基于自組網和物聯網的醫療設備綜合管理系統設計與實現*

周軍華 任 堅 吳文生 徐 榮 張曉明 唐 永

基于自組網和物聯網的醫療設備綜合管理系統設計與實現*

周軍華①*任 堅①吳文生①徐 榮①張曉明①唐 永①

目的：針對傳統醫療設備管理系統電子信息化方面的不足，設計一種新的基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統，以提高醫院對醫療設備的管理效率。方法：引入自組網和云計算網絡技術，實現各個管理系統模塊之間快速無縫鏈接，并提供完善的操作手冊和設備狀態等信息。結果：該系統采用了新型監控和無線組網技術，具有監控醫院所有醫療儀器設備的運行狀況，并記錄和統計各種運行信息，實現對醫院所有醫療儀器設備的管理、跟蹤和統計等功能；此外，提供的手冊可以方便地檢查儀器設備的健康狀態，以便于維護和維修。結論：基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統，通過實際部署使用，驗證了該系統的成熟性和可靠性，可以大幅提高醫療設備的使用效率。

物聯網；自組網；云計算

[First-author’s address] Affiliated Hospital of Jiangnan University Department of Medical Instruments, Wuxi 214122, China.

物聯網[1-3]作為下一代互聯網技術，結合工業化和信息化，將會從根本上改變行業的形態，極大地推動技術進步，改善人們生活條件。物聯網技術在醫療領域的應用潛力巨大，能夠幫助醫院實現對患者的智能化醫療和對物的智能化管理[4-5]。隨著現代醫療技術的發展，檢測技術逐步更新，醫療儀器設備不論從種類上還是數量上都有了極大的增加，而如何管理眾多設備，提高其使用效率，減少浪費，對醫療單位提出了更大的挑戰[6-7]。

隨著醫療設備管理系統的不斷發展，物聯網技術在該領域得到了廣泛關注，已經成為提高醫療設備管理效率的關鍵技術之一[8-12]。就應用角度而言，采用現代傳感器技術，無線自組網技術和綜合信息處理技術可以更科學有效地管理醫院的醫療儀器設備，將醫院主要的醫療儀器設備接入物聯網中，通過云計算網絡提供多種途徑的實時訪問、查詢和管理，從而可以高速、高效地操控和運行醫院醫療設備管理，降低醫療儀器設備的使用和維護成本，避免重復浪費，有效提升醫院的核心競爭力[13-18]。

針對傳統醫療設備管理電子化信息方面的不足，本研究引入自組網和云計算技術，提出了一種基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統，其中，自組網技術可以讓整個無線網絡實現自組建、自診斷、自愈合及自路由，減少了用戶參與，極大的提供網絡的工作效率。引入的云計算網絡技術，可以將醫院(用戶)、衛生管理機構、醫療設備廠商及維護廠商等覆蓋到系統中，統計不同廠家的各種醫療設備的使用情況、故障情況、采購成本以及使用和維護成本等；設計了通用的接口協議，將醫療設備的研發、生產、銷售、使用、反饋、維護和管理等各個環節統一起來，有效推進整個產業鏈的進步。本研究提出的綜合管理系統通過實際部署測試使用，驗證了系統的可靠性和有效性。

1 醫療設備綜合管理系統設計

基于自組網和物聯網技術的醫療設備綜合管理系統是采用監控終端監控醫療儀器設備的運行狀況，通過無線接口將運行信息發送給服務器，服務器則記錄并統計各個醫療儀器的狀態信息，提供實時監控的窗口顯示。服務器端需建立本地和云端數據庫，記錄設備信息，提供操作手冊和運行記錄等信息。服務器端和云端軟件還可根據需要自動提供各種格式內容的報表。為獲得醫療儀器設備的位置信息，系統將集成已有的射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術，在醫療儀器設備貼上RFID標簽，在各科室、病區門口設立卡口，掃描進出的醫療儀器設備。除此之外，監控終端還可以通過獲知自身掛載在哪個無線網橋下來得到自身的大致位置。

基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統中所有設備都可以采用在線升級的方式更新固件和軟件，在硬件設計上充分考慮了冗余和備份，如更新失敗仍可以自恢復到先前版本。

基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統的功能模塊主要包括：①監控終端：監控醫療設備的運行狀態，提供無線傳輸和路由功能；②主控接口模塊：通過服務器的串口為服務器提供無線接口；③無線網橋：提供與監控終端的無線連接，并通過WiFi或有線以太網連接服務器；④服務器：主要是軟件部分，記錄各個醫療設備的運行狀態，提供操作手冊和運行記錄，輸出各種格式內容的報表，除此之外還負責其他硬件模塊的管理和配置；⑤云計算網絡服務器：匯總所有的單體服務器，提供云端的數據庫和訪問接口，支持遠程訪問，可部署在各個獨立的服務器上，其系統整體架構如圖1所示。

