醫療裝置物聯網體系結構與核心技術的論文
0 引言
物聯網的思想最早是由美國麻省理工學院Au-to-ID Center的著名教授Ashton 1999年提出的。隨著技術和應用的發展，物聯網的內涵不斷擴充套件。真正意義上的物聯網可以實現對物的感知識別控制、網路化互聯和智慧處理的有機統一[1].當前，大型綜合醫院集中了大部分優勢醫療資源，導致大型醫院就診人數日益劇增。但由於缺少必要的輔助工具，在裝置管理、藥品管理等過程中會出現一些人為差錯[2].醫療裝置科學、有效、安全的管理反映了當下醫院的管理水平，是醫院資訊化的重要組成部分。隨著醫療裝置數量日益增加以及醫院管理智慧化要求越來越高，醫院對醫療裝置的管理流程越來越複雜[3].運用物聯網技術，可以將感知技術、通訊技術及軟體資訊科技融合在一起；透過裝置診斷技術與計算機網路技術相結合，在裝置上建立狀態監測點，採集裝置狀態資料後透過感測裝置、微計算晶片和通訊模組，按照約定的協議，把目標裝置統一連線起來，進行資訊交換和通訊，以實現智慧化識別、定位、資料反饋等叢集目標的主動管理；利用資訊管理平臺對裝置運作進行分析判斷和資料分析統計，實現醫療裝置資訊化管理。本文對基於物聯網的醫療裝置管理體系結構和關鍵技術進行研究，以供參考。
1 技術背景
1.1體系結構
體系結構本意是“統一的或一致的形式或結構”.體系結構可以精確地定義系統的組成部件及其關係，引導開發者遵循系統的一致性原則，以確保系統符合預期的要求。因此，物聯網體系結構是設計與實現物聯網系統的首要基礎[4].建立物聯網體系結構的最主要過程是從各種應用需求中統一抽取出組成系統的部件以及部件之間的組織關係。圖1是對物聯網體系結構的分類總結。
1.2關鍵技術物聯網主要是對感知層、網路層和應用層等關鍵技術的應用、實現、研究和開發。其中感知層的關鍵技術見表1.
其他關鍵技術有感測器網路通訊技術、通訊網路技術1平臺技術等[5].在物聯網中，不僅要實現物物相連，而且要做到識別、定位、追蹤和管理。而射頻識別（radio frequency identification,RFID）技術在物聯網感知層關鍵技術中處於突出的地位[6-7],是物聯網中規模化識別技術的首要選擇。
1.3存在問題
物聯網技術的發展為醫療裝置的管理帶來了新的思路。它利用感知技術與智慧裝置對醫療裝置進行感知識別，透過網路傳輸互聯，進行計算、處理和知識挖掘，達到對醫療裝置實時控制、精確管理和裝置共享的目的[8].物聯網的研究、實施、發展和應用還存在很多問題，主要有：
（1）規模化問題。為獲得完整可靠的資料，智慧節點和RFID裝置必須大量且合理地佈置。在感知層，當一部分元件出現故障時，有其他元件可以替代，這就需要規模化來保證[9].
（2）標準化問題。包括RFID技術、通訊協議及應用層的標準化。
（3）資料問題。首先，要透過物聯網能夠持續、穩定、安全地獲取資料；其次，資料的時效性要有保證，網路傳輸資訊延遲問題要得到解決；最後，資料庫管理以及安全隱私問題[10].其中，資料的獲取與採集非常重要。
2 醫療裝置物聯網體系結構
物聯網技術在某一領域中的應用，更多的是利用感知層、網路層和傳輸層3層框架。針對現有研究基礎和醫院實際環境的特點，對醫療裝置也採用了3層體系架構，但根據實際環境特點對醫院進行改進和細化。醫療裝置物聯網與其他物聯網應用相比，具有裝置眾多，應用複雜，系統中存在大量異構資料、異構介面和異構協議轉換等特點。在其體系架構中，將資料採集的終端裝置和保證資料安全接入的AP和閘道器歸屬於感知層；中介軟體、網路管理軟體和資訊採集、匯聚、分析和釋出軟體歸屬於傳輸層；醫院資訊系統（hospitial information system,HIS）、實驗室資訊系統（laboratory information system,LIS）等醫療裝置物聯網應用系統歸屬於應用層。醫療裝置物聯網體系結構如圖2所示。
2.1感知層
醫療裝置物聯網感知層透過感測器裝置來採集RFID標籤或醫療裝置等物件的資料，然後透過藍芽、Wi-Fi等短距離傳輸技術傳輸資料，實現物品感知資訊和控制資訊的統一識別。感知層主要包括RFID標籤、感測器等關鍵技術以及醫療資料安全接入AP和智慧閘道器等。其中，RFID是醫療裝置物聯網的核心技術。它由電子標籤和讀寫器組成，在電子標籤記憶體儲特定格式標誌物體資訊的電子資料，並採用非接觸式自動識別技術，透過電子標籤對其附著的物體進行定位追蹤，具有讀取距離遠、資料存取速度快、安全性高等優點[11-13].
