【導(dǎo)讀】CitéInternational,Lyon,FranceAugust23-26,2020.todevices.sensors.workdifficult.

　　

【正文】 提供完整的病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。其他功能的整體系統(tǒng)將提供心電圖（心電圖）和脈沖血氧測(cè)定法的數(shù)據(jù)，通過(guò)創(chuàng)新的方式，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)知識(shí)獲得優(yōu)先的項(xiàng)目。 一、 相關(guān)工作 使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療服務(wù)和無(wú)線病人監(jiān)測(cè)的觀念一直被別人探索著，但是將數(shù)據(jù)從其他裝置進(jìn)行整合通常不被討論。目前正在進(jìn)行的有關(guān)病人監(jiān)護(hù)儀的工作，例如使用無(wú)線傳感器如“ CodeBlue ”項(xiàng)目在哈佛大學(xué) [ 3 ] 開(kāi)展。其他人同樣也成功地使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的醫(yī)療傳感器 [ 4 ]和管理中的傳感器數(shù)據(jù) [ 5 ] 。它已被確定，這是可取的，通過(guò)無(wú)線方式使現(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備，提供生命體征數(shù)據(jù)，使用的技術(shù)，例如 ZigBee 的 [ 6 ] [ 7 ] 。本篇論文所描述的研究力圖滿足這些要求。使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)院進(jìn)行了廣泛的審查。此外，其他無(wú)線技術(shù)在相同頻段 ， 如 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) [ 8 ]， 已經(jīng)被在醫(yī)院一段使用時(shí)間 [ 9 ] 。 二、 需求分析 A 無(wú)線技術(shù) 無(wú)線應(yīng)用的既定標(biāo)準(zhǔn)，如藍(lán)牙 [ 10 ]和 IEEE ，允許高速傳輸速率，但是代價(jià)是犧牲能耗，應(yīng)用復(fù)雜性和成本。 ZigBee 提供低成本，低功率的設(shè)備，可以互相交流和外面的世界。 ZigBee 的自我形成和自我調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)讓數(shù)據(jù)和控制信息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)多個(gè)路徑。這是在特別有用的在醫(yī)院的墻壁干擾，和一般人的阻礙下，是一個(gè)重要問(wèn)題。 ZigBee 是基于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) [ 11 ]無(wú)線電的硬件和軟件規(guī)范。 B 調(diào)動(dòng) 實(shí)用 ZigBee 功能的設(shè)備，支持睡眠模式。離線節(jié)點(diǎn)可以連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的大約 30 毫秒。喚醒一個(gè)沉睡的節(jié)點(diǎn)約需 15 毫秒，因?yàn)?沒(méi)有進(jìn)入的渠道和傳輸數(shù)據(jù)。如果要求是收集數(shù)據(jù)，那么該設(shè)備可以放置在省電模式節(jié)省大量的能源和提高電池壽命。在睡眠模式的 ZigBee 芯片可以承擔(dān)少 [ 12 ] 。這一點(diǎn)尤其重要，在醫(yī)療環(huán)境中，病人往往是在輪椅上移動(dòng)的時(shí)候仍然被連接到醫(yī)療設(shè)備。 C 角共存 ZigBee 和 工作在免許可證的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療協(xié)會(huì)（ ISM ）的 頻率頻段 . 已經(jīng)廣泛使用在醫(yī)院，醫(yī)院將鼓勵(lì)通過(guò) ZigBee 解決方案促使在同一個(gè)環(huán)境中使用。但是必須注意，以避免干擾這些本論文所描述的兩個(gè)相 鄰的技術(shù)文件，題為“共存的 與其他系統(tǒng)工作在 頻帶” [ 13 ] 。