光纖傳感技術在醫療物聯網中的應用

白 巍，來 婷，吳勁蕓，漆 顥

（1.湖北中醫藥大學，湖北 武漢 430065；2.武漢郵電科學研究院有限公司烽火科技學院，湖北 武漢 430070）

0 引 言

物聯網的概念最先是由美國麻省理工學院的Ashton教授研究射頻識別時提出來的。物聯網即物物之間的互聯網絡。2008年，IBM公司基于物聯網的概念提出了“智慧地球”的思想，目的是把物聯網技術應用到各行各業之中，也就是把物聯網傳感系統中的感知設備—傳感器嵌入到全球的各種系統中。物聯網技術的全面感知物體和可靠傳送信息實現了地質測量、礦山開采監測、地震監測、地質災害監測、智能交通、城市管理、遠程醫療等。智慧醫療就是物聯網在醫療領域應用的產物。

在我國的“十二五”規劃及“健康中國2020戰略”中物聯網被計劃用于醫療衛生系統，醫療物聯網可以幫助醫院實時監控病人的健康，監護病人生命體征參數，并及時給出警示和建議，同時也可以有效調動醫療系統的醫療器械、救護車輛、運輸車輛、管理人員等，實現智能化運營管理。醫療物聯網不僅有效節約了社會資源，也大大推進了醫療衛生系統的運轉速度[1-2]。

1 醫療物聯網發展及應用

1.1 醫療物聯網的國內外發展現狀

20世紀80年代，少數西方國家已經逐步成為老年型國家，因此對于智慧養老的研究已經進行了一段時間，最早提出“智慧養老”概念的是英國生命信托基金。在一項調查中顯示，相對于外出就診，人們更喜歡居家遠程就診，節約時間、減少不方便出行。醫療專用機器人可以和患者進行日常交談，慰藉和緩解心情。智能可穿戴設備能保證長期在線監測生命體征參數，實時上傳給家庭醫生和親屬，按時提醒患者服藥、行動訓練等。智能化住宅的研究也有一定成果，英國赫特福德郡大學的研究學者開發的“交互屋”和日本企業開發的看護服務智慧養老系統都可以實現監控患者和老年人的日常健康以及訓練康復，一旦出現異常情況便會自動發出緊急求救信息。

在我國，國家政府和各個部門積極推動智慧醫療的發展，未來幾年將是中國智慧醫療建設飛速發展的時期。2016年，國務院下達《關于促進和規劃健康醫療大數據應用發展的指導意見》，建立國家醫療衛生信息分級開放應用平臺，實現跨部門、跨地區的數據融合和資源貢獻，取得明顯成效。2016年又提出《“健康中國2030”規劃綱要》，以及2018年《關于促進“互聯網+醫療健康”的發展意見》《互聯網診療管理辦法》《遠程醫療服務管理規范（試行）》等一系列人工智能治療新模式新手段的推進，建立快速精準的智能醫療體系政策，健全“互聯網+醫療健康”服務體系，完善支撐體系，加強行業監管及安全保障，為遠程醫療服務，同時為醫療物聯網的發展提供了保障。

隨著移動互聯網的發展，未來醫療向個性化、移動化方向發展，智能膠囊、智能護腕、智能健康檢測產品將會廣泛被應用，借助智能手持終端和傳感器可以有效地測量和傳輸健康數據[3-10]。

1.2 醫療物聯網的應用研究

（1）家庭醫療，即在家里提供健康狀況監控的網絡系統，患者可以隨時和醫生遠程溝通，擬定長期居家治療監控場景，同時通過大數據、自行分析和診斷輕癥，實現普通癥狀的自行治療和慢性患者及老年患者的長期遠程監控和治療。如智能穿戴，即以監控健康為目的，布置在穿戴上，監控血壓、心率、血氧飽和度等生命體征變化參數，通過無線網絡傳輸監控數據，使醫生隨時掌握患者健康情況，尤其是應用于老年人的身體健康情況的長期監測。

（2）醫院醫療，即在醫院就診過程中，首先進行前期智能診斷，通過智能醫療器械對患者陳述的病情及先導醫療數據進行分析，再結合醫院實時醫生在線數據及專業特長等進行綜合分析，給出患者先導治療方案，如根據基本數據得出需要先做一些前期器械檢查，那么患者可根據智能醫療分析數據去做CT等輔助治療的器械檢查，減少了醫生初期診斷的擁塞問題，緩解就診過程長、醫生缺乏的現象，根據初步檢查結果，大數據分析后給出基本治療方案，或者重癥患者直接安排就醫治療。

