智慧健康系統關鍵技術研究

洪紫映，鄧朝華，金新政

（華中科技大學健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

智慧健康系統關鍵技術研究

洪紫映，鄧朝華，金新政*

（華中科技大學健康信息資源研究中心，湖北 武漢 430030）

健康服務需求的不斷增長給醫療健康行業帶來了挑戰，而新興的信息化技術為解決這類問題提供了契機，智慧健康在這種發展背景下應運而生。智慧健康系統以技術為支撐，可以實現醫療機構、醫生和個體間的高度互聯和協作，本文以智慧健康系統的三層結構分類為基礎，分析了系統中各層所涉及的關鍵技術，以期對智慧健康系統的開發研究提供技術類型方面的參考。

智慧健康系統；系統架構；關鍵技術

0 引言

社會經濟水平的提升促進了居民對健康的關注，而面對逐年增長的老年人口以及高血壓等慢性疾病，居民的健康需求不斷增長而且在健康管理方面已不再局限于傳統的醫療機構，更多地尋求日常生活方面與醫療服務提供方的整合，獲取更全面的醫療健康支持。科學技術的發展給諸多行業帶來了新的增長點，一些新興技術應用到醫療健康領域，可以為人民提供更廣泛、高效和智慧的醫療健康服務，有效增進居民的健康水平，滿足健康需求、更好地進行健康管理。各種新興的技術給健康服務的優化整合提供了有利的條件，健康服務也逐步向著科技化、個性化甚至是智慧化的方向發展。在物聯網的和感知傳感技術的不斷發展的基礎上，智慧健康的概念應運而生［1］。

1 智慧健康系統

智慧健康是生命科學和新興技術融合產生的交叉學科，主要指利用小型傳感裝置測量用戶的生活和健康狀況，在日常生活中通過網絡收集數據，是增加預防保健的需求以及健康發展新趨勢［2］，也有助于進行健康評估和管理。智慧健康是以智能技術、健康技術、網絡技術等創新科學技術為支撐，為人類健康提供服務功能的復雜動態系統［3］。智慧健康系統一般由三層結構組成［4］，底層為感知層，該層主要是各類健康信息的產生端口，通過各類傳感器采集數據、再由依據短距離通信協議將信息集中到個人服務器，這類信息主要來源于醫院的醫療設備以及個人的健康設施及app等；中間層為網絡層，將感知層的數據進行整合后傳輸給應用層，這一階段主要進行各類網絡系統的信息整合和交換，網絡層主要實現健康數據的安全上傳，并及時給用戶必要的反饋；頂層為應用層，主要進行健康信息和數據的分析，面向健康服務的利用者，為其提供基礎的健康服務或將健康數據開放給第三方來提供更多樣的應用和服務，分為健康醫療行業的應用和個人的應用兩大類，系統的框架如圖1所示。

圖1 智慧健康系統框架

2 關鍵技術

智慧健康涉及的技術非常廣泛，其中物聯網技術是智慧健康的核心，對智慧健康系統的各層都有重要影響。物聯網（The Internet of Things，IoT）是在現代無線通信背景下發展起來的新型范例，其基本思想是利用我們周圍普遍存在的特定感知器，諸如射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification），傳感器，移動電話等，根據其獨特的尋址方案實現物體間的聯系，進一步實現共同的目標［5］。物聯網可以實現物體和物體間的網絡連接，主要利用RIDF技術、傳感技術以及定位技術等對各類物品進行感知和識別，獲取物品的各類信息，這類信息既包括物品本身的信息也涉及對周邊環境的感知，獲取信息后利用各類技術對信息進行分析處理，從而提高對物理環境的認知并為決策提供依據，可以認為智慧健康是物聯網的發展在醫療健康領域的重要表現形式。

圖2 智慧健康系統關鍵技術結構圖

以系統各層的分類為視角，認為各每層都有其必要的關鍵技術。如圖2所示，感知層的技術主要以數據采集和傳感技術為主；網絡層以網絡技術為核心并涉及云計算等技術；應用層則以數據處理技術和安全隱私技術等為關鍵。

2.1 感知層關鍵技術

感知層是智慧健康系統中與個體緊密聯系的一端，從智慧健康的流程和架構而言，它需要把人體的生理或病理狀態轉化成可利用的數據信息，可以認為感知層是智慧健康系統的基礎。感知層是對個體健康感知的過程，主要目的是進行健康數據的收集，主要涉及的技術包括RFID技術、傳感及傳感網絡等末端智能感知技術。

RFID射頻識別也被稱為電子標簽，這一技術興起與20世紀90年代，主要指利用射頻信號通過空間耦合來實現無接觸的信息傳遞，并根據其傳遞的信息進行識別［6］。當可識別的標簽進入對應的閱讀區時，接收器便可以收到閱讀器發出的特定射頻信號，感應到其內部存儲的對應物品信息，閱讀器對信息進行讀取和解碼后，將信息傳輸到信息綜合系統進行相關數據處理。應用到智慧健康領域，可以對個體可以進行定位管理，在醫院方面則在檔案管理、藥品安全方面有重要意義［7］。

