无线可穿戴传感器网络技术实现监所医疗智能化的探索

0 引 言

据公安部相关统计显示，在未实行监所医疗社会化的2013 至 2015 年，全国看守所在押人员因病死亡总数呈逐年上升的趋势。死亡总数中的 50% 属患有各种基础疾病（如心脑血管疾病）加重后导致死亡。同时，对猝死人员在黄金时间的救治 32.8% 多为无专业知识的值班民警和同监室在押人员实施，导致延误最佳抢救时间。另外，有文献报道 [1]，针对无刑事行为能力的在押精神病人，使用抗精神病药物与猝死发生率呈显著剂量相关性，并且引起静脉血栓和肺栓塞的危险性更高，心血管与代谢性疾病的发生比普通人提早 10 ～ 15 年。如何确保在押人员的身体健康、彻底杜绝在押人员死亡事件的发生，是一项艰巨复杂的系统性工作 [2]。人们由此研发了心电监测无线传感器网（WirelessSensorNetworks，WSN）系统，在传感器感应区域内，实现全时段、全方位、穿戴方便、实时连续地对心电、血压等生命体征的监护 [3]。

在医疗物联网（Medical Internet of Things，MIoT）领 域，可穿戴传感器的摆放位置己经覆盖了身体的各个部位，且穿戴方便简单 [4-5]，便于收集人体血压、血氧、体温、心率、心电图、呼吸等临床观察的各种体征信息，具有低负荷、可移动操作、使用简便、支持无线数据传输等特点 [6-7]。显然，随着各类传感器技术、微型机电技术与现代网络和无线通信等技术的提升与融合 [8]，可穿戴技术对疾病诊疗起着关键作用。

1 组网及系统构成

MIoT 也称传感网，它把实时监测、感知及采集的信息进行集成，通过嵌入式系统处理信息，通过无线网络实现对客观物理世界的动态感知 [9]，同时完成对信息的传输、控制处理、存储显示等操作，实现与医学专业技术深度融合的智能化服务。MIoT 也包含物联网技术的各个层次，总体上也遵循物联网应用的通用架构，即感知层、网络层和应用层三

层次架构 [10]，心电监护医疗物联网系统框架如图 1 所示。 

（1）感知层 ：主要包括 RFID 标签与读写器、可穿戴式生理信号接收传感器设备以及无线传感器网络（WirelessSensor Networks，WSN）。可穿戴设备将心电电极与服装融为一体 [11]，使用者只需穿上一件具有心电信号接收、处理与发射功能的可穿戴背心或 T 恤即可完成心电信号的实时连续采集。2017 年 7 月联想 TechWorld 大会上发布了一款名为SmartVest 的智能心电衣，该成品也是全球首款 12 导联（目前大部分医院使用的心电图都为 12 导联）的医疗可穿戴设备，可 360°扫描心脏，实时监测用户 12 导联的心电图，提供心率数据，可连续使用 2 周时间 [12]。WSN 采用短距离无线网络 ZigBee 技术，具有低功耗、低成本、低速率、短延时、短距离、高容量、高可靠、高安全等特点，其协议栈从 ZigBee2004 升至 ZigBee2007[13]，能随机分配地址，支持网状 / 树状拓扑结构、自动跳频、可选数据分割，同时支持多对一路由、多密钥、多节点与大网络。根据实际场地无线网络布设数据采集节点、汇聚节点及路由与网关，由于节点体积较小，固定方便，对场地无特殊要求，只需电源即可组网。具有自组织性，分布式的控制，无线多跳，实现“自组织，自愈合”。采用动态变化的网络拓扑结构，网络中的部分或全部节点可以移动，拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化，每个节点都可充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接、数据简单处理等功能 [9,14]。

（2）网络层 ：实现数据传输、转发、处理功能，包含数据传输与互联网结合的融合网络、网络管理中心、信息中心、智能处理中心。同时，基于现有的局域网和互联网，其关键技术包括通信技术（4G/5G、有线宽带、WiFi 技术）和终端技术（传感器网络与通信网相连的网关设备），可随时随地为用户提供服务。另外，通过有线与无线技术相结合，运用多种网络技术协同，为用户智能选择接入网络的模式。

（3）应用层 ：应用层是物联网的终端层，是网络与用户的接口及充分实现所需领域智能化的平台，结合医疗领域的需求，解决监护对象的信息数据处理与人机界面问题，以实现监护的智能化与信息化。采用智能手机、电脑、移动互联网设备等多样化的智能终端，使用户可随时随地监测被监护对象的各种信息并及时做出处理。实现实时心电图显示、心电图分析诊断、状态预警及提醒、用户管理和心电图无线远程诊断交互功能 [15]。

2 系统工作流程

系统工作基本流程 ：通过穿在人体身上带有心电信号采集、无线信号发送的传感器服装（T 恤）发出的无线心电信号，经采集节点将接收到的（周期性）数据转发至无线路由或汇聚节点，汇聚节点负责将整个传感器网络采集来的原始数据帧通过网关上传至数据接收电脑或直接传至数据处理中心，利用相应的函数对数据帧进行格式转换，提取所需数据，完成无线传感器网络与有线网络的协议转换，再进行数据整合处理，并实时显示至各终端设备。医师与其他相关人员都可通过医护显示客户端或平板电脑及 PDA 现场实时调取心电图像用于查阅与诊断，还可通过交换机将图像、文本信息经过互联网传至远程会诊中心实现远程会诊。心电监测医疗物联网数据流程如图 2 所示。

3 网络关键技术

3.1 传感器网络实际布局

基于 ZigBee 的网络架构由簇状拓扑结构构成，并由数据接收节点、汇聚节点、IP 网关及无线路由器组成。由于节点体积较小，固定方便，对场地无特殊要求，故只需电源即可组网。在分控、总控室通过电视墙即可观察每个人的心电波形图，医护人员也可通过电脑终端、手持终端进行实时监控。监房无线网络布局如图 3 所示。

3.2 可穿戴服装（背心）传感器的结构模块与功能

可穿戴服装集采集传感器、信号处理与发送电路、电源为一体，硬件电路具备高集成度、体积小、不易损坏、抗干扰、续航时间长、无线信号强、更换方便等特点，具有心电信号采集、放大、滤波、A/D 转换、缓存及发射功能 [16]。处理过的信号首先由智能服装的内置天线发射，再经无线传感器网络接收节点、汇聚节点接收与处理，最后转发至数据处理中心进行数据整合与图像再现。智能服装需满足贴身、长期穿着舒适、不受日常活动影响，洗涤时信号发射无干扰等要求 [17]，其传感器编织在服装纤维中具有一定的柔软度，且不同于传统的 Ag/AgCl 胶状（湿性）电极，采用干性织物电极，对皮肤无损伤 [18]。可穿戴服装的功能结构模块如图 4 所示。

4 结 语

早在 2014 年 6 月召开的全国可穿戴计算学术会议上已有学者报导了可穿戴设备用于监所安全警戒系统 [19]。兴化市看守所与公安部第一研究所联合研制的“公安监管勤务指挥系统”及可穿戴设备已用于监所安全管理 [20]。江西省强制隔离戒毒所 [21] 运用 RFID 的可穿戴腕带标签无线网络技术在监管场所的应用，实现了对被强戒人员实时电子地图方位监控、查找定位与活动轨迹记录、自动点名、非法聚集与禁区入侵及非授权离位与脱离监管报警、紧急救援呼叫、电子钱包等管理。由此可见，伴随着智慧城市、智慧公安 [22] 的建设，智能化智慧监所的时代已经来临。