通過(guò)選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)那溃谝粋€(gè)簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表現(xiàn)，這些問(wèn)題可以很容易地避免。 D 器件參數(shù) 可以在呼吸機(jī)進(jìn)行典型的讀數(shù)如吸氣潮氣量，呼氣潮氣量，氧氣濃度， 呼吸速率，峰值壓力，過(guò)期每分通氣量和平均氣道壓。醫(yī)務(wù)人員對(duì)于儀器上的通風(fēng)設(shè)備也感興趣。我們已選擇的最典型的設(shè)置是吸氣潮氣量，每分通氣量，氧氣濃度， I： E 比值，呼吸時(shí)間和吸氣流量。同樣，我們選擇了一些常見(jiàn)的參數(shù)，生命體征監(jiān)測(cè)器。這些都是呼吸速率，無(wú)創(chuàng)血壓，血氧飽和度和溫度。第三個(gè)器件參數(shù)，我們選擇的是傳感頻率泵。我們共同最感興趣的參數(shù)是這里的工作量，時(shí)間，接線端扭和閉塞壓力。進(jìn)一步參數(shù)可以很容易地在后來(lái)添加到系統(tǒng)中。 E 帶寬 我們分析了支持所有上述呼吸參數(shù)的 Maquet ServoI，發(fā)現(xiàn)已達(dá)到完善的目的。這種呼吸器工作在命令作反應(yīng)方式。當(dāng)初始配置發(fā)生改變， 7 字節(jié)長(zhǎng)的兩個(gè)命令，每個(gè)生產(chǎn) 2 答復(fù)每個(gè) 67 字節(jié)。因此，即使是在一個(gè)多跳網(wǎng)狀網(wǎng)，我們預(yù)期將能夠支持一些這類設(shè)備加上其他類型的設(shè)備工作在同一 頻段。 F 可測(cè)量性 通風(fēng)設(shè)備，擁有最多的裝置參數(shù)研究，需要最多帶寬。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行在CSI 的生命體征監(jiān)測(cè) [ 15 ]表明， 44 字節(jié)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生的所有我們感興趣的信息。 A Braun 輸液泵 [16]出口 24 字節(jié)的數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生 4 我們需要的參數(shù)。對(duì)任何我們正關(guān)心的醫(yī)療設(shè)備，典型的數(shù)據(jù)通常只需要一分鐘一次在醫(yī)院環(huán) 境。所有這些設(shè)備都自己建造的報(bào)警機(jī)制 。我們完全提供了一個(gè)輸出數(shù)據(jù)自動(dòng)的方法。理論上 1 個(gè)單一的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以有超越600 個(gè)通風(fēng)機(jī)當(dāng)每個(gè)設(shè)備只需要每分鐘不到 1KB 的帶寬時(shí)。我們捕捉的頻率數(shù)據(jù)被臨床工作人員本身所決定。 A1 分鐘的間隔是一個(gè)典型的價(jià)值，然而即使他們被需要的數(shù)據(jù)每隔幾秒鐘，很明顯網(wǎng)絡(luò)仍可以支持大量的設(shè)備。 三 、 系統(tǒng)架構(gòu) 整個(gè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)由一個(gè)無(wú)線個(gè)人網(wǎng)（ WPAN）和局域網(wǎng)組成。該WPAN 的實(shí)施作為一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)通信用局域網(wǎng)通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)還擔(dān)任 WPAN 的協(xié)調(diào)員，負(fù)責(zé)組建 網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)醫(yī)療設(shè)備有一個(gè)附加的ZigBee 節(jié)點(diǎn)（磁航向指示器），使數(shù)據(jù)傳送無(wú)線網(wǎng)關(guān)，然后到一個(gè)服務(wù)器上的現(xiàn)有局域網(wǎng)?？吹綀D 1 所示的圖形代表了這一點(diǎn)。當(dāng) MDI 供電時(shí)，它會(huì)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)和讓自己被服務(wù)器知道。