傳感技術是利用傳感器件探測人體各器官的醫學生物信號并按照規定格式轉換為可以使用醫學數據的技術［8］。傳感技術需要傳感器和傳感網絡間兩者間的協同感知，獲取傳感網絡區域中的被感知對象的信息并進行處理。傳感器件可以感受到需要被測量的信息，同時可以實現對檢測獲取信息的轉碼，將其轉換成可以識別的信號，傳感終端是實現智慧健康的重要環節。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量傳感器節點通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織網絡系統，目的是實現對感應區域網絡中對象的協作感知、采集和處理，可以實現數據的量化采集、融合性處理以及傳輸［6］。體感網（Body Sensor Network，BSN）作為無線傳感器網絡的一個分支，是人體上的生理參數收集傳感器或移植到人體內的生物傳感器共同形成的一個無線網絡［9］。體感網中的傳感器節點可以對一些重要的身體生理信號（如體溫，脈搏，血糖等）進行采集，這種信息還包括人體活動及動作方面，甚至是人所處的環境［9］，是目前發展智能穿戴設備的技術基礎。體感網中一般涉及的節點如圖3所示。

圖3 體感網中傳感器節點示意圖［9］

2.2 網絡層關鍵技術

網絡層是把感知層收集的數據傳輸到數據計算中心的一個過程，它的另一過是將數據從中心轉入智能化控制設備，網絡層是智慧健康系統的一個中間階段，有著承上啟下的作用。網絡層中的移動通信網絡所涉及的各項技術可以提高健康服務的便捷性和效率，主要應用的關鍵技術有：網絡通信技術、網絡融合技術、云計算等。

網絡是智慧健康系統進行信息傳遞和支撐服務的基礎性設施，利用廣泛的互聯網功能可以實現信息的高速傳播。智慧健康的實現涉及到網絡通信技術中的短距離無線傳輸和遠程傳輸技術，短距離無線通信技術包括無線局域網技術（WiFi）、藍牙（Bluetooth）和Zigbee等；遠程運輸技術則重點涉及互聯網，主要為互聯網的組網、網關等技術。網絡通信技術中，M2M（Machine to Machine）技術是智慧健康系統中的關鍵，M2M主要指機器和機器間的通信，可以實現人、機器、系統之間通信的健康連接以及信息共享［10］。M2M 與其他傳輸技術可以進行結合，如以GPRS/UMTS 為主的遠距離連接技術，以及藍牙、WiFi、RFID 等近距離連接技術［10］，可用于安全監測和藥物跟蹤等領域。

網絡融合（ Network Convergence）的概念最早來源于互聯網、電信網以及電話網等在業務層面的融合［11］。當前各種類型網絡的發展使得網絡間結構差異增大，網絡的復雜性也逐漸增加，對智慧健康系統中的跨網服務而言產生很大困難。網絡融合技術的目的在于實現各種不同類型網絡在網絡層面的融合，減小甚至是消除由于標準不同而導致的數字鴻溝問題，可以實現不同網絡間的無縫切換［11］，有利于健康信息的整合和傳輸。

云計算（Cloud Computing）是各類傳統計算機技術，包括效用計算、網格計算、網絡存儲、負載均衡等與新興網絡技術發展融合的產物。它的核心是利用網絡把多個相對成本低的計算實體整合成一個具有強大計算能力的系統［12］，利用云計算技術可以將健康相關的數據信息轉換成實際決策和行動，健康服務提供者可以在很短的時間之內，處理數據量很大的信息。對云計算的應用可以拓展醫療資源和服務的共享性，為智慧化的醫療健康提供高效率和高度整合的數據共享平臺［13］。

2.3 應用層關鍵技術

應用層是智慧健康系統中直接與人接觸的一端，對智慧健康系統的利用和發展非常重要。智慧健康系統的研究和發展目的最終是實現個體對的健康管理以及對健康數據的智能應用，為個體提供有針對性的服務。應用層是開發智慧健康系統的目的，其關鍵技術和數據的利用相關，主要是數據處理和融合技術、信息和隱私安全技術以及IPv6技術等。

從底層到應用層，智慧健康涉及各種信息，數據量大且種類多，從這些數據中挖掘出有效的信息需要對數據進行格式的標化，數據處理和融合技術主要包括一些標準化技術、信息融合技術和數據挖掘等相關技術。數據融合技術指針對在不同時間獲取的有時序性的信息，在一定的標準下進行整合、分析和利用，來獲取對被觀測對象的一致性描述，從而輔助決策和進行評估的信息處理技術［14］。數據處理技術中，數據挖掘也是關鍵，數據挖掘是指借助于多種數據分析工具在海量的數據信息獲取有用信息并分析它們的對應關系，可以針對各行各業的生產和發展，提供關鍵的決策支持［15］。數據融合和數據挖掘技術都可以從健康數據提取有效信息，為健康服務消費者提供個性化、高時效性的服務。

