航天遠程醫療系統設計

尹子航 唐磊 沈緒榜

摘 要 中國載人航天技術發展迅速，其中宇航員的身心健康狀況影響著整個太空任務，發展航天遠程醫療必不可少。伴隨著物聯網，大數據和云計算技術的興起，本文提出了結合物聯網技術的航天遠程醫療系統，該系統通過采集宇航員生理信息和航天器內環境信息，并和地面醫療中心進行通信完成醫療診斷和視頻通信，有效保障宇航員的身體和心理健康，確保飛行可以正常進行，不至于宇航員因個人問題而提前結束太空任務。

【關鍵詞】遠程醫療 載人航天 物聯網 航天遠程醫療系統

航天遠程醫療技術的發展勢在必行。宇航員在太空中極端環境中執行任務時需要進行實時的身體狀況監測，載人航天器和太空艙也要進行封閉環境的檢測以確保宇航員在一個安全環境中工作并且長期的在軌飛行，宇航員的心理狀況容易受到影響，心理輔助治療也必不可少。

和傳統遠程醫療系統相比，由于所處環境的特殊性，航天遠程醫療系統在系統設計上需要考慮的方面更全面。除了對宇航員定期進行基本的身體健康的監測外，還要注重加強艙內的微生物控制，配置治療藥物和醫療器械，支持“天地協同”的遠程會診和治療；配備太空鍛煉設備和防護裝備，以降低太空失重環境給宇航員帶來的影響；根據宇航員身體狀況，提供每日航天飲食，補充所需營養；加大飛行期間對宇航員的心理支持力度等。

因此，本文基于航天物聯網技術構建具有遠程數據采集、遠程醫療監護和遠程協同作業等特征的航天遠程醫療系統，從而保障宇航員的身體和心理健康。

1 遠程醫療的發展

遠程醫療利用通信和信息技術實現異地疾病診斷、治療和健康護理等，為醫療條件差或特殊環境的地方提供基于專家的健康護理或緊急情況下的危重病人救護。此概念由美國最早提出并實踐。

20世紀60年代初，美國國家航空航天局（NASA）為探究太空失重環境下對宇航員身體健康狀態的影響，為宇航員提供了遠程醫療服務，將宇航員的身體特征數據和地面醫學專家通過遙測連接。這一實踐活動大大推動了遠程醫療技術和設備的發展。

20世紀90年代初，美國喬治亞州教育醫學系統（CSAMS），是世界上規模最大、覆蓋面最廣的遠程醫學教育和醫療網絡。俄克拉荷馬醫療網（OTN）當時美國國內最大的醫療網，有效降低了治療費用，縮短診斷和治療時間，同時增加了農村醫務人員接受培訓和教育的機會。

除美國外，世界上其他發達國家的遠程醫療技術也發展迅速。以瑞典為例，全國幾十家大醫院建成醫療數據傳輸系統。法國也有五分之一的城市社區及農村診所醫生可以進入到“電子醫生”體系中。

我國遠程醫療建設已完成試驗階段，逐步向區域集團化和協同應用方向發展，逐步走進社區和家庭。例如，北京大學醫學部遠程醫療中心通過與合作醫院共建“北京大學醫學部遠程醫療中心合作醫院”等多種形式開展合作。

2 航天遠程醫療的發展

美國和俄羅斯，在開展載人航天計劃初期就開始利用遙測技術監測航天飛行任務對宇航員生理健康的影響。

1959-1963年的“水星計劃”標志美國載人航天計劃的開始，也是載人航天遠程醫學實踐的開端。通過可穿戴設備采集各項生命體征數據并將其直接傳輸到地面，完成數據的分析與醫療診斷。

20世紀70年代，隨著美國個人空間站的建立，航天遠程醫療的發展愈發重要。除了將宇航員的身體健康特征數據傳輸到地面，還增強了宇航員和航天中心醫生的音頻交流。

1981年的美國航天飛機項目，將遠程醫療系統分為身體健康特征數據采集模塊和飛行器艙內數據采集模塊。宇航員與飛行控制中心的醫生進行私人音頻會議成為了例行項目。

1998年1月，俄羅斯的STS-89任務中宇航員利用遠程醫療儀設備完成宇航員身體健康特征數據的采集、轉存與傳輸，同時將數據傳輸到地面醫療控制中心被醫療專家利用，提供實時的診斷建議。