用戶可以然后準(zhǔn)這個(gè)裝置與病人使用一個(gè) GUI 客戶端。一旦協(xié)會(huì)已經(jīng)被完成 MDI 將通知開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。收到的數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器為病人將被儲(chǔ)存在電子醫(yī)療記錄（ EHR）并顯示在被預(yù)定的任何 GUI 客戶端。 圖 2 中的表顯示 MDI 的關(guān)鍵組成部分。硬件由 ZigBee 模塊組成，一個(gè)微控制器和一個(gè) RS232 接口。微 控制器負(fù)責(zé)為 RS232 接口和 ZigBee 模塊接口。 圖 2 MDI2 MDI 當(dāng) MDI 供電時(shí)， ZigBee 協(xié)議棧自動(dòng)加入 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)。下一步的 MDI 將公布的 ID 這也是明顯的在裝置的外部表面上。這是我們使用的為這一項(xiàng)目設(shè)計(jì)的協(xié)議。該協(xié)議支持這些狀態(tài)消息的類型除了支持我們感興趣的實(shí)際的真實(shí)數(shù)據(jù)。在這一點(diǎn)上和 MDI 做一個(gè)結(jié)合是可能的。要做到這一點(diǎn)，管理員選擇編號(hào)從在屏幕上自動(dòng)生成的列表，一個(gè)病人人口和一類在系統(tǒng)中被支持的醫(yī)療器械。這一過(guò)程的結(jié)果是服務(wù)器發(fā)送正確的 RS232 串口設(shè)置到 MDI 為被連接到的 醫(yī)療設(shè)備?，F(xiàn)在，該系統(tǒng)能直接與醫(yī)療設(shè)備通信服務(wù)器將發(fā)出任何必要的命令，以從裝置中啟動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)流。 服務(wù)器負(fù)責(zé)解碼具體的醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)。此功能是執(zhí)行在 DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）中，它是在服務(wù)器上運(yùn)行的。有一個(gè) DLL 為每一類醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)支持允許今后的醫(yī)療設(shè)備以被沒(méi)有升級(jí)的服務(wù)器軟件支持。今后的任何設(shè)備可以很容易被支持在 DLL 框架內(nèi)通過(guò)簡(jiǎn)單繼承相應(yīng)的類為特定類型的設(shè)備。這些 DLL 被加載在運(yùn)行時(shí)而且有一個(gè)每個(gè)設(shè)計(jì)師必須堅(jiān)持的標(biāo)準(zhǔn)接口，為了和系統(tǒng)互操作。設(shè)計(jì)人員還必須完成一個(gè) XML 文件從模板來(lái)說(shuō)明新的醫(yī)療設(shè) 備支持的功能。該 DLL 只處理裝置具體的信息 。主要的服務(wù)器應(yīng)用程序從我們的項(xiàng)目協(xié)議解碼本信息。 圖 3 新的數(shù)據(jù)請(qǐng)求 當(dāng) DLL 被服務(wù)器應(yīng)用程序加載它將收到一個(gè)值來(lái)代表頻率服務(wù)器想要的圖形數(shù)據(jù)。此值是用于創(chuàng)建間隔計(jì)時(shí)器代表在上述的 UML 圖中。當(dāng)這個(gè)計(jì)時(shí)器終止 DLL 將檢查的現(xiàn)狀已經(jīng)為呼吸機(jī)。圖 3 段顯示的動(dòng)態(tài)圖代表一個(gè)事件序列圍繞這一計(jì)時(shí)器到期的 DLL 中的呼吸機(jī)。當(dāng)計(jì)時(shí)器終止 DLL 的檢索命令的一個(gè)字節(jié)數(shù)組的 ASCII 字符的形式。下一步該DLL 引起一個(gè)事件包含字節(jié)數(shù)組。服務(wù)器應(yīng)用程序接受此事件通過(guò)它的事件處理，它 在我們的協(xié)議中編碼且傳送它到醫(yī)療設(shè)備。 當(dāng)醫(yī)療設(shè)備返回一個(gè)響應(yīng)服務(wù)器應(yīng)用這些數(shù)據(jù)傳遞到 DLL 上所示。