北大版-付蔚编著-家居物联网技术开发与实践ch08

8.1智能医疗体系概述8.2智能医疗的典型设备8.3智能医疗的应用测试8.1智能医疗体系概述智能医疗是通过打造健康档案区域医疗信息平台，利用最先进的物联网技术，实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，逐步达到信息化。在不久的将来医疗行业将融入更多人工智慧、传感技术等高科技，使医疗服务走向真正意义的智能化，推动医疗事业的繁荣发展。在中国新医改的大背景下，智能医疗正在走进寻常百姓的生活。智能家居的医疗监测系统，如左图所示。利用ZigBee短距离无线通信技术，实现人体生理参数(心电、血压、血氧饱和度)的连续、实时、动态检测，在检测人体生理参数的同时不影响用户的正常生活，并且提高检测准确性。 智能家居的医疗监测系统佩戴在用户身体上的传感器节点(RFD)检测到生理数据，对生理数据进行初步处理，然后利用短距离无线通信技术传输到网络协调器(COORD)，网络协调器将接收到的生理数据通过接口传输到家用PC的智能化综合健康管理软件汇总、存储、分析。智能化综合健康管理软件将分析结果通过GPRS数字移动通信技术实时地传给用户家人手机或远端医疗中心，为用户提供独立、健康、安全、方便、持续的人性化健康保健服务，缓解医院压力，促进低成本医疗发展.8.2智能医疗的典型设备8.2.1跌倒监测仪目前，国内外针对检测判断老人跌倒的技术主要有：基于视频监控的跌倒检测系统，基于声学和振动的跌倒检测系统，基于穿戴式传感器的跌倒检测系统。早期的基于视频监控的跌倒检测系统，其工作原理是通过在家里不同的区域安装一个或几个视频摄像头，不间断地捕捉人体运动的画面，然后经过特别设计的图像处理算法，不断地分析捕捉到的人体运动画面，从图像分析的结果中确定是否存在具有跌倒特征的一些图像特征，从而判断人体是否发生跌倒。虽然基于视频监控的方式在一定程度上取得了较好的成果，但是基于视频的处理算法复杂，设备安装不方便，价格昂贵，甚至还有泄露家人隐私的威胁。基于声学与振动的跌倒检测系统主要通过分析跌倒时的音频频率和振动频率来检测判断被监护人是否发生了跌倒。虽然有个别的研究取得了一定的成果，但是，这种监测方法因为较多不可预料的客观因素的影响无法得到较好的检测精度和检测效果。例如，地板材质的选择就是一个非常棘手和难以克服的问题，因为不同材质的地板在跌倒时产生的声响频率和振动频率都是不一样的，同时因为它们材质的不同，声响频率和振动频率都是无法统一的，因而这种检测方式一般只能作为其他检测方法的辅助检测方法。基于穿戴式传感器的跌倒检测系统是指嵌入了微型传感器的可穿戴的跌倒检测设备，例如，嵌入了加速度传感器、角度传感器等的帽子、衣服、鞋、腰带、首饰等，这种检测系统可以实时监测人体活动时的加速度或者角速度等运动参数的变化以及人体姿态的变化。当检测到人体的运动参数有改变时，通过一定的检测算法可以判断人体是否发生了跌倒。近年来，随着传感技术、微电子和微机械系统的飞速发展与成熟，随着低成本、低功耗的微集成电路技术的成熟，基于穿戴式传感器的跌倒检测系统得到了飞速的发展。基于MEMS三维加速度传感的穿戴式跌倒检测报警系统成为目前国内外研究跌倒监测的热点和主要趋势。目前，基于穿戴式传感器的跌倒检测系统常用的检测方法主要有模式识别的方法和基于加速度阈值判断的方法，但是模式识别的方法算法复杂，设备要求高，因此本系统最终选择了阈值判断的方法。同时为了降低“漏报”和“误报”的几率，本系统设计的跌倒检测设备还采用了通过身体姿态变化和输入按钮等相结合的方式来进行辅助判断。我们设计的跌倒检测报警远程监护系统主要由三大部分组成：本地跌倒监护报警终端(跌倒检测仪)、远程监护终端和两者间的通信网络。本地跌倒监护报警终端：主要负责对人体加速度和姿态变化进行实时的监测，当检测到佩戴者发生跌倒后，自动进行本地声光预警，在自动声光预警结束后自动地发送远程报警信息。并且跌倒检测仪还具有危急情况主动求救功能。