中國航天遠程醫學也取得了豐碩成果。2016年，中國神州十一通過天地遠程醫療會診系統，成功實現了航天員和航天員支持室、遠程醫療會診中心、地面支持醫院四方聯動，打通了天地協同遠程醫療會診所需的數據傳輸鏈路，驗證了我國首個天地遠程醫療會診系統，也預示著我國航天員中長期在軌飛行醫學保障能力得到顯著提高。

3 航天遠程醫療系統

3.1 物聯網技術在遠程醫療上的應用

物聯網就是基于實物的互聯網，其真正奧義是高效化的大數據。物聯網的發展離不開無線通信、智能移動設備、大數據、處理器、傳感器等各領域過去十年間的快速發展。基于物聯網技術的遠程醫療可以視為是物聯網的子集。

3.1.1 遠程數據采集

通過智能化可穿戴設備和艙內各類傳感器將宇航員的生理信息和航天器內的環境信息進行遠程數據采集，同時將完成數據存儲備份和加密工作，并通過遙測通信技術將采集到的數據傳輸到地面醫療監測中心。

地面醫療監測中心接受到太空中傳來的數據，進行數據解碼和分析，將其與醫療中心接入的數據庫數據進行對比，了解宇航員的生理變化情況和太空環境的變化，并由專業醫務人員完成診斷將診斷結果保存反饋給宇航員。

3.1.2 遠程醫療監護

遠程醫療監控，實現對宇航員全方位、全天候的智能監護。宇航員身上佩戴傳感器（如宇航員醫療手環），對宇航員的生理信息進行收集，使地面醫護人員及時了解宇航員情況，一旦有異常現象將立即發出警報。太空艙內傳感器，對宇航員活動范圍進行監測，并把收集到的環境信息傳送到地面監控中心，一旦發現異常情況，立即報警提醒，采取應急措施。

3.1.3 遠程醫療協同

物聯網技術的應用將提高遠程在信息化建設過程中的自動化和智能化水平，實現醫院與醫院之間的智能協同和部門間的各科室專家的協同作業能力，改善醫院的響應速度和效率，降低醫療咨詢的錯誤率。航天遠程醫療上，主要體現在“天地協同”的效率和安全性上，保障了信息的隱私、傳輸速率和及時反饋，是宇航員的生命安全的重要保障。

3.1.4 遠程預防和保健服務

基于物聯網技術的遠程醫療系統可將遠程采集的數據在系統醫療監測中心的數據庫中進行智能匹配，若存在異常情況（系統懷疑被監測者存在患病風險），將數據分析結果提供給醫學專家作為參考，并由醫務專家做出醫療診斷，提出相應的醫療解決方法。系統將解決方案、相關注意事項和應急措施反饋給被監測者。

宇航員在空間站執行任務期間，提供在線指導，健康服務。從心理、營養、運動、飲食等方面提供咨詢保障。

3.1.5 宇航員醫療手環

通過佩戴醫療手環，將宇航員的心率、體溫、呼吸、運動和睡眠情況下傳到地面控制中心。同時，手環可對周圍環境進行監測，如有異常情況，手環有警報功能。手環錄入了航天醫藥箱中的各藥品信息，可通過其上的射頻發射器對藥物進行驗證，配合地面醫學專家的診斷指導獲取響應藥物。

3.1.6 航天醫療物資管理

航天醫藥箱、醫療器械設備等實現信息的及時采集與匯聚，實時了解醫療設備與用品的使用情況和正常與否，實現對不可見問題的預警。利用射頻識別（RFID）技術對藥物進行管理，通過航天員佩戴的醫療手環上的射頻發射器接收藥物上的射頻發射器發出的信號，自動核對藥物信息，防止航天員錯誤服用。

3.2 航天遠程醫療系統的架構

航天遠程醫療系統的架構設計以SOA架構為基礎，結合物聯網架構的技術特點進行設計，主要包括六個層次，分別是航天醫療資源層、數據采集層、網絡傳輸層、數據存儲層、數據分析層和用戶層，見圖1。

3.2.1 航天醫療資源層

航天醫療資源層包括航天醫藥箱、醫療器械、監護儀器、醫療手環、檢測儀器等各種設備和設施，并進行智能化統一管理。作為整個航天遠程醫療系統的底層基礎，提供了所有的醫療資源對象。 同時各類醫療設備信息都會實時進行反饋記錄，以確保設施的安全性。

3.2.2 數據采集層

利用傳感器、RFID技術以及移動攝像頭等設備完成對宇航員生理信息和宇航器內環境信息進行數據采集，通過航天遠程醫療系統的軟件接口對采集到的數據進行統一管理，完成數據的暫存和加密工作。

