面向農村基層的醫療云系統設計與實現

楊明，舒明雷，劉瑞霞，陳長芳，魏諾

(山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)，山東省計算機網絡重點實驗室，山東 濟南 250014)

面向農村基層的醫療云系統設計與實現

楊明，舒明雷，劉瑞霞，陳長芳，魏諾

(山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)，山東省計算機網絡重點實驗室，山東 濟南 250014)

提出了一種基于無線體域網(WBAN)和云計算的農村基層醫療云系統，提供了農村基層醫療滯后問題的解決途徑。系統以“智能醫療終端+綜合性醫療云服務平臺”為架構，基于WBAN和智能硬件技術，設計了低成本、通用化、可動態擴展的智能醫療終端；基于實時醫療數據融合和壓縮感知算法，實現了面向低速網絡的可靠數據傳輸；基于多級醫療資源整合、多模態醫療服務共享、高并發高可用醫療服務能力支撐機制，構建了以基層群眾為核心的醫療云服務平臺。與當前主流醫療云系統的對比結果表明，該系統可提升基層醫療的檢測水平和服務能力，有助于建立面向農村基層的新型互聯網醫療模式。

農村基層; 無線體域網; 醫療云; 云服務

當前，我國農村基層醫療發展滯后，村級衛生室普遍存在醫療設備匱乏、醫療規范缺失、村醫人才不足、醫護水平與服務能力整體低下等問題，嚴重制約了國家醫療衛生事業的發展。以物聯網、云計算、大數據等為代表的新一代信息技術和“互聯網+”國家戰略下的健康醫療，為農村基層醫療短板的解決提供了創新途徑。

雖然已有較先進的醫療器械公司從事智能醫療終端及服務平臺的研發，但尚難用于以農村衛生室為代表的基層醫療機構。在醫療終端方面，其普遍存在設備昂貴、可擴展性與兼容性差等問題；在服務平臺方面，存在公益性偏低、服務質量無法保證、可持續性差等問題。

無線體域網(wirelessbodyareanetwork,WBAN)是由輕量級、低功耗、可進行無線通信的體表或體內植入式節點組成的網絡，可對人體生理數據進行連續化的監測[1-2]。WBAN與云計算技術的結合[3-4]，能實現對海量異構醫療數據的獲取、處理、分析和存儲，并可提供高度共享的云醫療服務，是提升農村基層醫療衛生機構服務能力，改善農村醫療條件，推進優勢醫療資源向農村基層延伸的有效手段。

本文提出了一種新型的基于WBAN和云計算的農村基層醫療云系統設計與實現方法，依托山東省云計算中心的平臺支撐，有效改善了農村基層醫療面臨的數據獲取、傳輸、分析、管理等問題，助力于“預防為主、防治結合”的新型農村醫療信息化模式的構建。

1 農村基層醫療云系統的架構設計

系統的整體設計如圖1所示，以“智能醫療終端+綜合性醫療云服務平臺”為體系架構，從以下方面構建面向農村基層的新型互聯網醫療模式。

(1)基于WBAN和智能硬件技術，設計低成本、輕量級、易操作的智能醫療終端，以其為核心形成標準化的村級衛生室解決方案。通過多樣化醫學信號精準感知、通用可擴展的醫療數據智能處理等技術，實現農村基層常見醫學指標的精準檢測。

(2)基于數據融合、壓縮感知等技術，保障實時醫療數據可通過農村基層的低速網絡，有效、可靠地傳輸至省級云平臺。

(3)以山東省云計算中心為平臺支撐，通過多級醫療機構資源整合與多模態醫療服務共享、醫療資源快速部署與醫療服務動態伸縮擴展、海量醫療數據高并發與高流量等技術，向農村基層提供高度共享的綜合性醫療云服務。

圖1 農村基層醫療云系統架構設計Fig.1 Architecture of the rural medical cloud system

2 基于WBAN和云計算的醫療云系統模塊設計

2.1 基于WBAN和智能硬件的通用可擴展智能醫療終端

針對農村基層的醫療檢測需求，基于WBAN和智能硬件技術，設計了低成本、通用化、可動態擴展的智能化醫療檢測終端，如圖2所示。具體方案如下：

(1)依托智能硬件平臺，根據不同醫療傳感器的硬件接口和數據協議要求，設計相應的集成方法、傳輸方法、控制方法和配置方法，實現了可精準感知多樣化生理信號(如心電、血壓、血糖、血氧、體溫等)的通用智能感知硬件平臺。

