醫療衛生物聯網體系結構和關鍵技術

陳書敏　楊群

摘要：本文對醫療衛生物聯網的體系結構提出自己的方案，討論了關鍵技術，總結了當前的研究現狀，分析了存在的問題，提出了相應建議，以期達到醫療衛生的信息與服務普適共享，廣大民眾普遍受惠的目的。

[關鍵詞]醫療衛生物聯網體系結構關鍵技術

1引言

隨著社會的發展人們越來越關注自身的健康，到醫療衛生機構享受服務的人也越來越多，醫療衛生行業也隨之不斷地發展壯大。

當前，全世界面臨著一系列醫療衛生服務性的社會問題。如：人口老齡化、醫患矛盾突出等。考慮到我國人口基數大，醫療衛生機構信息化所涉及的對象多，勢必產生海量數據。即使一個微小的漲幅都能讓其數據呈爆炸式的增長。在這些爆炸式增長的海量醫療數據中尋找有醫學價值的信息是一項更為艱巨復雜的工程。為了解決此類問題，推動現代醫療衛生服務模式的應用，提供優質的醫療衛生服務，須借助于物聯網技術，構建區域信息網絡，實現全程監督管理醫療衛生服務。

醫療衛生物聯網是指將患者、各級醫療衛生機構、藥品以及各種醫療衛生器械和設施用物聯網和通信技術連接起來，支持醫療衛生數據和設備的自動識別、采集分析、跟蹤定位、數據共享等功能，讓人民群眾享受智能化醫療衛生服務。它的應用能為全民在自我健康管理的同時提供了有針對性、連續性、綜合性醫療衛生服務。

2體系結構

2.1結點類型

為了構建物聯網的體系結構，首先需要劃分網絡結點的類型。物聯網中的結點分為無源CPS（cyber-physicalsystems，物理設備聯網系統）、有源CPS和互聯網CPS三種。根據不同CPS結點的特點和用戶的需求，選擇相應的類型。如：在家享受全科服務病人網上刷卡掛號，因其只需發送信息，故適宜采用無源CPS結點類型;以解放軍總醫院的病區智能監控系統為例，移動護士站可實時查詢醫囑、檢查，錄入患者的生命體征，故適宜采用有源CPS結點類型;而每個病房監控中心因其位置固定且需要監控和定位，故適宜采用互聯網CPS結點類型。

2.2醫療衛生物聯網的三層架構

在上述基礎上，依據醫療衛生的特點，按照物聯網通用的三層體系架構進行劃分（具見圖1）。

2.2.1感知層

感知層劃分為兩個子層：數據采集子層、接入子層。

數據采集子層利用各種技術手段和設備將網內涉及的對象改造成CPS結點。例如，無源CPS結點：通過掃描醫護人員的RFID（RadioFrequencyIdentification，射頻識別技術）職工卡識別其的身份信息;有源CPS結點：讀取普外科病房患者身上的傳感器獲取其生理信息;互聯網CPS結點：查看控制中心的監控了解其運行狀況。

接入子層是將采集的數據進行傳輸，并接入到網絡層。雖然接入子層的接入方式多種多樣，但須依據不同對象不同的需求選擇適宜的主接入方式。例如：醫技科室經常要傳輸患者的影像視頻，這類數據傳輸量大、品質要求高、響應速度快適宜以同軸電纜或光纜接入為主;移動護士站通常在不同病房護理，醫療地點不固定，加之日常傳遞的數據量較少適宜以無線網絡接入為主。社區衛生服務中心通常處理常見疾病，傳遞的數據量較少但使用地點固定，適宜以固定寬帶接入為主。

2.2.2網絡層

網絡層分為三個子層：有源CPS網絡、中間件、云數據中心。

有源CPS網絡即在通信網絡、信息中心、網絡中心基礎上實現有源CPS結點與其他CPS結點互連互通，同時，保證信號的可靠性、準確性。

在有源CPS網絡系統之上，設計和實現有源CPS結點的用戶管理、結點監控、信息處理等功能，進而建立一個面向某個具體應用的物聯網中間件。

物聯網應用中間件主要實現各種數據格式的統一、信息的集成，并以此基礎構建服務支撐平臺，為應用層各類服務提供開放的接口，供第三方開發應用，方便相關人員的使用。

2.2.3應用層

應用層分為兩層，云數據中心和應用系統。云數據中心將中間件傳遞過來的數據進行處理，并提供各種服務。在此基礎上形成了各種應用，進而構建應用系統。應用系統如圖2所示，它分為基本和特定應用。基本應用包括掃描、監控和查詢型;特定應用系統包括管理、決策和分析型。如醫用耗材監控、醫院門禁控制屬于基本應用;門診管理、智能藥物使用提示屬于特定應用。

