醫療物聯網文獻綜述

張琦+穆遠威

摘 要：隨著時代的發展與病患日益增長的需求，在醫療領域進行了較多有關物聯網技術應用的探索和嘗試，醫療物聯網系統分為感知層、傳輸層和應用層。傳感儀器是感知層的核心，可利用光學技術、壓敏技術和RFID技術等獲取患者信息；傳輸層包括由GPRS、WiFi、藍牙等無線傳輸方式和網絡技術結合形成的無線傳輸網絡；應用層包括應用系統平臺、數據處理算法等，可進行醫療智能化管理。對醫療物聯網的3個層次分別展開系統分析，指出了醫療物聯網系統中存在的問題。

關鍵詞：醫療物聯網；傳感器；安全；進展

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著經濟與科技的發展，人們的生活品質穩步提高，對自身健康的需求也日益增強。為了推動醫療衛生服務模式的發展，醫療物聯網（Medical Internet of Things，MIoT）應運而生。醫療物聯網服務于醫療衛生領域，綜合運用光學技術、壓敏技術和RFID技術等先進技術手段，結合多種醫療傳感器，通過傳感網絡按照約定協議，借助移動終端、嵌入式計算裝置和醫療信息處理平臺進行信息交換。本文對醫療物聯網的3層架構和醫療傳感儀器與感知方法進行分析，提出了現階段物聯網技術在現代醫療領域存在的問題。

1 醫療物聯網感知層

感知層在醫療物聯網中占有重要地位，也是當前整個產業鏈技術發展的難點。產業技術的進步推動著醫療物聯網的發展，同時產業的提升又對技術有了更高的要求。研究具有強穩定性和高精度的傳感器是當前最主要的問題。

1.1 感知層中應用技術的發展

應用技術在感知層中應用較廣，現選取當前主流的、已被大量應用的技術進行闡述。

1.1.1 光學技術的發展

光學技術具有不受電磁干擾等特性，高頻電極、阻抗傳感器和溫度傳感器對光學技術均無干擾[1]。當前，光學檢測主要應用在溶液物質濃度、醫療器械設計等方面。Michel等使用光學纖維研究的小型可替換式等離子體傳感器可以對溶液鹽分濃度進行高精度檢測，精度高達4.8 μW/ppt[2]。Kim等制作了一種適合生物醫學應用光學纖維橫向耦合的力傳感器[3]。Chen等使用光纖核心——微探針對一小簇細胞的pH值進行實時監控[4]。Kim等研發的基于心臟消融導管的光作用力學傳感器，是一種透明、靈活且可伸縮的由PDMS（聚二甲基硅氧烷）薄膜形成氣腔的光學傳感器，可對心臟消融病癥起到預防作用[1]。

1.1.2 壓敏技術的發展

壓敏技術普遍應用于工業行業，如觸摸屏、真空設備和飛機上的氣壓檢測設備等，都需將壓力轉換為電信號。Kwak等采用半封閉型電極，制作了一種徑向擴張硅膠管一次性電容式壓力傳感器，適用于試劑藥品的分配過程[5]。Lee等研究了基于無色聚酰亞胺嵌入銀納米線層的壓敏應變傳感器，該傳感器將銀納米線和cPI結合產生輕薄、透明且結構穩定的電極，其靈敏度是傳統壓力傳感器的4倍，還可以將其嵌入手腕皮膚中[6]，如圖1所示。

1.1.3 RFID技術的發展

朱洪波等設計了一個急救系統，通過應用 RFID 卡保存用戶的醫療檔案和個人信息，并由醫院服務器負責接收、處理、存儲這些醫療數據。醫護人員在對病人做醫護處理前，可通過 PDA讀取患者RFID醫療卡上的信息，了解患者的病史和血型等。除了獲取信息，醫護人員也可通過PDA記錄患者的傷情信息和簡單救治情況，并利用無線通信發送給醫院，使得醫院在第一時間了解狀況，做好術前準備。通過該系統的運用，救護車運送病人與醫院術前準備過程可同步進行，縮短了急救時間，提高了醫院急救效率，尤其對嚴重昏迷患者而言，更是加大了挽救生命的砝碼[7]。

1.1.4 其他先進傳感器

其他主流傳感器包括監測溶液溫度傳感器、pH值傳感器、DNA傳感器和濕度傳感器等。Salvo等使用處于25～43℃溫度范圍內的人體血清樣品進行測試時，與恒溫槽中設定的參考值相比，該傳感器的靈敏度為（110±10） Ω/℃，誤差為（0.4±0.1）℃；基于氧化石墨烯（GO）敏感涂層的pH傳感器在4～10的pH值范圍內其靈敏度為（40±4） mV/pH [8]。Singh等為檢測病菌是否破壞了心臟瓣膜而設計了一款超靈敏的納米雜化DNA傳感器，可用于人類冠狀大動脈心臟瓣膜早期感染的緊急診斷和醫療護理[9]。Bhattacharjee等基于移動性的點對點肺功能檢測，設計了一種納米功能紙張濕度傳感器，達到了令人滿意的效果，其參數如圖2所示[10]。

