基于物联网的智能医疗系统

基于物联网的智能医疗系统的设计与实现

摘要

诊断和健康监控是医疗行业中一项非常重要的任务。由于时间限制，人们无法经常就诊，这可能在短时间内导致大量健康问题。目前大多数医疗系统已被开发用于预测和诊断患者健康状况，使那些日程繁忙的人也能定期监测自身健康。许多研究表明，早期预测是治疗疾病的最佳方式，因为早期诊断有助于提醒患者了解自身的健康状况。医疗保健是一个全球性问题，尤其是印度作为人口最多的国家，其大部分人口居住在村庄，长期缺乏持续、实时的医疗设施。随着技术的不断发展，迫切需要一种智能健康监测系统，能够在网络设备与应用程序之间进行通信，帮助患者和医生监控、跟踪并记录包含医疗信息的患者敏感数据。

本文阐述了利用最新技术——物联网（IoT）解决健康问题的构想。文章提出了基于物联网（IoT）的智能医疗系统架构综述，旨在为每个人提供更好的医疗保健。通过该系统架构，可实时测量患者的身体参数。传感器采集患者的身体参数，并将数据传输至ATMEL 89s52单片机，再由其将数据发送至MySQL数据库服务器。该MySQL数据库服务器负责管理数据并提供可访问性。患者可通过安卓应用查看这些数据，该应用可安装在智能手机或平板电脑上。如果数据异常，患者会收到通知，同时看护人员也会收到紧急消息。借助不同的决策算法，可以快速、简便地做出决策，相关人员据此可访问数据库。患者可随时查看自己的病历。因此，该系统为每个人提供了更好的医疗保健，并实现无差错、顺畅的患者通信。

索引术语 —物联网（IoT）；环境智能；监控；创新；利用。

I. 引言

如今，互联网已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。它改变了人们的生活、工作、娱乐和学习方式。互联网服务于众多领域，如教育、finance、工业、娱乐、社交网络、购物、电子商务等。互联网的下一个创新大趋势是物联网（IoT）。物联网将智能设备连接到互联网。它可以促进数据交换，并以更可靠和安全的方式向用户提供处理后的数据。

物联网（IoT）是有史以来最重要且最具变革性的技术之一。物联网（IoT）是下一代技术中的一项重大趋势，能够涵盖完整的商业领域，可被视为在当今互联网基础设施内，唯一可识别的智能设备之间的互联互通，并带来扩展效益。这些效益主要包括设备、系统和服务之间超越机器对机器 (M2M) 场景的高级集成。因此，在几乎所有领域实现自动化都成为可能。物联网（IoT）正在深刻改变我们生活的世界，改变我们的驾驶方式、购物方式，甚至医疗保健解决方案。

医疗护理和医疗保健是物联网（IoT）最具吸引力的应用领域之一。物联网（IoT）有望催生多种医疗应用程序，如远程健康监测、健身计划、不治之症和老年护理。因此，各种医疗设备、传感器、诊断和成像设备可被视为构成物联网内部组成部分的智能设备或智能设备。基于物联网的医疗服务有望降低成本，提高并改善生活质量，并丰富用户体验。

为了持续使我们的医疗保健服务更加稳健、强大和安全，物联网（IoT）依赖于多种使能技术。利用物联网的潜力，从不同来源汇聚实时数据——在本例中为大量患者在较长时间段内的数据——已变得非常简单且快速。物联网在健康和医疗服务方面的潜力由智能传感器实现，这些传感器能够精确测量、监控和分析多种健康状态指标，包括脉率和血压等基本关键健康体征。借助物联网的潜力，医生现在能够通过连接到互联网络的智能设备，持续地从众多患者收集实时原始数据，这不仅为他们提供了可信和可靠的结果，还节省了时间，带来最大化的益处。物联网（IoT）将通过显著降低成本和提高质量来彻底改变医疗保健。

II. 相关工作

迪皮卡·阿格拉瓦尔等人[1]提出了一种基于物联网的医疗监控系统，该系统可收集患者的所有相关医疗信息，包括患者的心率、血压和心电图，并将包含患者完整医疗信息的警报发送给医生，从而提供快速可靠的医疗保健服务。

萨普娜·蒂亚吉等人[2] defined物联网在医疗交付中的作用及其技术层面，使其成为现实，并探讨了相关机遇。该系统构建了一个涵盖所有参与医疗保健的实体（医生、患者、实验室、药剂师、护士）的网络，不仅限于同一机构下的实体，还覆盖全国范围内的实体。尝试实施物联网概念，使这些实体能够直接与云计算通信。