圖1 綜合管理系統框圖

2 醫療設備綜合管理系統關鍵技術

對于所有物聯網系統而言，信息的檢測和傳輸是系統設計的難點。監控終端設備需要檢測醫療儀器設備的運行狀態，要求能夠低功耗運行，且可通過無線網絡傳輸數據，無縫兼容醫療儀器，將監控終端設計成設備電源線形式，使用者無需額外操作，即可使監控終端正常工作。本研究提出的醫療設備綜合管理系統所采用的關鍵技術主要包括：檢測技術、無線自組網技術和云計算網絡技術等。

2.1 檢測技術

監控終端設備采用CS5460芯片采集被測儀器設備的運行電壓電流信號，以此來判斷被測設備是否運行以及實時功率，CS5460芯片是用于功率測量芯片，其性能和穩定性要求能夠滿足本系統的需求。為采集更詳細的信息，監控終端設備還提供USB接口和RS232串口用于連接被測儀器，采用儀器設備廠商提供的接口，定義收集儀器設備的運行日志，故障代碼等運行信息，并將其通過無線接口模塊發送給服務器。監控終端的軟、硬件架構如2圖、圖3所示。

圖2 監控終端硬件框圖

圖3 監控終端軟件架構圖

2.2 自組網技術

無線接口模塊是本系統設計的難點和重點。醫療設備管理系統本身無需大帶寬的無線通道，對實時性的要求也很低，各個監測終端具有一定的本地存儲能力，可以選擇設定每隔10 min、30 min等時間間隔發送數據，可以極大地降低系統負載，減少相互干擾。針對不同應用場景，基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統可選同時支持WiFi模塊和433 MHz模塊，提供多種組網能力，而WiFi模塊將是最優選擇；如無完善的WiFi網絡，433 MHz網絡將成為首選。

采用WiFi組網，其技術成熟可靠，當前已有大量的應用[19-20]。而433 MHz技術無法可靠地傳輸數據和組網，極大的限制其應用。為此，本研究在433 MHz物理層之上另行開發基于自組網技術的鏈路層和網絡層協議，構建完善的自組網，避免433 MHz技術存在的缺陷。每臺監控終端設備在出廠后都會固化一個唯一的ID號與自身的MAC地址和433 MHz網絡地址有著固定且唯一的對應關系，初始化上電后會根據ID號來計算本機地址，433 MHz網絡中所有節點的地址不會重復。服務器端的節點為主機節點或是根節點，預留特定的地址，在任何系統中都不會變化。為節約無線傳輸帶寬，系統還預設了廣播地址，普通節點不可以使用廣播地址發送廣播報文，中繼節點收到廣播報文后向下轉發廣播報文。為增加傳輸可靠性，除了廣播報文外的每一次的數據傳輸都會有數據校驗和應答機制，在固定時間里收不到應答報文或是應答故障報文，會觸發重傳操作，重傳3次仍不成功，則放棄本次傳輸。

433 MHz自組網網絡支持自組建、自愈合及自主路由，自適應網絡架構，以減少網絡維護的工作量和客戶的維護時間，增加網絡的可靠性。為此在構建433 MHz網絡時，需要額外的網絡維護機制。433 MHz的服務器節點和中繼節點會定時發送心跳報文，各個終端節點需及時響應，來確認自身是否在網絡中，傳輸通道是否通暢。服務器節點也通過發送心跳報文來掃描網絡節點，確定在線的網絡節點。網絡中所有節點在發送報文之前均需監控網絡擁塞狀態，減少數據碰撞的發生，每次發送報文都會啟動硬看門狗電路來避免長時間占用網絡。433 MHz網絡采用樹狀結構，服務器節點處于整個網絡的最高點，等級最高且唯一。監控終端節點可能為末梢節點或為枝干節點(中繼節點)，枝干節點可以下掛末梢節點或是枝干接點，每個節點均有自己的上下級關系和等級。等級的高低取決于上級節點的高低，組網時優先選擇等級高的節點，但仍需減少來回切換的次數和網絡擺動情況。網絡等級共有8級，0級最高為根節點所有。網絡組建和維護均由各節點自行完成，上層軟件無需參與，其流程如圖4所示。

監控終端在上電后會發送“我上電”報文來申請建立路由鏈路。“我上電”報文本質上是廣播報文，分為發送給根節點和發送給中繼節點的兩種。如果監控終端未收到根節點發送的路由應答報文，即認為自身無法直接和根節點聯系上，此時應向中繼節點發送“我上電”報文，申請中繼鏈接。通常情況下，會有多個中繼節點響應“我上電”報文并提供中繼鏈接，這時監控終端需要考慮各個中繼節點的網絡等級和負載數量來選擇中繼節點。完成響應的握手操作后，監控終端記錄自身的上一級節點的地址，并將自身的網絡等級修改中繼節點的低一級，而中繼節點也會將該監控終端的地址和時間記錄至自身的路由表中。中繼節點只轉發自己路由表中條目項的報文，其他中轉報文一律丟棄，可有效的抑制網絡風暴，減輕網絡負載。

