（2）：113-117.

[6]張偉，王革輝.可穿戴設備中的心率檢測技術[J].上海紡織科技，2017，45（1）：12-15.

[7]李建設，張友能.新型ZigBee無線傳感器網絡的心電監(jiān)護系統(tǒng)的研究與設計[J].長春大學學報，2015，25（3）：24-29.

[8]顏延，鄒浩，周林，等.可穿戴技術的發(fā)展[J].中國生物醫(yī)學工程學報，2015，34（6）：644-653.

[9]張琦，穆遠威.醫(yī)療物聯網文獻綜述[J].物聯網技術，2017，7（12）：77-79.

[10]陸靚亮，陳敏亞.基于物聯網技術的心電監(jiān)護系統(tǒng)的實現[J].中國醫(yī)療器械雜志，2015，39（6）：418-420.

[11] LIM C Y，JANG K J，KIM H W，et al.A wearable healthcare system for cardiac signal monitoring using conductive textile electrodes [C]// 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2013（7）：3-7.

[12]可穿戴設備網.可穿戴設備[EB/OL]. [2017-07-23].http：//wearable.ofweek.com/2017-07/ART-8110-5000-30157782.html.

[13]鄭凱.基于ZigBee無線傳感器技術的心電監(jiān)護網絡的研究[D].長春：吉林大學，2008.

[14]葛廣英，葛菁，趙云龍.ZigBee原理、實踐及綜合應用[M].北京：清華大學出版社，2015.

[15]荀錦錦，張奎，王建南.基于物聯網的智能醫(yī)療的應用研究[J].物聯網技術，2017，7（11）：51-52.

[16] YOO J，YAN L，LEE S，et al.A wearable ecg acquisition system with compact planar-fashionable circuit board-based shirt Information Technology in Biomedicine [C]// IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine：A Publication of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society，2009，13（6）：897-902.

[17]翟紅藝，王春民，張晶，等.基于織物電極的心電監(jiān)測系統(tǒng)[J].吉林大學學報（信息科學版），2012，30（2）：185-191.

[18]宋晉忠，嚴洪，宮國強，等.用于心電信號采集的織物電極技術研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（10）：4-7.

[19]孫健，譚林，李勝廣，等.基于可穿戴設備的監(jiān)所安全警戒系統(tǒng)設計[C]// 2014全國可穿戴計算學術會議，2014.

[20]孫建國，王承天.公安監(jiān)管勤務指揮系統(tǒng)在江蘇省興化市看守所的應用[J].警察技術，2016（1）：90-93.

[21]萬愛華.物聯網技術及其在監(jiān)管場所中的應用[D]. 南昌：南昌大學，2014.

[22]王漢清，李莉，趙士偉，等.物聯網構筑安全智慧監(jiān)所[J].警察技術，2018（1）：22-25.