亚历山德鲁·阿尔基普等人定义了设计和构建低成本监控系统原型所采取的步骤。该系统专注于重症监护室出院后在医院病房内的远程患者监护。该系统提供手机支持，以便在紧急情况下实现更快、更有效的医疗救治，并采用低功耗专用传感器阵列来监测心电图、血氧饱和度、体温和活动。

S. 西瓦加米 等人[4]提出了一种智能医院系统（SHS）的方案，该方案依赖于多种不同但互补的技术，特别是射频识别（RFID）、无线传感器网络（WSN）和手机等智能设备，这些设备通过受限应用协议（CoAP）/ IPv6 over 低功耗无线个人区域网络（6LoWPAN）/表述性状态转移（REST）网络基础设施相互协同操作。在该提议的系统中，传感器用于获取医院的环境条件，由医院工作人员负责，RFID用于此类监控。对于患者，护士负责跟踪/监控患者的健康状况（体温和心率），并基于此生成图表，该图表将与医生共享。

尼塔·K·P. 等人[5]综述了医疗保健领域的概念、应用程序以及各种现有技术。该系统通过连接智能设备，充分利用物联网（IoT）的潜力，为用户提供最佳的医疗保健服务，并列举了物联网在个性化医疗保健中的关键差异和说明，其应用范围从可穿戴腕部设备到医疗保健系统。

亚历克斯·佩奇等人[6]提出，可穿戴在身体上或嵌入生活环境中的网络传感器能够持续捕获丰富的信息，这些信息经过聚合后可有效反映患者的身心健康状况。他们提出了一种系统，通过多个可穿戴传感器进行数据采集，测量心电图、体温、呼吸频率、肌电图肌肉活动和体位等生理生物标志物。使用ZigBee或蓝牙将传感器数据传输至集中器。通常，在移动客户端所在位置设置一种称为云微端的存储/处理设备，当本地手机资源无法满足应用程序需求时，可用其增强存储/处理能力。该云微端可作为本地处理单元（例如通过无线网络，集中器可直接访问台式计算机等设备）。同时讨论了基于云的医疗数据存储及其前期挑战。利用传感器数据和电子健康记录的分析正变得越来越普遍，有助于多种健康状况和疾病的诊断与预后；此外，可视化是此类系统的關鍵需求。当这些海量数据经过分析并以易于理解的可视化方式呈现给医生时，有望显著改善医疗保健并降低成本。还强调了在传感、分析和可视化方面存在的多项挑战，在系统设计实现与临床实践的无缝集成之前，这些问题亟需解决。

S. M. 里亚祖尔·伊斯拉姆等人提出了一种智能协作安全模型以降低安全风险；讨论了大数据、环境智能和可穿戴设备等不同创新技术在医疗保健环境中的利用方式；探讨了全球范围内与物联网和电子健康相关的法规。此外，从医疗保健的角度分析了物联网安全和隐私特性，以及安全要求、威胁模型和攻击分类，并定义了基于物联网的医疗技术的进展。

达尼洛·德东诺等人 [8]提出了一种新颖的、感知物联网的智能架构，用于在医院和护理机构内对患者、医护人员及生物医学设备进行自动监控与跟踪。该方案忠实于物联网愿景，提出了一种智能健康系统（SHS），该系统依赖于多种既独立又互补的技术，特别是射频识别、无线传感器网络和智能移动技术。

切奇莉亚·奥基乌齐等人 [9]提出了一种环境智能平台，称为NIGHTCare，该平台完全基于射频识别无源技术，用于对夜间生活环境进行远程监控与控制，能够识别夜间行为和活动，在发生异常或病理事件时向操作人员、家属或first‐aid远程中心发出警报，并支持诊断。

NIGHTCare平台部署了微型可穿戴标签（WT），将其集成于衣物中，同时在环境中分布传统环境标签（AT），并配备远距离UHF射频识别读取器、带有预警模块的基于 Web的图形处理器以及用于实时处理的物理层软件引擎。系统通过处理来自人体与周围环境相互作用所产生的电磁信号，检测并报告用户是否在床上、突发性动作及运动模式、意外跌倒、长时间离床以及长时间不活动等情况，如晕厥、昏迷甚至死亡。

穆罕默德·阿德尔·塞尔哈尼等人 [10]提出了一种框架，用于实时收集患者数据，以进行适当的非侵入式监测，并在需要时提出医疗和/或生活方式干预。该框架完全依赖于面向服务的架构（SOA）和云计算，从而实现无缝集成利用移动技术和服务，通过患者的可穿戴生物传感器设备顺畅地采集生命体征数据。这些数据存储在云计算中，并可供医生和/或任何其他授权实体访问。

