LoRa技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

0   引言

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，各種高新技術(shù)的發(fā)展日新月異，給人們的工作和生活帶來了極大的方便，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速飛躍。與此同時(shí)，隨著生存環(huán)境的變化，一些社會(huì)問題逐漸顯現(xiàn)出來，比如人口老齡化、慢性疾病發(fā)病率和亞健康人群比例逐年增高、看病難、看病貴等問題已成為當(dāng)前我國(guó)醫(yī)療改革進(jìn)程中亟待解決的難題^[1]。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展突破，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合了通信、大數(shù)據(jù)等高新技術(shù)在Bluetooth、Zigbee、LoRa 等無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域取得了極大進(jìn)步，并且已逐漸在很多行業(yè)推廣應(yīng)用^[2-3]。2015 年3 月國(guó)務(wù)院頒布《全國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系規(guī)劃綱要（2015—2020 年）》，明確提出開展健康中國(guó)云服務(wù)計(jì)劃，積極應(yīng)用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、可穿戴設(shè)備等新科技技術(shù)，推動(dòng)惠及全民的智慧醫(yī)療服務(wù)^[4]。而物聯(lián)網(wǎng)為優(yōu)化醫(yī)療就醫(yī)體驗(yàn)、改善醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和提高人民健康水平提供了新手段，對(duì)于推進(jìn)健康中國(guó)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)智慧醫(yī)療的目標(biāo)具有重要而深遠(yuǎn)的意義^[5]。

1   智慧醫(yī)療概念及其運(yùn)作模式

智慧醫(yī)療以患者為中心，利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療設(shè)備之間的互動(dòng)，通過打造健康檔案區(qū)域醫(yī)療信息平臺(tái)，逐步改善醫(yī)療服務(wù)流程的醫(yī)療體系。美國(guó)食品藥品管理局在2004年擬通過規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在藥物運(yùn)輸、銷售、防偽、追蹤體系的應(yīng)用，來推動(dòng)智慧醫(yī)療的發(fā)展^[6]。

智慧醫(yī)療通常由智慧醫(yī)護(hù)場(chǎng)所系統(tǒng)，區(qū)域衛(wèi)生系統(tǒng)以及家庭健康三部分組成，其總體架構(gòu)包含基礎(chǔ)層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層以及用戶層^[7]，如圖1 所示。

智慧醫(yī)療系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以“感、知、行”為核心。因此，智慧醫(yī)療系統(tǒng)可以分為數(shù)據(jù)獲取、知識(shí)發(fā)現(xiàn)和遠(yuǎn)程服務(wù)3 個(gè)階段循環(huán)執(zhí)行^[8]。在數(shù)據(jù)獲取階段，通過分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器實(shí)時(shí)、精確地獲取各種醫(yī)療數(shù)據(jù)，并通過組網(wǎng)方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)療數(shù)據(jù)中心；在知識(shí)發(fā)現(xiàn)階段，主要是利用大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理平臺(tái)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和分析；在遠(yuǎn)程服務(wù)階段，將數(shù)據(jù)的分析結(jié)果由云服務(wù)快速、準(zhǔn)確地提供給終端用戶作為參考?！案小⒅?、行”關(guān)系圖如圖2 所示。

圖2 “感、知、行”關(guān)系圖

智慧醫(yī)療將醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)化，使醫(yī)院智能化信息化，在保障醫(yī)療健康的前提下為患者提供精準(zhǔn)安全便捷的醫(yī)療服務(wù)，同時(shí)將患者的就診信息建立電子檔案，方便管理、保存、查閱。智慧醫(yī)療具有互聯(lián)、協(xié)作、預(yù)防、安全可靠等特點(diǎn)，能夠在一定程度上提高人們的醫(yī)療體驗(yàn)和生活質(zhì)量^[9]。智慧醫(yī)療可以實(shí)現(xiàn)智能預(yù)約，減少患者排隊(duì)的時(shí)間；還可以通過各醫(yī)院數(shù)據(jù)共享資源共享，提高醫(yī)療資源利用效率；通過建立患者檔案庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)診，為患者就診提供建議；通過實(shí)名認(rèn)證可以有效避免醫(yī)療詐騙，并且對(duì)有些慢性病患者實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)患者狀態(tài)，及時(shí)反饋并提出治療的建議。

2   LoRa技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)

LoRa 技術(shù)是一種基于1 GHz 以下的超遠(yuǎn)距低功耗無(wú)線傳輸技術(shù)。該技術(shù)使用一種特殊的擴(kuò)頻技術(shù)，使得不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾，大大改善了接收的靈敏度，并且有效地?cái)U(kuò)展了系統(tǒng)的容量^[10]?，F(xiàn)列出LoRa 技術(shù)的關(guān)鍵特征及優(yōu)勢(shì)如表1 所示。