（3）研究醫療，即實驗室醫療研究，醫療研究數據可作為試驗階段數據進入醫療數據分析庫，具有醫療數據分析的參考作用，并在給出結果中標注研究時間及案例反饋，幫助患者及醫生分析病情，以解決目前醫療研究到應用的周期長以及反饋完善不及時的問題。這樣將研究和反饋機制有效結合，加快了醫療研究進程。

同時，醫療物聯網可以降低公眾醫療成本，提升醫療診療流程的效率。隨時監護病人各項指標，給出建議，有效管理整個醫院的運營，對醫院人員、后勤車輛和安全保障實行智能化合理、細化管理。結合物聯網技術、云計算技術和大數據技術等對所有醫療數據進行分析、整合和處理。因此，醫療物聯網在未來必定會井噴式的發展，用戶量迅速提升[11-21]。

2 光纖傳感技術在醫療物聯網中的應用研究

光纖本身不帶電，抗電磁干擾，輕巧，可彎曲，抗輻射、抗腐蝕性能好，適用于空間受限制、強電磁干擾、易腐蝕等特殊環境。因此，選擇光纖傳感技術來解決物聯網傳感系統在惡劣環境中的數據采集、數據傳輸及檢測十分重要。復用能力是光纖傳感技術另一個顯著的特點，可以實現在單根光纖上復用許多傳感器，組成光纖傳感網絡。光纖傳感網絡采用光信號作為傳感信號的載體，傳播速度快，有助于提高物聯網的信息提取速度[22-23]。

2.1 利用光纖抗電磁干擾、體積小等優點實現在智能穿戴中的應用

將智能襯衫、腰帶、腕表、呼吸運動傳感器等日常用品嵌入傳感器，能夠搜集個人的生命體征數據，如心跳、體溫、呼吸頻率、血壓等健康信息，存儲并傳送，通過處理分析后存儲信息到居民電子健康檔案中。也可以應用在輪椅上進行心跳監測以及人機交互，收集數據滿足傷殘人員的生活需要和處理危險狀況。相比于傳統的電子機械傳感智能穿戴系統，光纖型傳感器是具有體積小、有彈性，可以將光纖傳感器融入織物，實現與普通衣物一樣但卻可以進行實時在線監測的健康穿戴設備，尤其是光纖不受電磁場干擾，患者穿戴后也可進行磁振成像，這樣智能穿戴可以長期不間斷地監控患者信息。

2.2 利用光纖強大的復用能力實現在醫療設備中多點多參數的監測

醫學治療氣體-氫氣的治療方法可以通過吸入式治療，即通過醫學面罩或者鼻導管使氫氣通過呼吸環路進入人體。然而，氫氣很容易泄漏以及氫氣在空氣中或者純氧中含量高于4%時，容易發生爆炸事故。同時，吸入式氫氣醫學治療過程中醫學面罩和鼻導管空間狹小，要實現監測和控制氫氣儀器中環境的濃度、氫氣均勻性，以及空間中溫濕度的變化等多個參數，對傳感器防爆、體積小、多點、多參數的能力要求非常高。那么，利用光纖具有體積小、質量輕、可彎曲、本質安全防爆、單根光纖上可復用上萬個多參數的傳感器，可以在狹小空間內，或者氫氣、溫度、濕度等傳感網絡實現實時在線監控，精準治療。加拿大FISO公司的基于光纖的醫學溫度、壓力等傳感器進行血管內血壓監測、肌肉監測倉壓力監測、顱內壓監測/宮內壓力監測、椎間盤壓力/眼壓等完全不受EMI和RFI影響，已經廣泛應用于心血管科、腸胃科、藥物學等醫療領域。

2.3 利用光纖的光信號傳輸速度快，實現醫療網絡中海量數據快速安全的采集、處理和傳輸

光纖網絡是以光信號傳輸，相比于弱電信號的傳輸，最大的區別是傳輸介質不同，同時光纖抗腐蝕、本質防爆的特點可以保證光纖在傳輸過程中不受惡劣環境影響，安全快速地傳輸信息，尤其是光纖傳輸聲音、圖像等游刃有余，為遠程醫療中醫生在線指導就醫提供了保障。還有長距離的傳輸需要大量的光纖網絡，而傳輸光纖制作成本較低，大大降低了醫療物聯網成本。

3 結 語

綜上所述，將光纖傳感技術中光纖的體積小、本質安全防爆、抗腐蝕、抗強磁強電干擾、傳輸速度快等特點，與物聯網技術中網絡技術、傳感器技術、電子技術、軟件技術等萬物互聯的特點融合到醫療技術中，實現了醫療物聯網移動醫療服務、遠程醫療服務和智慧健康醫療服務，為健康中國提供了堅實保證。