智慧健康系統架構研究

庹兵兵，沈麗寧，金新政（華中科技大學健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

智慧健康系統架構研究

庹兵兵，沈麗寧，金新政*
（華中科技大學健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

近年來，隨著物聯網技術和云計算、大數據等概念的興起，信息通信技術與健康產業的融合越來越深入。本文在分析物聯網與云計算的體系架構基礎上，結合我國健康產業的發展的實際需求，構建了智慧健康系統的體系架構。針對智慧健康系統建設，本文從標準建設、傳感器研發以及隱私安全三個方面進行了深入探討。

智慧健康；系統架構；物聯網；云計算

0　引言

經過十幾年的努力，我國的醫療衛生信息化建設取得了十分顯著的成果，絕大部分醫療機構都引入了醫院信息系統（Hospital Information System，HIS）、實驗室信息系統（Laboratory Information System，LIS）、影像歸檔和通信系統（Picture Archiving and Communication Systems，PACS）等信息系統［1］。但是這些信息系統建設的主要目的是提升醫院的管理和醫療效率，降低醫療活動的成本。隨著社會經濟的發展，這樣傳統的以醫療機構為中心的信息系統構建顯然不能滿足人們日漸增長的健康需求，醫療服務模式也逐漸轉向以患者為中心［2］。另一方面，近年來智能手機的迅速普及，移動通信進入3G乃至4G時代也為以用戶為中心提供健康服務起到了極大的推進作用。隨著信息通信技術與健康產業的融合逐步深入，健康數據井噴式增長，大數據及云計算技術也運用到了醫療領域［3-4］。在此基礎上，物聯網技術的興起使得“互聯網+”醫療、智慧健康等概念隨之產生。如何運用新興信息通信技術進一步推進人口健康信息化發展，為人類提供更好的健康服務成為下一階段的重要發展方向。

1　智慧健康概念及核心技術

1.1智慧健康概念

信息通信技術在醫療領域的應用產生了電子健康（e-health）的概念，電子健康的發展也對降低醫療成本和提高醫療效率起到了至關重要的作用。在電子健康的基礎上，隨著移動設備的發展和普及，將醫療服務與帶有定位功能的移動設備結合成為一個可行的方案，移動健康（m-health）成為一個新的研究熱點。移動健康不僅具有電子健康所有的優勢，還具有可監控性，即時性和可及性等優點。近年來，隨著物聯網的興起和感知傳感技術的發展，智慧健康的概念隨著產生［5-6］。智慧健康是指以智能技術，健康技術，網絡技術為支撐，為人類健康提供服務功能的復雜動態系統［7］。

1.2醫療物聯網技術

隨著人類社會由工業時代買入信息時代，人們的醫療需求也由被動的醫療救治轉變為主動健康管理。不僅患者希望自身疾病能夠得到更加及時、專業的治療，普通的健康人也需要實時獲取自己的健康數據以便監測自己的健康狀態。尤其隨著我國工業化、城鎮化進程的加深，人口老齡化問題逐漸突出，疾病譜和生態環境發生變化，慢性病和公共健康問題成為新的主要健康問題。這也對社會健康服務提出了更高的要求，慢性病的自我管理以及公共衛生問題的監控與預警必須要借助信息通信技術的幫助。物聯網技術在其中就起到了關鍵性的作用。一方面，物聯網的標識技術可以實時快捷的識別各種與醫療相關的信息，實現全面互聯互通的信息化醫療系統［8-9］。智慧健康系統可以協助醫院工作人員實現對人的智能化醫療和對物的智能化管理工作，支持通過采用采集、處理、存儲、傳輸、共享等過程，最終實現醫院內部的醫療信息、設備信息、藥品信息、人員信息、管理信息的信息化等，實現物資管理可視化、醫療信息數字化、醫療過程數字化、醫療流程科學化、服務溝通人性化［10］。另一方面，物聯網的傳感技術可以通過設置在人體上的感知節點采集人體重要的健康數據參數。這些健康數據經過處理后經無線網絡傳輸給醫療遠程終端，醫生在遠程終端上獲取健康數據從而判斷用戶的健康狀況并進行反饋，即實現了遠程醫療服務［11］。