特定應用是核心，它利用云數據中心進行數據挖掘，為用戶提供智能管理和決策。以智能藥物使用提示為例：一方面，智能醫療儀器時刻關注患者用藥情況;另一方面，智能終端隨時跟蹤患者的行蹤，并根據患者的歷史行動特征數據預測他未來的行為。一旦預測到患者要違反某些禁忌則立即發出警告。

應用系統的采用客戶機/服務器與P2P（PeertoPeer，對等網）的混和網絡模型。客戶機/服務器模型：掛號時，服務器核實患者身份無誤后，方能進入物聯網;P2P模型：掛號成功后，與在線的醫生建立聯結，患者將自己的生理信息通過傳感器傳送過去;醫生據此進行診治。

3關鍵技術

3.1標準建設

正如前述的跨區域、跨平臺、跨異構網絡等特點，須建立完備的標準體系，從而為其產業化推廣和應用示范提供依據。

標準化建設，首要的應根據《全國專業標準化技術委員會管理規定》成立醫療衛生物聯網標準化技術委員會，統一全面負責標準的制修訂工作。

主要內容如下：

（1）技術標準特別是信息化標準，如醫

療衛生信息術語標準、醫療衛生信息分類編碼標準、數據交換信息標準等;

（2）服務管理標準，如醫療協作服務標準、社區服務標準等。

3.2PML服務器

電子標簽只存儲EPC（ElectronicProductCode，電子產品碼），用戶通過EPC在PML（PhysicalMarkupLanguage，實體標識語言）服務器查詢到與之對應的信息。采用此法可有效減少存放的信息，減小所需的內存，降低標簽的成本。同樣的，使用PML來記錄和存儲信息可提高嵌入式電子病歷輸入和檢索效率。

Soap（simpleobjectaccessprotocol，簡單對象訪問協議）是PML重要組成部分。它被設計在Web上用于交換結構化信息，能兼容不同軟件接口。這樣使得數據在傳遞過程中不需要轉換和確認，實現了物聯網中各個異構網絡之間的互操作性，信息資源的共享，能有效解決“數據孤島”問題。

PML服務器結構圖（圖3），功能如下：

（1）實時數據更新：當CPS結點被標識、

采集時，此時狀態將存放在PML服務器中，以便隨時查詢。如通過掃描病人的手環，其生理信息將存放在PML服務器。

（2）結點狀態信息查詢：實現CPS結點運動變化狀態的監控，以便跟蹤定位。如通過輸入病人的電子標簽可以定位他的位置，了解其生理狀態。

（3）原始數據查詢：查詢每個CPS結點對應產品的出廠信息，以便防偽、溯源追責。

3.3嵌入式電子病歷

使用RFID和無線傳感網絡技術，運行在無線終端設備上的嵌入式電子病歷系統是實現醫療無線移動診療的關鍵，也是物聯網的關鍵。

嵌入式電子病歷不同于傳統醫院信息系統下的電子病歷，主要包括對外信息（如病人身份信息、病人生理信息）和對內信息（如藥品消耗量、儀器設備的使用率）的存儲。

目前，國內外關于嵌入式電子病歷的相關研究還是處在初步階段。按基于技術平臺劃分有XML、RFID技術和ZigBee協議、安卓、藍牙技術和Petri網。

嵌入式電子病歷在應用過程存在著存儲效率問題和“數據孤島問題”可使用前述PML服務器解決。

3.4異構網絡融合技術

首先，完全拋棄已有的各種異構網絡，重新配置網絡，形成醫療衛生物聯網。這樣做費時費力，對現有網絡的融合是較可行的辦法。其次，各種異構網絡不能有效地互聯互通，產生了許多信息孤島，從而無法提供高品質通信服務影響用戶的使用，極大地削弱了整個網絡的功效。故，異構網絡融合技術是必備的關鍵技術。

現在主流的異構網絡融合技術有以下六種：IP核心網、互聯網網關和移動IP、多無線電協作、無線自組網、認知網絡、物聯網網關異構網絡融合。

一方面考慮到不同機構、不同人員各自不同的需求，另一方面要充分利用各種異構網絡不同特性進行互補;考慮到網絡建設成本、部署方便性等因素。結合這兩個方面選擇適宜的融合技術，如住院部的移動護士站因其工作的特點，傳輸數據的需求，主要接入網絡方式的特性適宜采用多無線電協作的異構網絡融合技術。