通信网络：这里选用了GPRS和IEEE802.15.4e两种通信网络组成。GPRS网络主要负责将报警信息以短信或电话的方式通知家人和医院；IEEE802.15.4e网络负责将跌倒报警信息发送至智能家居远程服务器上，并通过远程服务器将报警信息发送至智能家居远程监控网页上和远程监护终端如手机或者PDA上。远程监护终端：由手机和远程监控主机、PDA等组成。手机用于及时接收短信或者来自智能家居服务器的报警信息；远程监控主机和PDA用于接收来自智能家居服务器转发的跌倒报警信息，并实时地在监控主页上进行报警提示和报警信息的存储，以便在老人跌倒后进行及时救助。远程跌倒监护系统的拓扑图如左图所示。远程跌倒监护系统体拓扑8.2.2体征监测仪心电、体温和脉搏等生理参数是人体最重要、最基本的生命指征。对这些参数的监测有助于医务工作者在野外、家庭急救及监护中对有生命危险的伤病员进行及时有效的救治，因此在生活中具有广泛的需求。现有的监测仪器多数体积较大，智能化程度不高，难以应用在野外及家庭等急救场合。本设计应用最新的物联网技术，设计出一种智能化、便携式、低功耗的三参数监测仪。该检测仪可以实时的、连续的、长时间地监测病人的心电、体温和脉搏等生理参数，并可通过室内终端或远程监测终端远程查看病人的生理参数，方便监护人实时了解病人的身体健康情况，非常适合于家庭中老年人的健康监测。物联网的英文名称为“theinternetofthings”，简称IOT。物联网通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类的网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。开发家庭智能医疗监测系统，符合当今社会关注健康的主题，同时为家人的健康购买了一份价格低廉但非常实用的保险，特别是家庭老人的健康，可以让我们时刻知道家人特别是家庭老人和家庭病人的身体情况，符合当今社会的需求。我国是一个心脑血管疾病高发的国家，每年心源性猝死的总人数高达54万人，目前医疗界认为在温度正常的环境中，一位猝死的患者只有在4分钟内得到及时的复苏，才有望生还，一位突发心脑血管疾病的患者在疾病初期能够得到及时救治，会大大提高治愈率，而我国在家庭急救方面和发达国家相比还有很大差距。国外发达国家因为有家庭直接与急救联系的网络，有效地提高了院外高危人员的生存率，从现有资料看，全世界每年死于心血管病的病人超过1500万，其中冠心病是死亡的主要原因，美国每年发生心脏性猝死的病人约35万人，大约70%心脏骤停发生在院外，在70至80年代美国复苏成功率为1.2%～1.8%，近年复苏成功率逐渐上升，个别地区院外心脏骤停复苏成功率达54%，我国心脏猝死的病人占死亡总人数的5%，总体复苏成功率只在1.2%～1.4%。北京1990年1月～1994年5月急救的猝死病例中，发病地点以家庭为主，为87.80%，复苏成功率仅为2.58%，此外，发达国家的心肺复苏普及率已达25%以上，而我国不及1%。面对这样残酷的现实，如果我国现有的急救方式没有有效地改进，急救理念得不到更新，那么在现实生活中这样的悲剧就可能还会发生在我们的身边目前，国内120急救中心采用的仍是120人工电话报警，120接到报警后再采用相应的急救措施。仔细分析，此种报警方式存在着弊端。如果患者疾病突发性快，活动能力受阻，如何快速地、准确定位地报警至120急救中心是现在亟待解决的重要问题，由于卫星地面站定位系统价格昂贵，不适合中国国情，因此中国老百姓需要的是一种高技术、低价位、性能可靠的家庭无线体征监测仪。本发明的目的是：通过将物联网技术应用到家庭无线智能医疗监控系统，设计出能够进行实时监控、实时诊断，具有人性化的家庭无线体征监测仪。本系统的设计工作主要包括：(1)设计基于物联网的家庭监控系统架构，把系统化分为3个部分：体域网、本地网关和远程监控中心。(2)根据无线传感器的接口，设计本地网关协议转换和数据转发，从体域网传来的生理数据通过本地网关的转发后发送到控制中心。