3.2.3 網絡傳輸層

通過現有的衛星通信技術、空間無線通信網絡、傳感器網絡完成實時的數據傳輸工作。并在此基礎上，構建自適應自組織的物聯網遙測通信系統。

3.2.4 數據存儲層

利用固態存儲技術實現包括宇航員個人醫學信息、航天器環境數據、地面醫療中心基礎數據、地面醫療中心初步診斷信息、醫學專家診斷信息、視頻信息和語音信息等數據的保存。同時將所有數據進行統一管理，構建標準的航天醫療資源數據庫和專用集成數據庫，為醫療監測中心提供數據支持。

3.2.5 數據分析層

數據的分析和病情診斷，均以提供宇航員身體和心理健康保障為目的。其中包括，宇航員信息的核對，生理與心理健康情況的監控。地面監控醫生對宇航員醫學數據的初步分析，通過視頻語音對宇航員心理狀態的診斷。若存在疑似異常情況，數據同步到專家醫生作進一步的分析并提出相應的建議，將向宇航員發出警報并反饋結果傳輸給宇航員。

3.2.6 用戶層

宇航員是核心用戶，同時還包括地面醫療中心、醫學專家、航天中心、政府等用戶。多方用戶通過航天遠程醫療系統，實時交互以及相關信息的共享與傳輸。

3.3 相關支撐因素分析

3.3.1 基礎設施建設

目前中國在網絡架構、傳感器、M2M等方面取得了一定的技術突破。物聯網關鍵技術，如傳感器技術和射頻識別（RFID）技術也已相對成熟，航天遠程醫療的發展具備技術基礎。但目前航天遠程醫療受太空特殊環境影響較大，目前設備和通信在失重狀態下的工作情況還需進一步完成地面試驗驗證及評估。作為載人航天屬于一個國家的核心技術，宇航員的個人身體狀況信息和航天器信息應得到隱私保護，建立信任的物聯網體系架構，規范隱私管控。

3.3.2 國家政策支持

國家大力進行載人航天實驗，構建空間站，同時對物聯網的重視，為航天遠程醫療的發展提供了良好的社會環境。國家政策的支持和相關條例的出臺，保證了航天遠程醫療的安全性，保障了宇航員的個人隱私和國家機密不被泄露。同時，刺激了醫療資源信息系統的融合，實現信息共享，形成遠程醫療物聯網的大數據庫。

3.3.3 新興技術的發展

物聯網，云計算，大數據等被視為第四次工業革命的到來，它們發展的成熟度對航天遠程醫療系統的發展也有影響。隨著收集到的數據量越來越大，種類越來越多，遠程醫療大數據時代必將來臨。面對海量的數據進行分析和數據挖掘，并提供隨時隨地的決策支持，云計算技術必不可少，建立地面醫療云平臺勢在必行。

此外，傳統的遠程醫療上單純的醫學參數分析，不足以全面反映宇航員的身體信息，更無法體現宇航員的心理狀態。后來增加了視頻和語音方式協助診斷，但同樣存在一定問題，很難從視頻中獲得可靠的，有意義的觀察，并向宇航員提供有效反饋。

受限于視頻流傳輸技術，目前視頻診斷主要應用在宇航員身份驗證上。傳輸3D視頻需要很高的網絡帶寬，3D深度數據的有效壓縮和傳輸仍是一個難以解決的問題。而視頻的實時性、深度和音頻傳輸對于實現方便有效的遠程醫療會話至關重要。針對以上問題，我們可以采取融合2D視頻流和高性能數據流的多通道通信的方式，其中前者用于提供普通的視頻咨詢，而后者用于提供被監控數據（如，運動數據）的實時流傳輸。由此，保障穩定有意義的視頻觀察，并能給宇航員有效的反饋。

4 結束語

本文分析了遠程醫療的發展及國內外載人航天遠程醫療相關技術的發展情況，并提出了一種基于物聯網技術的航天遠程醫療系統總體方案，該系統以宇航員為核心，全面保障宇航員在軌長時間執行任務過程中的身體和心理的健康。本文提出的設計方案，為我國載人航天遠程醫療系統日后的發展提供了設計參考。未來，航天遠程醫療技術一定會向系統化、人性化和智能化的方向發展，從航天大國邁向航天強國，中國航天遠程醫療的發展必不可少，抓住物聯網浪潮結合遠程醫療技術，早日建設完善的中國航天遠程醫療系統。

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作者簡介

尹子航（1994-），男，山東省德州市人。在讀碩士研究生。研究方向為計算機科學與技術。

作者單位

1.西安微電子技術研究所（航天771所） 陜西省西安市 710054

2.中國科學院 北京市 100864