摘要提出一个基于蓝牙4．O的远程监护医疗物联网系统。在分析比较蓝牙4．0技术优势的基础上，介绍了医用智能终端的数据采集与监护功能，讨论了3G远程数据传输中网络不稳定和带宽受限的解决方法，给出了后端数据中心的功能与构成。
关键词远程监护 蓝牙 物联网
Doi：10．3969／j．issn．1673—7571．2013．02．001
A System Construction of Internet of Things in Medical Domain Based on Bluetooth 4．0／XUE Wan—guo，BAO Peng—fei，ZHANG zhen_jiang，ec al／／china Digital Medicine，一2013 8(2)：02 to 04
AbstractThis paper presents a system of Internet of thin in medical remote monitoring based on Bluetooth 4．0．After discussion the advantage of 10w power consumption and high speed of Bluetooth 4．O，this paper introduces the mobile medical terminal’ s data collection and vital signs monitoring function，discusses the way to deal with the instability and limited bandwidth of 3G signal in data communication，and 6naUy describes the function and components of the backend data center．
Keywordsremote monitoring, Bluetooth，Internet of things
Fund projectNational Science & Technology Pillar Subject(No．20()9BAl86802)
Corresponding authorInformation Institute of the PLA General Hospital，Beijing 100853，P．R．c．
1引言
在医疗过程中，通过各类医疗设备产生的患者医疗数据需要采集和监控，特别是各类小型化、便携式生命体征监测设备如血压计、心电监护仪、血氧监测仪等的广泛使用，对生命体征等数据的无线采集需求越来越高。物联网是把任何物品与互联网络相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，是实现各类医疗监测装置与网络连接的有效手段。
蓝牙4．O版本以其低成本、低功耗的特点，广泛应用于卫生保健、体育健身、家庭娱乐、安全保障等诸多领域。增加了蓝牙4．0功能的医疗仪器，可将测试数据实时传输到支持蓝牙4 0的智能终端上，再由智能终端通过3G／WiFi接入互联网，形成医疗物联网。
2蓝牙4．0技术的选择
目前基于2 4GHZ的常用的短距离无线通讯技术有WIFI、ZigBee、蓝牙。
WiFi主要用于基于lP网络的通讯，如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，优点是带宽高、传输速率快。但其能耗消耗大，不适于便携式医疗设备，特别像血糖、血氧等基于电池供电的小型设备。
ZigBee技术的优点在于能耗低，但其带宽低，难以满足像12导心电仪这种对带宽要求较高的医疗设备的数据传输要求。
蓝牙4．O技术兼顾了WiFi和ZigBee的优点。在能耗上，采用蓝牙LE(低功耗)技术，其功耗比Z旧Bee更低，完全满足基于纽扣电池的设备需求。而对于数据量大的医疗设备，采用蓝牙EDR芯片，可使传输速率达到2Mbps，完全满足类似1 2导心电仪这种医疗设备对数据传输的要求。在接入设备上，可配备双模(蓝牙LE+EDR)芯片，同时支持多种医疗设备的接入。
基于上述考虑，蓝牙4．O技术是目前较适于医疗物联网的短距离无线通讯技术。
3基于蓝牙的医疗物联网设计
3．1 系统结构基于蓝牙4．O技术构建的医疗物联网见图1，系统包含以下几个主要部分：蓝牙无线医疗设备、具有蓝牙功能的智能终端和后端远程监护急救与健康管理云平台系统。
蓝牙无线医疗设备包括心电仪、血压计、血氧、血糖、多参数监护仪等，对不支持蓝牙的医疗设备，可在其对外输出接口处增加蓝牙模块，以具有蓝牙传输功能。接入终端，包括医用平板电脑、PDA和手机。
无线医疗设备通过蓝牙4．O技术连接到接入终端，并将采集到的生命体征数据传输到接入终端，接入终端实时显示测量到的数据，并通过3G专用网或卫星通信将数据传送到后台医疗云平台，后台云系统可对采集的生命体征数据进行分析处理并以WEB方式提供浏览展现服务，后端医生通过各类终端上的网页浏览器查看患者数据并为现场提供支持。
3．2 智能终端上客户端软件设计远程急救与健康管理客户端软件运行在智能终端上，这些智能终端可以是基于蓝牙功能的医用平板电脑和智能手机。客户端软件的主要功能是通过蓝牙从医疗设备接收数据显示在屏幕上，并实时将数据通过3G网络或WiFi等传输到后台，界面见图2。