Hasmah Mansor 等人[11]提出了一种健康监测系统，该系统可帮助医生通过网络监控患者健康生命体征。设计并开发了体温测量设备，以帮助医生通过互联网测量患者的生命体征，并追踪患者病史，在患者健康出现异常迹象时向医生发出警报。

明L等人提出了一种新颖的以患者为中心的框架以及一系列针对存储在半可信服务器中的个人健康记录（PHR）的数据访问控制机制，旨在通过利用基于属性的加密（ABE）技术对每位患者的PHR文件进行加密，实现对PHR的细粒度和可扩展的数据访问控制。该研究重点关注多数据所有者场景，并将PHR系统中的用户划分为多个安全密钥管理单元，逐步减少用户与所有者之间的密钥管理负担。同时，通过采用多机构ABE技术，支持动态修改访问策略或文件属性、在紧急情况下实现高效的按需用户/属性撤销和紧急访问，从而充分保障了患者隐私。

毛毅等人[13]提出了一种早期预警系统（EWS），旨在识别或追踪临床恶化的迹象，并对严重临床事件提供早期预警。同时引入了一种分桶技术，用于识别和捕捉生命体征的变化。此外，该系统能够处理缺失数据，使得即使就诊时缺少部分参数，仍可对其进行分类。通过结合逻辑回归、分桶自助聚合以应对过拟合，以及探索性欠采样以解决类别不平衡问题，开展了一项初步可行性研究。结果表明，与其他主要方法相比，这种结合能显著提高所有性能指标的预测准确性。

普拉加蒂·古普塔 等人[14]描述了无线传感器网络及其在可穿戴生理监测系统中的应用。在这些生理监测系统中，传感器集成在背心的特定位置，并通过编织在织物中的导线与可穿戴数据采集硬件互连。但这些系统的主要缺点是织物中的电缆会收集噪声，从而导致生理信号失真。此外，传感器一旦集成到织物中，便难以重新定位。因此，为了克服这些问题，生理监测传感器必须采用微型电子器件进行设计，并战略性地放置在背心的不同位置。集成到织物中的多个传感器构成一个网络（个人区域网络），并与人体系统交互，以采集和传输生理数据至可穿戴数据采集系统。可穿戴数据采集硬件从各种传感器并将处理后的数据传输到远程监控站。

乔治·加尼察萨斯等人来自希腊约阿尼纳大学，开发了一款名为AUBADE的系统，这是一种可穿戴设备，用于在人类处于极端压力条件下的特定目标环境中评估其情绪状态。该模型包括一个包含十六个EMG纺织抗撕裂传感器的面罩、一个三导联心电图传感器和位于胸部的呼吸频率传感器，以及置于手套内部用于测量皮肤电活动（或称皮肤反应性或皮肤电导活动）的纺织传感器。系统还实现了三维面部表征和智能情绪识别模块，用于从一组情绪中分类个体的心理状态。

罗伯特·马修斯等人[16]推导出了一种基于这些创新心电图传感器的无线系统的描述和评估。开发了一种新型微型、超低噪声、可穿戴且超低功耗的无线电容式传感器节点Eco，该节点无需与皮肤直接接触，并且性能相当于金标准心电图电极。

陈云霞等人[17]推导出了一个关于无线传感器网络寿命的通用公式，该公式涵盖了底层网络模型，包括网络架构、协议、数据采集启动、寿命定义、信道衰减特性以及能耗模型，并识别出物理层中影响网络寿命的两个关键参数。基于该公式，他们提出了一种介质访问控制协议，该协议利用了各个传感器的信道状态信息和剩余能量信息。

丽塔·帕拉迪索等人[18]提出了一种基于纺织品可穿戴接口的系统，该系统通过将传感器、电极和连接部件集成于织物中，并结合创新的信号处理技术和现代通信系统实现。该系统验证了基于织物传感元件的系统的可行性，专为监控心血管疾病患者（特别是在康复阶段）而设计。该系统还可帮助承受较大身体和心理压力以及面临环境与职业健康风险的专业人员。

III. 拟议工作

所提出的系统旨在构建一个端到端的智能、高效且创新的健康应用程序，该程序可通过两个功能模块实现。其中，第一个功能模块的主要功能是收集与患者监控相关的所有感官数据，而第二个功能模块的功能则是将生成的信息存储、处理并呈现在服务器上，供医生根据被监控患者的状况访问健康报告。