圖2（A）顯示了紙張傳感器和微型加熱器的圖像，刻度棒為5 mm。圖2（B）顯示了6次循環呼吸的標準化電阻（RN = R / Ri）隨時間t的變化以及干燥N2氣的對照實驗。圖2（C）顯示了不同長度喉舌（LMP）的ΔR的變化情況[RSD=1.27%]。

2 醫療物聯網傳輸層

2.1 常用的醫療物聯網無線傳輸方法

2.1.1 WiFi技術

WiFi擁有寬帶高、傳輸速度快等優點主要用于電腦、智能手機等的通信，。王曦等通過WiFi技術將信息技術運用到個人醫療設備上，并提出整合互聯網與社會醫療資源，建立一套面向病患、圍繞病患的新型社區醫療信息系統[11]。在周傳彬等設計的基于WiFi的便攜式心電監護定位系統中，WiFi 模塊從單片機中接收到的心電數據經 WiFi傳輸到PC端的心電監護中心，可以實現對病患位置實時跟蹤定位的功能，以便醫護人員及時對病發患者進行有效救治[12]。

2.1.2 GPRS技術

GPRS技術多用作系統管理中主要技術的輔助技術。羅松等針對現有醫療廢物管理過程中存在的問題，利用GPRS技術，提出對醫療廢物收集、運輸和處理全過程進行實時跟蹤和監控的管理系統，對系統架構、工作原理和通信系統的設計進行了詳細闡述[13]。余海錢等基于GPRS技術設計了便攜式健康檢測系統，成果顯著[14]。王闖瑞設計了基于GPRS的遠程心電監控系統[15]。endprint

2.1.3 藍牙通信技術

藍牙通信技術擁有功耗低，傳輸速率快等優點，是目前適用于醫療物聯網的短距離無線通訊技術。薛萬國等提出了基于藍牙4.0的遠程監護醫療物聯網系統，該系統采用藍牙EDR芯片，傳輸速率可達2 Mb/s，解決了像12導心電儀等對寬帶要求較高的醫療設備的數據傳輸問題[16]。王彩峰等設計了一種新型便攜式醫療監護系統，以MSP430系列單片機作為微控制器，利用藍牙技術實現遠程無線控制，系統可實時檢測人體心電信號、呼吸、血壓、脈搏和體溫等生理參數，滿足了監護儀的便攜性、低成本和網絡化等要求[17]。

3 醫療物聯網應用層

3.1 應用平臺或系統

應用物聯網系統的衛生保健設備隨著信息技術的發展逐漸受到更多人的關注，可以遠程對患者進行病情監控及疾病預診斷，也可對醫學生進行教育。Woo等研發了一個可靠的基于M2M個人健康保健設備的物聯網系統[18]。Amin等使用無線醫療傳感器網絡開發了一個穩定、匿名的患者監控系統，可同時為移動用戶提供匿名保護和雙向認證協議，并在協議中加入密碼分析，以保證協議可承受當前已知的攻擊。實驗證明，該系統具有極佳的安全性[19]。Ali等基于物聯網開發了一個醫療教育輕學習平臺[20]。

3.2 應用層的協議/算法進展

Krishna等對物聯網實時應用中的低功耗和有損網絡的路由協議進行了分析[21]。Jiang等開發了用于醫療應用的認知無線網絡中基于連接的最大信道分配算法[22]。Lounis等為醫療無線傳感器網提供了安全的云架構，即在云端治療疾病，不僅可確?；颊吆椭髦吾t生知曉情況的安全性，還支持復雜、動態的安全訪問控制與緊急情況處理，模擬實驗取得了良好的效果[23]。

4 結 語

醫療物聯網是一個極其龐大復雜的系統，關于其體系架構的研究既是基礎性的工作又是影響未來發展的關鍵。在介紹現階段醫療物聯網3個層次的基礎上，對醫療物聯網體系架構及相關關鍵技術進行了詳細探討，包括關鍵技術、傳感器和安全問題等。隨著科技的不斷發展，將會有越來越多的先進科技融入醫療物聯網中，推動醫療物聯網的發展。雖然國內外對于物聯網相關技術逐漸重視，但相關標準體系和技術規范還處于逐步完善的過程中，需要更多的人去探索，并進行相關基礎性的研究工作。

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