2.2傳輸層
傳輸層包括中介軟體，網路管理軟體，資訊採集、匯聚、分析和釋出系統等，並與位於醫療裝置物聯網應用層的HIS、LIS建立介面。傳輸層主要用於將感知層識別的各種感知和控制資訊按照通用資料傳輸協議轉換成標準格式，實現醫療裝置物聯網人與物、物與物之間的互聯互通。
2.3應用層
醫療裝置物聯網應用層主要完成對感知層採集的資料的計算、處理和知識挖掘，並將這些資料與醫療活動中各種應用系統相結合，如電子病歷、HIS、LIS、影像歸檔和通訊系統（picture archiving and com-muication system,PACS）等各種醫療資訊系統和醫療裝置管理平臺等應用系統，從而為管理決策提供支援。
3 系統關鍵技術
3.1智慧閘道器設計
智慧閘道器是醫療裝置物聯網系統實現的基本元件之一，它是物聯網感知層與物聯網網路層之間的.橋樑。它一方面可以將感知層獲得的資料進行彙總、處理、儲存；另一方面可以透過各種不同的手段將這些資料傳遞給伺服器，為應用層提供資料支援。閘道器支援無線感測器網路內部資料協同和匯聚，支援以傳輸控制協議/因特網互聯協議（transmission controlprotocol/internet protocol,TCP/IP）接入、3G接入或者其他接入方式，從而橋接感測器網路與醫院網路[14-16].
（1）硬體設計：智慧閘道器硬體設計如圖3所示。該裝置器件採用低功耗設計，具備USB、Uart、SPI、I2C等感測器硬體介面，並具備Wi-Fi、Zig Bee、Inter-net等通訊介面接入能力。圖4為智慧閘道器實物圖。感知節點採用MSP430和CC2420作為處理器和無線通訊模組，嵌入了基於Zig Bee晶片的無線收發模組，實現了感測網路子節點之間的資料傳輸，通用無線分組（general packet radio service,GPRS）通訊模組作為感測網路與物理室之間的橋樑。一方面實現乙太網、3G、Wi-Fi、RS485、CAN匯流排等通訊介面用於網路層互聯；另一方面利用Zig Bee、射頻等無線傳輸手段實現與物聯網感知感測器的互動連線。並新增Web Server、液晶顯示屏（liquid crystal display,LCD）、鍵盤、I/O介面、SD卡等功能，可以根據實際需求進行功能定製。
（2）軟體設計：智慧閘道器位於傳輸層，負責與管理平臺與感知節點互動。醫療裝置智慧閘道器主要實現對現有接入網、核心網等網路的配置管理，同時針對醫療裝置物聯網終端數量龐大、各終端工作狀態需實時監控等特點，對每一個終端裝置分配一個可管理的地址，如IP地址等，從而實現網路通訊安全設定、不同時間段各通訊通道負載與均衡控制、執行時物聯網資訊可靠性驗證、故障檢測及診斷日誌等功能。智慧閘道器軟體設計如圖5所示。
3.2中介軟體設計
物聯網的中介軟體是處在物聯網感知層和傳輸層之間的一種中介軟體系統，它起到一箇中介的作用，遮蔽前端硬體的複雜性，並把採集到的資料送到後端的應用系統[17].在後臺應用系統和讀寫器之間，透過設定一個通用介面和平臺，實現每個應用環境的標準化和各應用系統之間的通訊，該通用介面和平臺即醫療裝置物聯網中介軟體。中介軟體捕獲實時資訊和事件，並將其傳輸至後臺應用資料庫系統或RFID讀寫器，從而實現RFID讀寫器與後臺資料庫系統之間的資訊互動[16].醫療裝置物聯網中介軟體是RFID讀寫器與資訊系統之間的紐帶，採用標準協議和介面技術。開發醫療裝置管理中介軟體要遵守醫院物聯網應用服務的要求與標準，以實現RFID讀寫器與各應用系統之間的標準化資料傳輸[18].
RFID讀寫器讀取各種資料資訊，透過中介軟體提取、解密、過濾、格式轉換、匯入資訊平臺的系統，實時反映裝置的狀態，並透過應用系統響應於程式介面，供使用者瀏覽、選擇、修改、查詢[19].中介軟體系統的軟體結構主要由系統管理伺服器和資料採集組成，如圖6所示。
3.3基於物聯網的醫療裝置管理平臺設計
基於物聯網的醫療裝置管理服務平臺對感知資訊進行採集、匯聚、分析和處理，主要包括使用者管理、裝置引數維護、資訊與圖形操作、綜合分析、日常管理、資料採集、資訊資料分析等；主要針對醫療裝置感知資訊進行自動化採集、全面化匯聚、全域性化分析，為醫療裝置管理者和工程技術人員提供裝置執行的技術狀態、使用情況、執行維護等實時資訊，解決操作管理層、決策層等不同層次應用人員的實際要求。系統平臺按照功能和關係可以分為4層：資料庫、資料庫訪問層、業務邏輯層、應用層。其中，資料庫訪問層是資料層和業務邏輯層之間的橋樑，它包括資料的採集和儲存、終端裝置和通訊網路的實時資料採集和資料格式的轉換以及為相應的資料型別提供相應的資料支援。業務邏輯層包括使用者管理、資料的相關操作，功能模組元件和Savant模組。Savant模組作為資料終端和系統應用的中介軟體，提供ONS、EPC等功能。應用層則提供各種應用程式的介面，實現具體的管理功能。系統具體的層次結構關係如圖7所示。
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