理想環(huán)境下，LoRa 模塊通信距離可達(dá)15 km，但在醫(yī)院特殊環(huán)境下，影響LoRa 模塊通信質(zhì)量的因素很多，比如建筑，設(shè)備，電磁干擾，溫濕度等，這些因素可引起數(shù)據(jù)傳輸時(shí)信號(hào)的衰減，降低通信質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致通信中斷，造成數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重^[11-12]。因此，為了保證通信數(shù)據(jù)的完整和準(zhǔn)確性，LoRa 終端組網(wǎng)可以采用星型結(jié)構(gòu)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，其示意圖分布如圖3 和圖4 所示，由于終端節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)復(fù)雜度越高，終端設(shè)備間互相干擾的情況嚴(yán)重，并且可能導(dǎo)致基站節(jié)點(diǎn)能耗增大，因此，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和節(jié)點(diǎn)壽命等因素，星型分布更適合于醫(yī)院智慧網(wǎng)絡(luò)部署。

3   基于LoRa技術(shù)的終端設(shè)備在智慧醫(yī)院的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用環(huán)境及參數(shù)設(shè)置

基于LoRa技術(shù)的終端設(shè)備在智慧醫(yī)院的部署應(yīng)用，可以幫助醫(yī)院在無(wú)線移動(dòng)查房、繳費(fèi)取藥、導(dǎo)航就醫(yī)、定位與跟蹤、實(shí)時(shí)病人數(shù)據(jù)信息監(jiān)控等方面實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，達(dá)到使患者快速入院、快速診療的效果，提高醫(yī)療資源利用效率和醫(yī)院工作效率。本文研究了將LoRa 技術(shù)運(yùn)用到醫(yī)療器械輸液設(shè)備上，利用其無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)遠(yuǎn)距離、低功耗的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)醫(yī)院不同樓層病房長(zhǎng)時(shí)間，高精度數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?，從而省去了醫(yī)護(hù)人員查房記錄的工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控病人數(shù)據(jù)也可以更有效地解決突發(fā)狀況，降低醫(yī)療事故發(fā)生率。

測(cè)試環(huán)境選擇醫(yī)院就診綜合樓，樓層高度13 層，內(nèi)含LoRa 模塊的節(jié)點(diǎn)5 個(gè)，LoRa 基站3 個(gè)，上位機(jī)電腦1 臺(tái)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果及分析

在上位機(jī)電腦上安裝數(shù)據(jù)接收工具，如圖5 所示。終端節(jié)點(diǎn)正常工作時(shí)會(huì)定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在該窗口可以接收終端發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

圖5 上位機(jī)數(shù)據(jù)接收端

測(cè)試過程中，終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)10 s 發(fā)送一條長(zhǎng)度40字節(jié)的數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)間設(shè)定10 min，上位機(jī)接收端以及LoRa 放置在樓層11 層某一值班室，終端節(jié)點(diǎn)分別放置在1 層、3 層、5 層、7 層、9 層，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

測(cè)試可知終端節(jié)點(diǎn)在10 min 共發(fā)送數(shù)據(jù)600 條，上位機(jī)接收端分別接收到各節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)強(qiáng)度如表2 所示。

由表2 數(shù)據(jù)可知樓層高度與丟包率和信號(hào)強(qiáng)度RSSI 的關(guān)系，如圖6 所示。

圖6 樓層高度與丟包率和信號(hào)強(qiáng)度RSSI的關(guān)系

通過分析表中數(shù)據(jù)可知，LoRa 技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)療器械終端設(shè)備可實(shí)現(xiàn)一定距離的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，并且隨著樓層及節(jié)點(diǎn)間傳輸距離的增加，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)減弱及丟包率也會(huì)增大，甚至超過一定距離會(huì)出現(xiàn)接收不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，因此為了保證整棟樓數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速傳輸，可以考慮使用中繼轉(zhuǎn)發(fā)模式，大大提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

4   結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)可以為用戶提供醫(yī)療健康互動(dòng)服務(wù)保障，是推動(dòng)健康中國(guó)建設(shè)，解決看病難、看病貴等難題的重要途徑。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的LoRa 技術(shù)因其遠(yuǎn)距離、低功耗的特點(diǎn)，在醫(yī)院智慧網(wǎng)絡(luò)的部署應(yīng)用具有很好的前景。基于LoRa 網(wǎng)絡(luò)的智慧醫(yī)療建設(shè)可以降低醫(yī)院運(yùn)營(yíng)成本和醫(yī)療事故發(fā)生率，提高接診效率和醫(yī)療資源利用率，幫助醫(yī)院實(shí)現(xiàn)快速部署、智慧管理。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）