(2)通過智能硬件平臺對其他醫療設備的動態擴展，進一步實現了對血脂(總膽固醇、甘油三酯、HDL、LDL)、尿酸等醫療數據的精準感知和智能處理。① 針對傳統醫療設備，設計了基于USB、串行口等標準化硬件接口規范的擴展方法，及屏蔽數據協議異構性的中間件，實現了終端擴展的即插即用、即配即用；② 針對可無線通信的醫療設備，基于WBANMAC層機制和IEEE802.15.6標準[5]，設計了以智能硬件平臺為WBAN協調器、以多個外擴醫療終端為節點的WBAN快速部署，實現了動態、彈性、靈活的醫療終端無線擴展與雙向鏈路的高效數據通信。

圖2 通用化、動態擴展的智能醫療終端設計Fig.2 Generalization and dynamic scalability of the intelligent medical device

2.2 基于實時醫療數據融合和壓縮感知的低速網絡可靠數據傳輸

基于WBAN的智能醫療終端所獲取的醫療數據具有結構多樣性、數據量大等特點，不僅包括血壓、脈搏、血糖等小數據量參數，還包括心電、腦電等數據量較大的周期性參數，甚至含音視頻等多媒體數據。針對農村基層地區通信基礎設施薄弱、網絡資源受限等問題，設計了面向低速率、低穩定性網絡環境的可靠數據傳輸算法。自下向上采用數據級、特征級、決策級[6]的融合封裝算法，消除了實時多源醫療數據的異構性與復雜度。通過對醫療數據的稀疏化處理和自適應壓縮編碼，實現了醫療數據的壓縮感知算法，從而減少連續監測醫療數據的冗余度。

基于上述數據融合和壓縮感知算法，有效降低了實時醫療數據的通信量，提高了低速網絡環境下醫療終端與云平臺間數據傳輸的可靠性。算法設計如圖3所示。

圖3 低速網絡的可靠數據傳輸算法設計Fig.3 Reliable data transmission algorithm oriented to low-rate networks

2.3 基于云平臺的多級醫療機構資源整合與多模態醫療服務共享

從醫療資源整合、醫療服務共享、醫療服務能力支撐三方面，對醫療云服務平臺進行設計，以向農村基層提供24小時不間斷的綜合性云醫療服務，如圖4所示。

(1)跨地域的異構醫療資源整合設計。根據村、鎮、縣、省多級醫療機構的特點，設計了以村級衛生室為基礎覆蓋、以鄉鎮衛生院和縣級醫療機構為主體、以省級三甲醫院為專家庫支撐的多樣化虛擬平臺，實現了多級醫療資源的整合。

(2)定制化、多模態醫療服務共享設計。以“農民專屬健康檔案”為核心，為各級醫療機構定制醫療數據共享、專家醫生資源共享、遠程診斷與監護的多模態服務系統。

(3)動態伸縮、高并發、高可用的醫療服務支撐設計。基于Nginx負載均衡、多服務器集群、分區存儲與數據庫讀寫分離等機制，實現了云平臺的醫療資源灰度發布、醫療服務動態伸縮擴展和海量醫療數據高并發處理。

圖4 多級醫療資源整合與多模態醫療服務共享設計Fig.4 Integration of multi-level medical resources and sharing of multi-mode medical services

3 系統實現及分析

3.1 智能醫療終端及云平臺的實現

(1)通過有效整合上述的模塊設計技術，實現了適宜在農村基層醫療機構推廣的智能醫療終端，完成了農村基層群眾醫療數據的采集、管理與交互。基于WBAN和智能硬件的通用可擴展智能醫療終端設計技術，保證了終端的整體功能與性能，提升了其廣泛適用性和易操作性。 基于實時醫療數據融合和壓縮感知的低速網絡可靠數據傳輸技術，保證了云模式下的通信穩定。同時依靠模塊化、軟硬協同以及高度數字化，實現了終端的低成本應用。

(2)依托山東省云計算中心的平臺資源，通過上述的醫療資源整合、醫療服務共享及醫療服務能力支撐技術，實現了以農民為核心，以預防為主、防治結合的新型綜合醫療服務云平臺。