3.5信息安全技術

信息安全的重要性不言而喻，須構建多層次、多級別的信息安全技術體系。下文按數據處理過程來逐個論述。

數據感知輸入方面：醫療設備會受到RFID系統產生的電磁干擾，影響其安全使用。

據《美國醫學協會雜志》報道，在無源868MHz和有源125MHzRFID的環境下，9個輸液/注射器泵中有6個無法工作，兩個腎臟替代裝置也喪失了正常工作能力。

解決方法：

（1）降低外部電磁的干擾。要在諸如監護病房這樣的醫療環境下使用RFID，須依照最新的國際標準進行電磁干擾的現場測試。這樣可以查找干擾源，采用相應的抑制干擾措施。

（2）采用新技術新材料進行電磁屏蔽設計，最大程度地提高抗干擾能力。

（3）在2.4GHz頻段內，RFID與醫療設備常用的頻率、信道存在著重疊。故RFID采用其他頻率如超高頻頻段來規避鄰近頻段信道互相干擾，提高RFID系統的抗多徑干擾能力。

（4）RFID讀寫器盡量使用線性電源供電，而非開關電源。因為后者對周圍電子儀器所產生的干擾遠強于前者。

數據存儲處理方面：防止黑客竊取、篡改或破壞原始數據。

解決方法：

（1）對原數據進行干擾、匿名化等處理。這樣可以讓包含個人隱私的信息隱藏起來，同時又保持原有的數據分布特點，方便研究機構研究分析。

（2）對數據庫關鍵、敏感數據的保護是重中之重。對網關進行多重加密技術。即使出現泄密情況，也只能獲得加密數據，不至于影響到現有工作的運轉。

（3）對重要、關鍵性數據進行備份。一旦發生篡改或破壞，可采用災難恢復技術進行恢復。

（4）使用量子通訊技術保證數據的安全性。

考慮到數據獲取方面的特點：RFID標簽中數據的讀取，是非接觸式的。這引發了人們對自身個人隱私泄漏的擔心。

解決方法：

（1）訪問控制環節保護技術。讓不同的訪問主體（用戶、服務等）對不同的訪問客體（電子病歷、健康檔案等）有著各自不同的訪問權限，防止其越級越權的訪問。

（2）通過立法來保障患者的隱私權，與此同時，大力宣傳相關法律提高民眾的隱私保護意識。

3.6成本的降低技術

醫療衛生物聯網實現、推廣的最大瓶頸是電子標簽成本過高。雖然每枚標簽的成本已跌到1美元以下，但對數量眾多，像棉簽、注射器這樣價格低廉的醫療用品來說，仍被視為一個成本障礙。此外，還需要許多與RFID技術相配置的軟硬件，這些成本也不小。

解決方法：

（1）通過新技術提高生產效率，減少不必要的投入，形成集約化生產從而降低標簽成本。

（2）芯片是標簽的核心。國產芯片集中于中低端，高端芯片嚴重依賴進口。據不完全統計，現在的芯片接近80%都源自國外。我國的集成電路設計業處于起步階段，且在芯片制造的先進工藝方面，與國外龍頭企業相比至少差了1到2代。故應大力發展芯片制造業，提高芯片國產率，降低標簽成本。

（3）建立健全“回收與利用”的激勵管理體制鼓勵人們對廢棄電子標簽的回收與再利用。

（4）由前述可知，使用PML服務器可以降低標簽的成本。

（5）開發使用可重寫或反復粘貼使用電子標簽。

3.7擁塞解決技術

無線通信系統的通信機制是基于典型的終端密度進行設計，一般在5MHz帶寬下能夠承載200個終端;而物聯網醫療終端的規模可能是現有手機數量的兩個數量級以上。這樣勢必造成無線網絡的信令和流量的擁塞。

擁塞可分為結點級、區域級和無線鏈路級的擁塞三種，產生主要原因：存儲空間不足、帶寬容量不足、處理器間處理能力和速度不一致。

解決方法：

（1）物聯網中傳輸的信息須根據不同的需求結合信源特性采用不同的傳輸介質，進而采用相應的擁塞控制機制。

（2）應用符合傳感器網絡特點基于中間件的擁塞控制機制。

（3）不斷優化擁塞控制機制，正確區分擁塞丟包和誤碼丟包，提高數據傳輸的穩定性和可靠性。

4總結

針對我國人口基數大、醫療衛生機構信息化所涉及的對象多、醫療資源分布不均衡、醫療服務質量亟待改善等一系列醫療衛生服務問題，本文結合了和物聯網兩者的特點，提出了醫療衛生物聯網的概念。同時，對醫療衛生物聯網體系結構及構建其過程中所用到關鍵性技術進行了初步探討。基于這些，今后可以設計、實現出相應的醫療衛生物聯網系統，從而為人類提供更安全更有效的“智慧醫療服務”。

誠然物聯網技術發展很快，但是由于研究時間及研究精力的因素限制，本人的學術研究論文也存在一定的局限性，因此本次研究論文還缺乏深入的研究，研究中存在著不足之處，例如當前物聯網技術已經與人工智能、5G技術結合起來了產生了新應用，而這些最新應用在文中沒有涉及到。希望能夠在未來的醫療衛生物聯網的研究中更加深入完善。

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