圖4 自組網網絡構建和維護流程圖

采用架構的自組網絡，根節點和網橋節點發送報文時，只需填寫相應的目的地址即可，無需知曉整個網絡的路由架構，收到該報文的節點會自動查詢各自的路由表轉發報文。監控終端發送上報報文時也只需將自己的上一級節點設為目的地址，中繼節點會自動向上轉發報文給服務器。本網絡對實時性要求很低，即使路由表較大、查表時間較長也不會影響系統的功能實現。路由表的更新和老化會在路由表查找的同時進行，保證路由表的有效性。中繼節點的突然下電會導致其下的監控終端中斷鏈接，但監控終端會通過檢查心跳報文和應答報文來獲知這一情況，隨后會自動發起重新路由的申請，重新選擇路由路徑。

理論上不應出現＞8級網絡的存在，如果網絡過于龐大，節點數量＞128個，則考慮分拆網絡，可采用無線網橋方式，借組已有的WiFi有線以太網網絡減少433 MHz網絡規模。無線網橋在433 MHz網路中處于根節點位置，但其自身不處理相關數據，只作為433 MHz和WiFi有線以太網網絡橋來使用。無線網橋還提供3G無線數據通道，支持Internet訪問，自身集成防火墻功能。無線網橋設備可以用于連接位置較偏遠的病區設備。該組網算法可以盡可能的平鋪網絡結構，減少網絡層次，減輕網絡偏載，降低監控終端處理性能的要求。通過以上協議和技術的保證，基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統的無線網絡可靠性和可維護性得到了極大的提高，數據傳輸更加可靠、便利。用戶無需關心復雜的組網架構和維護命令，網絡的自愈化極大地減輕了用戶負擔和維護成本。醫院所有的被監控的醫療儀器設備都可以隨時上下電，而不影響現有網絡的運行。

2.3 云計算網絡

設備在本地收集和統計的各種數據，除了保存在本地硬盤外，還可以發布到互聯網上。用戶經過一定的權限管理流程后可以遠程登錄服務器中，查看實時和歷史信息。分布在醫院的多個病區內部，分院內部或是多個醫院內部的服務器都可以連接到同一個云計算網絡中。該網絡可以實現信息共享、信息發布、固定和移動平臺的登錄以及權限管理等功能。用戶可以通過電腦、手機等終端隨時登錄網絡中查看醫療設備的實時運行狀態和歷史數據。云計算網絡架構如圖5所示。

圖5 云計算網絡架構圖

除此之外，各個醫療設備廠商在經過授權后同樣可以接入到云計算網絡中，檢查本廠設備的故障情況。云計算網路會將醫療儀器設備的檢測和故障編碼實時發送給相應的廠商或維護單位，出現故障的醫療儀器設備會在第一時間得到維護和處理，而維護人員在出發前就可以獲知故障的詳細信息和處理辦法，極大的提高維護效率，降低成本。隨著管理平臺的完善和積累，云計算網絡還會自動觸發設備維護和校驗需求，無需人工干預，還可以自行給出故障解決辦法，直接指導用戶維修簡單故障，無需等待專業維修人員，極大提高了儀器設備的在崗率。

輸出多種報表也是云計算網絡的重要功能。各臺醫療儀器設備的使用情況，統計各個醫院、分院及科室的使用負荷，可以按照時間和類型定時輸出各種報表，通過短信、彩信或電子郵件的形式發送相關人員，更有效的配置儀器設備，減少浪費和閑置情況。統計各種醫療儀器設備的故障類型和故障率，核算出醫療儀器設備的購買和使用成本，不僅可以幫助醫院選購設備，還可以促使廠商改進產品質量，改善服務，促進行業的良性發展。服務器的硬件平臺采用市售成品服務器平臺，在其上開發功能軟件。在客戶端軟件只是多個平臺，包括Windows、IOS及Android等，用戶可以使用多種平臺登陸服務器，方便的獲得權限范圍內的信息。系統提供商也可以遠程登陸云計算網絡，更新和維護本系統的正常運行。服務器端的軟件架構如圖6所示。

圖6 服務器端軟件架構圖

3 結語

基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統，可以幫助醫院和醫療系統更合理的采購和分配醫療儀器設備，提供儀器設備的使用效率，降低故障率，更好的保證正常醫療工作，降低成本，為醫院帶來較好的經濟效益。該系統解決了傳統醫療設備管理系統的建設困難、操作復雜及維護成本高等難題，極大的方便了客戶的使用和維護。此外，基于自組網和物聯網技術醫療設備綜合管理系統不僅是為單個醫院定制開發的設備管理一體化系統，還可應用于地市級的衛生系統，云計算網絡覆蓋多所醫院、管理機構、設備廠商和維護廠商，促進醫療儀器設備研發、生產、銷售、使用、維護和管理等各個環節，推動醫療儀器設備行業的良性發展。

[1]江蘇賽聯信息產業研究院.物聯網[M].江蘇：江蘇人民出版社，2012.