(3)设计信息管理平台，通过将身体的脉搏、心率、体温等生理参数进行存储和管理。该系统包括：无线脉搏传感器、无线心电传感器、无线体温传感器、家庭多协议无线网关、家庭服务器、家庭控制显示终端、远程PC、3G手机。系统拓扑图如右图所示。家庭无线体征监测系统拓扑图无线脉搏监测仪：通过检测人的脉搏，实时的将数据进行采集和处理。无线心电监测仪：通过检测人的心电，得到人的心电图，从心电图中了解人的心率、血压等生理特征值。无线体温监测仪：通过检测人的体温，实时的将数据进行采集和处理。家庭多协议无线网关：支持接收多种无线协议的数据格式，通过对各种无线协议数据解析后，把人的生理数据封装成以太网数据格式发送给楼层交换机。楼层交换机：实现以太网数据的交换，与无线网关通过RJ45网线连接，同时通过RJ45网线连接室内监控终端和本地服务器，把以太网数据格式的人的生理参数信息发送给家庭服务器和室内监控终端进行数据解析、处理、存储。家庭服务器：通过高性能存储计算机，把人的生理信息数据高效、可靠地组织起来，为远程计算机访问提供智能的支撑平台。家庭控制显示终端：从楼层交换机接收所述的人的各种生理参数信息，并对所述的各种生理信息进行显示，如脉搏、心率、体温。远程PC：通过互联网或者WiFi访问家庭网页，监控家中的老人或病人的各种基本的生理参数信息，及时了解家中老人或病人的身体状况。3G手机：运行自主开发的android客户端程序，通过3G、LTE或者WiFi监控家中的老人或病人的生理信息。本设计实例的有益效果在于采用物联网的四层网络结构(感知识别层、网络构建层、管理服务层和综合应用层，自主开发多无线模块可跟换的家庭无线智能医疗监控系统，通过对家中老人或病人的各种基本生理参数信息的检测，实时了解家中老人或病人的身体状况，从而实现物联网的感知识别层功能。家庭无线智能医疗监控系统可通过多种无线协议(6LOWPAN、zigbee、蓝牙、WIPA、WIFI)将传感器监测到的家中老人或病人的各种基本生理参数信息发送给无线网关，无线网关用RJ45接口通过以太网把数据发送给楼层交换机，楼层交换机再把数据转发给本地服务器和家庭显示终端，同时通过本地服务器把各种生理参数信息传送到互联网，这样就可以通过网页访问或者3G手机访问的方式来了解家中老人或病人的身体状况，同时实现网络构建层的功能(网络构建层的主要作用是把感知识别层数据接入互联网)。在本系统中，楼层交换机把家中老人或病人的各种生理参数信息发送给本地服务器和家庭显示终端进行数据存储和处理来实现管理服务层(管理服务层将大规模数据高校，可靠地组织起来，为上层行业应用提供智能的支撑平台)。家庭显示终端和本地服务器在接收到传感器的生理参数信息后，通过解析处理存储，我们可以通过LCD液晶屏和远程网页实时了解家中老人或病人的身体状况，实现家庭医疗智能监控，及实现了物联网的综合应用层(互联网最初用来实现计算机之间通信，进而发展到以人为主体的用户，现在正朝物物互联的这一目标前进)。家庭无线智能医疗监控系统的工作环节主要分为3个环节：生理参数收集、远程监控、信息管理。生理参数收集主要包括生理参数采集和生理参数发送，远程监控主要包括生理参数输入检测、生理参数评估、警告反馈和远程监控，信息管理主要包括设备管理和生理参数管理。结构框图如左图所示。家庭无线体征监测系统结构框图生理参数采集：信息采集是自动采取，间隔采样；采集的信息主要是人的生理信息，如脉搏、心率、体温；信息采集的频率应该是可控的，可以在一定的范围内调整。生理参数发送：采集到的生理参数信息及时的发送给家庭网关，进而传送给服务器。生理参数输入检测：对生理参数的内容进行初步检测，如果生理参数值达到人体可能范围之外，说明这个参数值是错误的，不应该对数据进行入库。生理参数评估：系统提供相应的生理参数指标，结合生理参数指标对输入的生理参数信息进行评估，看是否符合正常的要求。警告反馈：如果测得的生理参数信息出现异常，系统会及时