如果 DLL 在一個(gè)特定超時(shí)時(shí)間段內(nèi)未收到任何數(shù)據(jù) DLL 將重新啟動(dòng)與醫(yī)療設(shè)備的通信。被 DLL 接收的數(shù)據(jù)被檢查來(lái)看它是否符合預(yù)期的格式和有效的校驗(yàn)和是否適用。一旦數(shù)據(jù)被證明是有效的，通用的被共享在服務(wù)器應(yīng)用和客戶之間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被填充。最后 DLL 會(huì)提高另一種情況，本次說(shuō)明該圖形數(shù)據(jù)是可用的。然后服務(wù)器組播新的數(shù)據(jù)對(duì)任何被認(rèn)購(gòu)到該地址的客戶端。服務(wù)器可以擴(kuò)大到與現(xiàn)有醫(yī)院系統(tǒng)使用 HL7 的標(biāo)準(zhǔn)[17]或其他統(tǒng)一專為無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的接口可用于諸如制定 DERI[18]。 四 、 化驗(yàn)結(jié)果 此架構(gòu)所述的已被實(shí)施和測(cè)試非常成功在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。為此目的我們連接 MDI 到 PC 模擬器設(shè)計(jì)作為 Maquet 伺服系統(tǒng)呼吸器。該 Maquet呼吸器可以返回呼吸讀數(shù)和設(shè)置。為了獲取這些，該 SDADB 和 SDADS Maquet 指令發(fā)送到指定的我們希望檢索的呼吸讀數(shù)和設(shè)置。然后通過(guò)定時(shí)地發(fā)送 RADAB 和 RADAS 命令我們可以捕捉最新的 信息從呼吸器。圖 6 顯示在運(yùn)行時(shí)間模擬器處理這些命令 圖 6 呼吸機(jī)模擬器 像架構(gòu)中描述的服務(wù)器 DLL 保持一種狀態(tài)為每個(gè)終 端設(shè)備，以便它知道什么信息預(yù)期的回報(bào)。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們成功地檢索呼吸機(jī)的數(shù)據(jù)在 5 秒的間隔。我們已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)圖形用戶界面客戶是我們成功認(rèn)購(gòu)收到此呼吸機(jī)的數(shù)據(jù)。我們正與當(dāng)?shù)匾患沂褂?Maquet 呼吸機(jī)的醫(yī)院合作，他們的要求是數(shù)據(jù)收集在 1 分鐘的間隔。這些結(jié)果是非常確切的先于在醫(yī)院用實(shí)際呼吸機(jī)的可用性測(cè)試之前。我們還在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了有限的數(shù)量范圍測(cè)試。我們?nèi)〉昧?20 米內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室范圍將等于在醫(yī)院在終端設(shè)備和路由器之間的最大傳輸距離。此外，我們進(jìn)行了一些流動(dòng)性測(cè)試移動(dòng)的 MDI 在操作過(guò)程中沒(méi)有造成任何包的丟失。初步結(jié)果 是確切的，但進(jìn)一步深入測(cè)試是需要在醫(yī)院的環(huán)境中進(jìn)行的。 五、 結(jié)論 在本文中，我們已經(jīng)表明無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)合適的從醫(yī)療設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)的手段。我們已經(jīng)討論了從數(shù)據(jù)吞吐量、功耗和移動(dòng)性方面如何使 ZigBee 滿足我們的要求。此外，利用這一技術(shù)我們可以制定一個(gè)為廣泛的醫(yī)療設(shè)備提供的低成本的、可擴(kuò)展的解決方案。此外，我們有基礎(chǔ)設(shè)施使我們能夠很容易地提供新的設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)的需要。這個(gè)架構(gòu)有利于移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)給第三方的系統(tǒng)和我們自己的用戶界面。我們希望我們的領(lǐng)域測(cè)試將產(chǎn)生積極的反饋從臨床工作人員那里。