智慧健康系統需要實現各類健康數據的分組交換，采用數據分組網即 IP 網作為承載網。IPv6是新一代IP網絡協議，具有豐富的地址資源，能夠支持動態路由機制，可以滿足智慧健康系統中對網絡通信地址以及擴展性方面的要求。目前廣泛使用的 IPv4 地址已經面臨著即將枯竭的狀況，IPv6 可以為終端提供充足的 IP 地址，廣泛應用 IPV6 是實現智慧健康的必然選擇。

個人健康信息和感知網絡具有私有性和私密性，智慧健康在提高個體健康管理效率的同時，給個人的信息安全和隱私的保護問題帶來很大挑戰。保障個信息安全以及維護個人的隱私是智慧健康發展中的重要部分，它會影響個體對智慧健康的接納程度和使用。從安全和隱私技術的角度而言，信息和隱私安全相關技術包括用來保證個人身份安全為核心的相關認證技術，確保數據安全傳輸的密鑰建立及分發制度，以及確保各類數據安全的數據加密、數據安全協議，數據匿名化技術等。

3 結語

利用新興技術，創新健康管理模式，提高健康管理水平并促進其智慧化，是醫療健康事業發展的趨勢。智慧健康是醫療衛生發展的新階段，有利于緩解醫療資源相對不足的問題，是社會進步的必然要求和結果。建立一套智慧、惠民、安全、高效的健康系統有利于提升醫療效率，控制和預防疾病，進一步推進健康中國的建設。智慧健康的實現需要諸多技術的支持，對其關鍵技術的研究很有必要，隨著這些技術的不斷發展，智慧健康的理想也終會變成現實。

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

［2］ Suzuki T， Tanaka H， Minami S， et al. Wearable wireless vital monitoring technology for smart health care［C］//Medical Information and Communication Technology （ISMICT）， 2013 7th International Symposium on. IEEE， 2013: 1-4.

［3］ 庹兵兵，沈麗寧，金新政等.智慧健康系統架構研究［J］.智慧健康，2016，2（6）:18-21.

［4］ 孟偉花，向菲，金新政.中、美智慧健康系統對比研究［J］.智慧健康，2016，2（6）:12-17.

［5］ Atzori L， Iera A， Morabito G. The internet of things: A survey［J］. Computer networks， 2010， 54（15）: 2787-2805.

［6］ 張航. 面向物聯網的RFID技術研究［D］.東華大學，2011.

［7］ 史森中，劉洋，姬曉波. 物聯網時代RFID在醫療系統中的應用［J］. 中國醫學教育技術，2012，05:570-572.

［8］ 落紅衛. 移動健康系統架構與關鍵技術研究［J］.電信網技術，2014 （009）: 49-51.

［9］ 宮繼兵，王睿，崔莉. 體域網BSN的研究進展及面臨的挑戰［J］. 計算機研究與發展，2010，05:737-753.

［10］ 黃孝彬，毛培霖，唐浩源，等. 物聯網關鍵技術及其發展［J］. 電子科技，2011，24（12）: 129-131.

［11］ 王慧強，王振東，陳曉明. 物聯網關鍵技術及其應用研究［J］. 大慶師范學院學報，2011， 31（3）: 1-5.

［12］ 江代有. 物聯網體系結構， 關鍵技術及面臨問題［J］. 電子設計工程， 2012， 20（4）: 143-145.

［13］ 張貝鋒，陳順利. “e”帶“醫”路智慧醫療體系架構研究與關鍵支撐技術應用［J］. 信息化建設，2016，1: 168.

［14］ 武瓊， 陳敏. 智慧醫療的體系架構及關鍵技術［J］. 中國數字醫學， 2013 （8）: 98-100.

［15］ 李明江， 唐穎， 周力軍. 數據挖掘技術及應用［J］. 中國新通信， 2012， 14（22）: 66-67.

A Study of Key Technology in Smart Health System

HONG Zi-ying，DENG Zhao-hua，JIN Xin-zheng*
（Research Centre of Health Information Resource，HUST，Wuhan 430030，Hubei，China）

The growing demand for healthcare services has brought challenges to the health care industry， and the emerging information technologies provide an opportunity to solve these problems. The smart health came into being in this kind of context. Supported by the technologies， the smart health system can help the medical institutions， doctors and individuals become more interconnected and cooperative. Based on the three layer structure of smart health system， we analyses the key technologies in each layer which can provide technical reference for the development and research of the smart health system.

Smart health system；System structure；Key technology

“國家科技支撐計劃項目”資助（項目編號：2008BAI52B00）

洪紫映，女，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。