1.3健康大數據與云計算

健康領域的大數據主要由以下幾個方面構成：（1）生命的整體性和疾病的復雜性，具體包括疾病的遺傳和分子機制、基因和環境的交互作用以及病因學研究等數據；（2）醫院信息化迅速發展產生的諸如電子病歷、影像、檢查檢驗等數據；（3）基因檢測數據，隨著基因測序成本降低將大大促進基因測序數據的增長；（4）醫療物聯網建設，物聯網技術引入到健康領域，通過其感知技術和標識技術將采集大量的健康數據［12-13］。由此可見，傳統的數據庫技術完全無法滿足健康大數據在存儲、運算等方面的需求，傳統的數據分析方法也無法挖掘出其價值。利用云計算技術將是一個可行的解決途徑。根據美國國家技術與標準研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的定義，云計算是一種模型，它可以實現隨時隨地，便捷地，隨需應變地從可配置計算資源共享池中獲取所需的資源（例如，網絡、服務器、存儲、應用、及服務），資源能夠快速供應并釋放，使管理資源的工作量和與服務提供商的交互減小到最低限度［14］。在智慧健康系統構建中，需要運用云計算技術實現數據儲存、運算、傳遞，使用大數據的深度挖掘（deep mining）和知識發現（knowledge discover in database，KDD）等相關方法從數據中挖掘出有價值的信息，用以支持醫療決策，提供大規模流行病預警等［15-16］。

2　智慧健康體系架構

智慧健康系統的架構設計秉持著開放性、兼容性以及可擴展性的原則。在研究物聯網及云計算體系架構設計的基礎上，結合健康產業的實際業務需求，智慧健康系統的體系架構應分為五層，分別為物理層、感知層、數據層、網絡層、應用層，見圖1。物理層即為健康體系中涉及到的人和物。人包括醫生、護士、患者以及其他與健康相關或有健康需求的人員。物即為健康相關物資，包括醫療設備，藥品，醫用消耗品等健康相關的實體物品。感知層一方面是通過標識技術如RFID對健康相關實體進行標識，以便后續的計算機化的管理；另一方面是通過傳感技術如可穿戴設備，從感知節點獲取人體的健康數據并上傳。考慮到健康數據的復雜性和精準性的要求，感知層對采集的數據需要進行初步的加工，對數據的標準化程度決定了后續分析處理結果的可靠性，顯得尤為重要。數據層主要指在醫院內部信息化系統基礎上形成的大數據與云計算平臺。數據層應具有開放的接口以供各數據平臺之間的數據互聯互通，實現真正意義上的云存儲和數據共享。網絡層主要針對數據的傳輸和安全保密。隨著移動通信技術的迅速發展，網絡傳輸的方式多種多樣，既有有線網絡也有無線網絡，通過無線WiFi、3G/4G移動網絡、局域網和Internet等，實現全方位的網絡覆蓋。應用層可實現的功能多種多樣，例如健康監測、流行病預警、電子病歷瀏覽、遠程醫療等等。

圖1　智慧健康系統架構圖

3　討論

3.1加快產業標準建設

智慧健康涉及到醫療、計算機、通信、物聯網、大數據等諸多領域，如何促進各個領域內部及相互之間的互聯互通是智慧健康亟待解決的第一個問題，加快推進各領域的標準建設就顯得尤為重要。針對智慧健康架構而言，標準建設主要集中在以下幾個方面：（1）物聯網領域的標識體系、采集數據的標準化；（2）衛生保健領域的術語、數據字典、共享文檔等諸多標準；（3）大數據領域的數據庫結構、數據庫接口標準等；（4）通信領域的網絡接口標準，運行環境安全性標準等。行政管理部門應發揮其主導作用，促進各交叉行業間的合作，組織專業人員，加快相應標準規范的制定［17-18］。

3.2加快傳感器的研發及產業化

由于醫療本身的復雜性、敏感性以及隱私性，對醫療和健康管理專用的各類傳感器提出了更高的要求。在加快傳感器研發及產業化的過程中需注意以下三個問題：第一，醫學是精準科學，對健康數據的精度要求非常高，傳感器務必保障其數據真實準確［19-20］；第二，無線網絡環境十分復雜，通過WIFI和移動3/4G傳輸數據安全性和傳輸效率均無法保證，如何使得健康數據及時高效且不失真的傳輸需要引起重視［21-22］；第三，目前市場上在用的健康專用傳感器基本都是通過私有協議與封閉專用平臺對接，開放性差，缺乏行業公認的公用協議，中國移動已經在前幾年推出了規范物聯網終端與M2M 平臺間數據通信和用于終端規范管理的WMMP協議，值得智慧醫療產業在發展專用傳感器時借鑒［23-24］。

3.3注重隱私安全

智慧健康系統的數據來源十分復雜，采集到的數據可能不止反應了個人的健康狀況，還可能顯示其興趣愛好、社會地位、家庭住址、收入、宗教信仰等等。尤其當這些相當私密的信息與健康數據夾雜在一起，更加加大了數據處理的難度［25］。對于個人隱私數據的保護，一方面要從技術上進行探索，在數據流通的每一個環節，應用隱私安全保護的工具和方法；另一方面需從政府監管和法律層面入手，出臺相應的法律法規，明確個人隱私數據的邊界和監管的實體職權部門，對隱私泄露行為嚴厲打擊。希望通過各方共同努力，智慧健康系統能夠更安全、更智能，更好的為人民提供方便快捷高效的健康服務。

［1］常戰軍，顧建欽，顧正，等.HRPS數字化醫院管理系統設計［J］.北京生物醫學工程，2003，22（1）:48-51.