系統建立了安全、專屬的農民健康檔案，使農民享受到“足不出村”的診斷、監護等專業級醫療服務，為新農合互聯互通搭建了綠色通道。目前平臺正在實現與山東大學齊魯醫院的健康數據共享，以及與公共衛生服務系統的對接。本系統實現的智能醫療終端產品及綜合醫療服務云平臺界面如圖5所示。

圖5 本系統實現的智能醫療終端及云平臺Fig.5 Implementation of the intelligent medical device and cloud platform

3.2 系統分析

選取當前國內6家先進醫療器械公司所研發的主流產品，與本系統在智能醫療終端所檢測醫療數據種類、云平臺性質及服務能力方面進行了對比，結果見表1(為保護隱私而隱去公司真實名稱)。

表1 本醫療云系統與當前主流產品的對比

4 結論

本文研究實現的面向農村基層的醫療云系統，是改變傳統醫療模式的有效手段，在農村基層醫療機構具有廣闊的應用前景，可有效解決基層群眾醫療數據的采集、管理與交互問題，為基層群眾提供專業的醫療服務，助力于“預防為主、防治結合”的新型農村醫療信息化模式的構建。然而，僅僅依托信息技術解決醫學問題勢必存在局限性，只有充分引入醫生和醫療資源，才可實現信息技術和醫學的深度融合。在未來研究中，將通過與三甲醫院建立深度合作，建立起融合醫生在內的閉環生態。

[1]CAVALLARIR,MARTELLIF,ROSINIR,etal.Asurveyonwirelessbodyareanetworks:technologiesanddesignchallenges[J].IEEECommunicationsSurveys&Tutorials, 2014， 16(3)： 1635-1657.

[2]舒明雷. 面向醫療監測的無線體域網MAC層關鍵技術研究[D]. 濟南：山東大學, 2016.

[3]FORTINOG,GRAVINAR,RUSSOW.Activity-aaService:Cloud-assisted,BSN-basedsystemforphysicalactivitymonitoring[M]// 2015IEEE19thInternationalConferenceonComputerSupportedCooperativeWorkinDesign(CSCWD2015), [S.l.]:IEEE, 2015: 588-593.

[4]FORTINOG,PATHANM.Integrationofcloudcomputingandbodysensornetworks[J].FutureGenerationComputerSystem, 2014, 35: 57-61.

[5]IEEEComputerSociety/LAN/MANStandardsCommittee.IEEEstandardforlocalandmetropolitanareanetworks-part15.6:wirelessbodyareanetworks,IEEEStd. 802.15.6, 2012[S].NewYork,USA:IEEEPress,2012.

[6]潘泉, 于昕, 程詠梅, 等. 信息融合理論的基本方法與進展[J]. 自動化學報, 2003, 29(4): 599-615.

Designandimplementationofthemedicalcloudsystemorientedtoruralareas

YANGMing,SHUMing-lei,LIURui-xia,CHENChang-fang,WEINuo

(ShandongComputerScienceCenter(NationalSupercomputerCenterinJinan),ShandongProvincialKeyLaboratoryofComputerNetworks,Jinan250014,China)

∶AruralareaorientedmedicalcloudsystemwaspresentedbasedonWBANandcloudcomputing,providingsolutionstothelaggingbehindofmedical-careservicesinruralareas.Thesystemputforwardanarchitectureworkwhichconsistedofbothintelligentmedicaldeviceandcomprehensivemedicalcloudplatform.BasedonWBANandintelligenthardwaretechnology,thelow-cost,generalandscalableintelligentmedicaldevicewasdesigned.Thelow-ratenetworkorientedreliabledatatransmissionwasachievedonthebasisofreal-timedatafusionandcompressivesensingalgorithms.Themedicalcloudplatformwasestablishedbasedonthreemechanisms,i.e.integrationofmulti-levelmedicalresources,sharingofmulti-modemedicalservices,andhighsupportcapabilitiesformedicalservices.Comparedwithothermainstreamproducts,resultsshowedthatthesystemproposedcouldeffectivelyimprovethemedicalservicecapabilities,andwashelpfulfortheconstructionofanewInternetbasedmedicalmodeorientedtoruralareas.

∶ruralarea;wirelessbodyareanetwork(WBAN);medicalcloud;cloudservice

2016-11-17

山東省科技發展計劃(2014GSF118107)；山東省重點研發計劃(2015GGH309003)

楊明(1981—)，男，博士，助理研究員，研究方向為無線體域網、信息安全。E-mail:yangm@sdas.org

TP

A

1002-4026(2017)02-0122-06