LoRa技術(shù)在智慧醫療領(lǐng)域的應用

0   引言

進(jìn)入21 世紀以來(lái)，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(lái)了極大的方便，促進(jìn)了社會(huì )經(jīng)濟的高速飛躍。與此同時(shí)，隨著(zhù)生存環(huán)境的變化，一些社會(huì )問(wèn)題逐漸顯現出來(lái)，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(wèn)題已成為當前我國醫療改革進(jìn)程中亟待解決的難題^[1]。

隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展突破，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合了通信、大數據等高新技術(shù)在Bluetooth、Zigbee、LoRa 等無(wú)線(xiàn)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)推廣應用^[2-3]。2015 年3 月國務(wù)院頒布《全國醫療衛生服務(wù)體系規劃綱要（2015—2020 年）》，明確提出開(kāi)展健康中國云服務(wù)計劃，積極應用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、可穿戴設備等新科技技術(shù)，推動(dòng)惠及全民的智慧醫療服務(wù)^[4]。而物聯(lián)網(wǎng)為優(yōu)化醫療就醫體驗、改善醫療服務(wù)質(zhì)量和提高人民健康水平提供了新手段，對于推進(jìn)健康中國建設，實(shí)現智慧醫療的目標具有重要而深遠的意義^[5]。

1   智慧醫療概念及其運作模式

智慧醫療以患者為中心，利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)、大數據處理技術(shù)，實(shí)現患者與醫務(wù)人員、醫療設備之間的互動(dòng)，通過(guò)打造健康檔案區域醫療信息平臺，逐步改善醫療服務(wù)流程的醫療體系。美國食品藥品管理局在2004年擬通過(guò)規范物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在藥物運輸、銷(xiāo)售、防偽、追蹤體系的應用，來(lái)推動(dòng)智慧醫療的發(fā)展^[6]。

智慧醫療通常由智慧醫護場(chǎng)所系統，區域衛生系統以及家庭健康三部分組成，其總體架構包含基礎層、感知層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層以及用戶(hù)層^[7]，如圖1 所示。

智慧醫療系統以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎，以“感、知、行”為核心。因此，智慧醫療系統可以分為數據獲取、知識發(fā)現和遠程服務(wù)3 個(gè)階段循環(huán)執行^[8]。在數據獲取階段，通過(guò)分布在監測區域的傳感器實(shí)時(shí)、精確地獲取各種醫療數據，并通過(guò)組網(wǎng)方式將數據發(fā)送到醫療數據中心；在知識發(fā)現階段，主要是利用大數據存儲與處理平臺對獲取的數據進(jìn)行建模和分析；在遠程服務(wù)階段，將數據的分析結果由云服務(wù)快速、準確地提供給終端用戶(hù)作為參考?！案?、知、行”關(guān)系圖如圖2 所示。

圖2 “感、知、行”關(guān)系圖

智慧醫療將醫療網(wǎng)絡(luò )化，使醫院智能化信息化，在保障醫療健康的前提下為患者提供精準安全便捷的醫療服務(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。智慧醫療具有互聯(lián)、協(xié)作、預防、安全可靠等特點(diǎn)，能夠在一定程度上提高人們的醫療體驗和生活質(zhì)量^[9]。智慧醫療可以實(shí)現智能預約，減少患者排隊的時(shí)間；還可以通過(guò)各醫院數據共享資源共享，提高醫療資源利用效率；通過(guò)建立患者檔案庫可以實(shí)現智能導診，為患者就診提供建議；通過(guò)實(shí)名認證可以有效避免醫療詐騙，并且對有些慢性病患者實(shí)時(shí)跟蹤監測患者狀態(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

LoRa 技術(shù)是一種基于1 GHz 以下的超遠距低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。該技術(shù)使用一種特殊的擴頻技術(shù)，使得不同擴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，并且有效地擴展了系統的容量^[10]?，F列出LoRa 技術(shù)的關(guān)鍵特征及優(yōu)勢如表1 所示。

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

3   基于LoRa技術(shù)的終端設備在智慧醫院的應用

3.1 應用環(huán)境及參數設置

基于LoRa技術(shù)的終端設備在智慧醫院的部署應用，可以幫助醫院在無(wú)線(xiàn)移動(dòng)查房、繳費取藥、導航就醫、定位與跟蹤、實(shí)時(shí)病人數據信息監控等方面實(shí)現統一管理，達到使患者快速入院、快速診療的效果，提高醫療資源利用效率和醫院工作效率。本文研究了將LoRa 技術(shù)運用到醫療器械輸液設備上，利用其無(wú)線(xiàn)數據傳輸時(shí)遠距離、低功耗的優(yōu)勢實(shí)現醫院不同樓層病房長(cháng)時(shí)間，高精度數據傳輸的目的，從而省去了醫護人員查房記錄的工作，實(shí)時(shí)監控病人數據也可以更有效地解決突發(fā)狀況，降低醫療事故發(fā)生率。

測試環(huán)境選擇醫院就診綜合樓，樓層高度13 層，內含LoRa 模塊的節點(diǎn)5 個(gè)，LoRa 基站3 個(gè)，上位機電腦1 臺。

3.2 數據傳輸結果及分析

在上位機電腦上安裝數據接收工具，如圖5 所示。終端節點(diǎn)正常工作時(shí)會(huì )定時(shí)發(fā)送數據，在該窗口可以接收終端發(fā)送的數據內容。

圖5 上位機數據接收端

測試過(guò)程中，終端節點(diǎn)定時(shí)10 s 發(fā)送一條長(cháng)度40字節的數據，發(fā)送時(shí)間設定10 min，上位機接收端以及LoRa 放置在樓層11 層某一值班室，終端節點(diǎn)分別放置在1 層、3 層、5 層、7 層、9 層，分別進(jìn)行數據發(fā)送。

測試可知終端節點(diǎn)在10 min 共發(fā)送數據600 條，上位機接收端分別接收到各節點(diǎn)發(fā)送的數據及數據強度如表2 所示。

由表2 數據可知樓層高度與丟包率和信號強度RSSI 的關(guān)系，如圖6 所示。

圖6 樓層高度與丟包率和信號強度RSSI的關(guān)系

通過(guò)分析表中數據可知，LoRa 技術(shù)應用到醫療器械終端設備可實(shí)現一定距離的無(wú)線(xiàn)數據傳輸，并且隨著(zhù)樓層及節點(diǎn)間傳輸距離的增加，信號強度會(huì )減弱及丟包率也會(huì )增大，甚至超過(guò)一定距離會(huì )出現接收不到數據的現象，因此為了保證整棟樓數據準確快速傳輸，可以考慮使用中繼轉發(fā)模式，大大提高數據傳輸質(zhì)量。

4   結論

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫療系統可以為用戶(hù)提供醫療健康互動(dòng)服務(wù)保障，是推動(dòng)健康中國建設，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)因其遠距離、低功耗的特點(diǎn)，在醫院智慧網(wǎng)絡(luò )的部署應用具有很好的前景?；贚oRa 網(wǎng)絡(luò )的智慧醫療建設可以降低醫院運營(yíng)成本和醫療事故發(fā)生率，提高接診效率和醫療資源利用率，幫助醫院實(shí)現快速部署、智慧管理。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年3月期）