［2］Solanas A，Patsakis C，Conti M，et al.Smart Health:A context-aware health paradigm within smart cities［J］.IEEE Communications Magazine，2014，52（8）:74-81.

［3］張鑫.基于IEEE11073標準的智慧醫療系統架構研究［D］.河北聯合大學，2014.

［4］鄭西川，孫宇，于廣軍，等.基于物聯網的智慧醫療信息化10大關鍵技術研究［J］.醫學信息學雜志，2013，34（1）:10-14.

［5］Holzinger A，R?cker C，Ziefle M.From Smart Health to Smart Hospitals［M］//Smart Health.2015:1-20.

［6］Koutkias V，Thiessard F.Big Data - Smart Health Strategies［J］.Yearb Med Inform，2014，9:48-51.

［7］劉毅.基于智慧醫療的個人健康門戶系統設計與實現［D］.電子科技大學，2012.

［8］宗文紅，周洲，張濤，等.區域人口健康信息平臺建設模式研究［J］.中國衛生信息管理雜志，2014（5）:440-442.

［9］Toubiana L，Cuggia M.Big data and smart health strategies:findings from the health information systems perspective.［J］.Yearbook of Medical Informatics，2014，9（1）:125-7.

［10］Skubic M.Smart health vital signs from the smart home［C］//IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communication Workshops.IEEE，2015.

［11］劉謙.區域性醫學數據中心的系統結構設計［J］.中國醫療設備，2007，22（11）:53-54.

［12］張鋒.人口健康信息化建設的實踐與探索［J］.中國信息界，2015（2）:39-41.

［13］劉心武，孟潔.數字化醫院信息管理系統的結構與作用［J］.中國商界，2009（8）:101-102.

［14］宮芳芳，孫喜琢，林君，等.我國智慧醫療建設初探［J］.現代醫院管理，2013，11（2）:28-29.

［15］胡新麗.物聯網框架下的智慧醫療體系架構模型構建——以武漢智慧醫療為例［J］.電子政務，2013（12）:24-31.

［16］于波，史彥斌，孫景海，等.信息化區域協同智慧醫療體系建設［J］.中國數字醫學，2013，8（1）:98-100.

［17］Wahaishi A M，Samani A，Ghenniwa H.SmartHealth and Internet of Things［M］//Inclusive Smart Cities and e-Health.Springer International Publishing，2015:373-378.

［18］Meyer J，Boll S.Smart health systems for personal health action plans［C］//IEEE，International Conference on E-Health Networking，Applications and Services.IEEE，2015.

［19］Pin M，Zelaya D，Cruz J，et al.From Smart Phones to Smart Health［M］//World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering，June 7-12，2015，Toronto，Canada.Springer International Publishing，2015:1409-1411.

［20］施建偉.智慧健康物聯網體系架構研究［J］.中國高新技術企業旬刊，2015（12）:7-8.

［21］李建功，唐雄燕.智慧醫療應用技術特點及發展趨勢［J］.醫學信息學雜志，2013，18（6）:1-7.

［22］向鵬成，陳偉.智慧醫療體系架構設計［J］.東方食療與保健，2015（6）.

［23］陸偉良，杜昱，侯惠榮，等.智慧醫療的現狀及發展［J］.中國醫院建筑與裝備，2016，17（3）:82-84.

［24］智勇，段宇.智慧醫療產業結構及發展現狀探析［J］.現代管理科學，2015（9）:52-54.

［25］薛青.智慧醫療:物聯網在醫療衛生領域的應用［J］.信息化建設，2010（5）:56-58.

Smart Health System Architecture Research

TUO Bing-bing，SHEN Li-ning，JIN Xin-zheng*
（Research Centre of Health Information Resource，HUST，Wuhan 430030 Hubei，China）

Recently，with the popular of the Internet of things，cloud computing and big data，the fusion of information and communication technology and health industry is more and more deep.Based on the analysis of the framework of Internet of things and cloud computing，combing with the actual needs of the development of health industry in China，this paper constructed the smart health system architecture and discussed from the standard construction，sensor research and Security and Privacy.

Smart health；System framework；The Internet of things；Cloud computing

“國家科技支撐計劃項目”資助（項目編號：2008BAI52B00）

庹兵兵，男，碩士研究生在讀，研究方向：衛生信息管理；

金新政，男，華中科技大學同濟醫學院 管理學教授，研究生導師，系華中科技大學健康信息資源研究中心主任。主要研究方向是信息管理、衛生事業管理和軟科學。