[2]錢志鴻，王義君.物聯網技術與應用研究[J].電子學報，2012，40(5)：1023-1029.

[3]王保云.物聯網技術研究綜述[J].電子測量與儀器學報，2009，23(12)：1-7.

[4]薛青.智慧醫療：物聯網在醫療衛生領域的應用[J].信息化建設，2010(5)：56-58.

[5]韋哲，周強，辛邁.基于物聯網的智能心音檢測與分析系統[J].中國醫學裝備，2013，10(3)：7-9.

[6]于波，史彥斌，孫景海，等.信息化區域協同智慧醫療體系建設[J].中國數字醫學，2013，8(1)：98-100.

[7]楊子儀，常青，邱桂蘋，等.基于智慧醫療服務平臺的移動健康系統應用探討[J].科技資訊，2014，12(8)：33-34，36.

[8]Puustjarvi J，Puustjarvi L.Automating remote monitoring and information therapy：An opportunity to practice telemedicine in developing countries[C].In：Proceedings of ISTAfrica Conference，Gaborone，2011：1-9.

[9]Wang W，Li J，Wang L，et al.The internet of things for resident health information service platform research[C].In Proceedings of Communication Technology and Application(ICCTA 2011)，IET International Conference.Beijing，October，2011：631-635.

[10]俞磊，陸陽，朱曉玲，等.物聯網技術在醫療領域的研究進展[J].計算機應用研究，2012，29(1)：1-7.

[11]包濟民，王泉清，李珺.遠程健康管理物聯網系統設計[J].中國醫學裝備，2013，10(5)：52-53.

[12]潘媛媛.物聯網技術在醫療護理系統中的應用[J].實用醫院臨床雜志，2011，8(2)：196-198.

[13]徐力，尹軍.基于物聯網的醫院供氧系統監控技術研究[J].中國醫學裝備，2013，10(12)：35-36.

[14]湯曉君，劉君華.多傳感器技術的現狀與展望[J].儀器儀表學報，2005，26(12)：1309-1313.

[15]孟利民，宋文波.移動自組網路由協議研究[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[16]姚宏宇，田溯寧.云計算：大數據時代的系統工程[M].北京：電子工業出版社，2013.

[17]余波.云計算網絡新技術[J].計算機光盤軟件與應用，2013，16(23)：20-21.

[18]魏然.云計算網絡教學平臺的研究與設計[J].數字技術與應用，2012(8)：114-116.

[19]孫鶯，馮長偉.對無線組網技術的應用研究[J].中國新技術新產品，2012(18)：19.

[20]余海，曹蕾.基于WiFi的無線網狀(Mesh)組網技術[J].現代電子技術，2011，34(10)：120-122.

Research on AD HOC and IOT techniques-based management comprehensive system for medical devices

ZHOU Jun-hua, RENG Jian, WU Wen-sheng// China Medical Equipment,2015,12(1):41-45.

Objective: For the disadvantages of the electronic information in the conventional medical equipment management system, we design a improved medical equipment monitoring and management system based on the Ad Hoc and Internet of Things (IoT) techniques, which is capable of monitoring and recording the operation conditions of the medical equipment in a hospital. Methods: The Ad Hoc and the cloud computing techniques are introduced, which can make the modules of the management system linked each other. Meanwhile, we provide more manual and device status information. Results: The designed system can effectively monitor all the medical equipments, and it is easy for equipment health check, equipment maintenance and repair, which can significantly facilitate the use of the medical devices. Conclusion: The maturity, reliability and validity of the developed system are evaluated using practical deployment, which largely increase the system function and improved the work efficiency.

The Internet of things; Ad Hoc; Cloud computing

周軍華,男,(1980- ),碩士，工程師。江南大學附屬醫院醫療器械科，從事醫療設備維護、維修及質控管理工作。

1672-8270(2015)01-0041-05

R197.324

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.01.013

2014-05-08

無錫市醫院管理中心智慧醫療科研項目(YGZXZ1304)“基于物聯網技術醫療設備管理系統設計”

①江南大學附屬醫院醫療器械科 江蘇 無錫 214122

*通訊作者：439069554@qq.com