如图1所示，该图展示了整体模型，系统包含一个能够智能地自动监控患者健康的鲁棒健康监测系统，使用物联网。这将帮助医生随时随地监控患者报告。

该系统使用智能传感器，生成从每个传感器收集的原始数据信息，并将其发送到数据服务器，在服务器上对数据进行进一步分析并转换为图表分析，同时在服务器上进行统计维护，供医学专家使用。

如图2所示，如上所述，所提出的系统是一个集成系统，通过硬件和软件的融合提供了出色的诊断手段。与硬件相关的组件包括：

• ATMEL 89s52单片机
• 体温传感器
• 脉搏率传感器
• RS‐232
• 模数转换器
• 电压调节器IC‐7805

硬件与软件的合理结合，共同构成了医疗领域中一个高度发展的系统。ATMEL 89s52单片机为40引脚DIP，是模型的核心，负责控制所有功能。它从传感器（如温度传感器、脉搏率传感器等）采集输入数据，这些数据是在传感器连接患者时检测到的，并将数据发送至模数转换器，将模拟数据转换为数字数据。随后，该数据被上传至网络服务器。医生和患者均可通过网页和安卓应用程序查看上传的数据。该网页和安卓应用程序还具备以下附加功能：

• 根据地区和专业预约医生
• 紧急推送按钮
• 医疗警报
• 患者反馈
• 个人和家庭注册
• 从任何地方访问健康数据
• 让医生为患者转诊给其他医生

稳压器集成电路7805是一种集成电路。电路中的电压源可能会有波动，无法提供固定的输出电压。稳压器集成电路7805能够使输出电压保持恒定。它提供+5V的稳压电源。

软件和硬件相互协作，形成一个完整的健康诊断系统。患者和医生可获得便利，能够相互受益。在紧急情况时，系统会向医生发送警报消息，从而可以快速进行初步药物治疗。该系统成本效益高，具备低功耗能力、易于设置、高性能和实时响应等特点。

IV. 实验结果

所提出的智能健康监测系统正在一名患者身上进行部署和测试，该患者的个人信息已录入网络门户。该患者连接至由心率传感器、血压和温度传感器组成的智能健康监测系统。患者的实时心率、血压和体温数据通过基于 Wamp的数据库服务器进行监控。本系统所使用的物联网设备为ATMEL 89s52单片机和传感器。所提出模型的系统架构由给定的 figures说明，其中包括连接到服务器的 ATMEL 89s52单片机，该单片机将传感器采集的数据上传至数据库，并生成统计图表以供进一步分析和记录。

在登录页面，用户可以根据提供的凭据以医生或患者的身份登录到自己的页面。

网络门户的主页包含多个标签，例如登录、注册、查看患者详情等。

管理页面允许患者输入个人信息，例如姓名、出生日期、血型、地址以及各种其他必要信息，以便系统化地维护记录。

在添加标签页中，患者的血压、心率和温度传感器通过唯一用户ID添加到数据库服务器中，以便保存记录以供后续使用。

来自各种传感器的数据被上传到数据库服务器，用于进一步分析健康报告并绘制图表。

此图展示了当前托管在本地主机上的数据库服务器的完整结构，未来可通过物联网实现全球连接。该数据库服务器详细记录了每位患者的信息，并据此实时生成统计图，用于对患者的进一步分析和跟踪。

V. 结论

互联网极大地改变了我们的生活方式，使人们在从职业生活到社会关系的多种情境下能够在虚拟层面相互交流。物联网有潜力通过在智能设备之间建立通信，为这一过程增添新的维度，从而实现随时随地任何媒体任何事物的通信愿景。在医疗保健中巧妙地利用物联网技术，不仅为医生和管理人员访问广泛的数据源带来了益处，也带来了在移动环境下的实时物联网应用系统中访问异构物联网数据的挑战。

考虑到人口状况以及大多数人都生活在偏远地区的村庄，随着技术的不断发展，尤其是医疗保健已成为国家的主要问题，基于物联网的智能医疗系统作为重要的监测工具，在更大程度上对全球整体具有重要意义。

健康监测系统对患者以及社会都有益处，此类系统的实施将节省医院账单、等待时间，并减少医院中的长队。本文旨在强调一种基于物联网技术的医疗保健系统，该系统不仅能够实现医疗参与者的可视化与可追溯性，还能确保提供改进的医疗服务。提出该系统的主要动机是通过实施网络化信息，为患者提供更优质、更高效的医疗服务，使专家和医生能够利用这些数据，快速、高效地提供解决方案。因此，该技术为医疗保健问题提供了应对方案，并将全国范围内的患者与医生连接起来，以监测、跟踪和记录患者的生命体征数据和医疗信息，实时地为患者定期提供及时有效的解决方案。