客户端软件通过蓝牙接收到医疗数据后，实时显示在主界面上。左侧为1 2导联心电数据，右侧从上至下依次为用户信息、心率、心电告警信息、血压、血糖、血氧信息。
客户端软件具有网络传输功能，通过建立TCP链路，与云后台进行通信，实时将数据传输到云平台，专家通过手机或PC登录云平台可实时查看患者的生命体征数据。
客户端软件设计要点如下。
3_2．1 用户管理功能可对用户账号进行添加、删除管理。考虑到设备可能被多人使用，每个用户在使用前，须先输入或选择用户账号及密码，这样用户测量的数据统一传到该用户账号下。
3．2．2 接收蓝牙数据功能考虑到用户的易用性，设备端记忆上次连接过的设备地址，开机后自动连接到智能终端，客户端软件根据蓝牙设备类型区分医疗设备类型，并根据数据协议解析测量数据。
3．2．3 生命体征数据显示功能综合所接，设备采集得到的数据，在终端上动态显示心电、心率、血压、血糖等数据，形成本地监护终端。
3．2．4 告警功能对于数据异常，如心电图的ST段抬高、压低，或心率超出正常范围，软件会产生声光报警，及时提醒用户及现场医生，并将告警信息传输到后台，提醒监护中心的值班医生。
3．2．5 本地存储功能本地存储了用户的账户信息、告警设置、测量数据，在必要时将因网络问题无法上传的数据重新传输到后台。
3．2．6 记录浏览功能基于用户回访心电图数据，血压数据列表，血氧数据，血糖数据列表等。
3．2．7 报告打印功能可打印出心电图报告等。
3．3 3G网络数据传输为适应上述监护终端在远程急救和远程监护模式下的使用环境要求，选择采用3G环境下的IP通信这一灵活的联网方式将监护终端接入后台远程网络。3G通信虽突破了地域限制，具有移动使用的便利，但存在信号及带宽稳定性问题，影响监护数据的实时上传。
为解决3G信号移动环境下的不稳定性，软件设计时增加了重传、断点续传功能。重传是指在网络不通的情况下，在一定时间内多次尝试传输。断点续传功能是指在网络不通时，先缓存一定时间的数据，等网络畅通后立刻上传这部分数据。另外，由于在急救场合考虑到实时性的要求，对超过一定时间不能上传的数据，只存储在本地，不再上传，而将最新的数据以新文件方式传输到后台。
由于3G传输为共享带宽，同时受到信号强度限制，实际使用环境中的数据上行带宽往往与理论值有较大差距。对1 2导联心电数据，数据采集频率高，数据量较大，在500Hz的采集频率下，每个采样为1 2bit，实际占用2个字节，同步采集1 2个通道的数据所需带宽约为1 2KB／秒。为解决3G带宽占用问题，在客户端采集后将数据先进行压缩然后传输，传输到云后台后，再进行解压存储。压缩后的带宽占用约为4KB／秒。
对有数据加密要求的客户，可实施加密传输，包括账号信息、生命体征数据等，均采用加密方式传输到后台。
4医疗云平台
医疗物联网后端云平台怕1主要负责前端采集得到的生命体征数据存储，以及为后端医生提供近实时的患者生命体征数据动态展现功能。之所以称为“云”，是指后端平台可满足在开展大规模服务的情况下，对所需资源的分布和分配，无论是前端监护者还是远程监护医生均无需知道资源的物理位置。远程访问云平台包括数据接收处理服务器、云存储池、负载均衡服务器、数据库服务器，WEB服务器等，结构见图3。
4．1 云存储池云存储服务器为系统提供可动态扩展的存储功能，数据库数据、心电、血氧等数据均存储于该服务器。数据接收处理模块将接收到的数据写入云存储模块，数据库记录也存于云存储。WEB服务器可从云存储池中读取数据发送给前台客户显示。
云存储池可采用分布式文件系统实现，在存储服务器上安装分布式文件系统，通过增加服务器可动态扩容，同时提高读写的带宽。
对数据接收模块、数据库及WEB模块，云存储池同本地盘一样操作，且能实现文件级别的共享。
存储服务也可采用传统SAN存储方案。这种技术比较成熟，但价格高，扩展性不如分布式存储。
4．2 负载均衡服务器负载均衡服务器采用主副备份方式，它为网络接收处理模块提供负载均衡功能。当终端(平板电脑、手机)连接后台时，首先连接负载均衡服务器。负载均衡服务器采用一定的算法(如采用一致性哈希算法，或其它自定义的简单算法)，选择某台数据接收服务器，并将该数据接收服务器的IP地址和端口号告知终端。终端以后都和该指定服务器交互，不再通过负载均衡服务器。除非连接该服务器失败，终端才重新请求负载均衡服务器指定新的数据接收服务器。
负载均衡服务器和数据接收服务器之间有心跳，保证负载均衡服务器知道各个数据接收服务器的运行状态，为负载均衡提供依据。
4．3 数据接收服务器数据接收服务器负责接收来自终端的数据，对终端数据进行解压缩、解析，然后将患者基本信息及生命体征数据分别保存到数据库和存储服务器中。
4．4 数据库服务器数据库服务器采用mysq J数据库，mysq J软件运行在数据库服务器上，但其数据内容存放在云存储模块。
4．5 WEB服务器WEB服务器负责向后端医生提供基于浏览器的患者生命体征监护服务，它可根据接入负荷由一至多台服务器组成。采用WindowsServer2008自带的NLB功能实现负载均衡。
5结语
在我们的项目中，采用蓝牙4．0技术连接各种医疗监测设备实现生命体征数据的采集，通过3G网络实现远程网络连接，建立后端数据管理展现平台，从而构建了医疗物联网系统。利用这一平台，可为远程健康监护、远程医疗急救等远程医疗服务提供有力支撑。
来源：威廉希尔《中国数字医学》 2013年 第2期
