醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

陳書敏　楊群

摘要：本文對醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)提出自己的方案，討論了關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，分析了存在的問題，提出了相應(yīng)建議，以期達(dá)到醫(yī)療衛(wèi)生的信息與服務(wù)普適共享，廣大民眾普遍受惠的目的。

[關(guān)鍵詞]醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

1引言

隨著社會的發(fā)展人們越來越關(guān)注自身的健康，到醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)享受服務(wù)的人也越來越多，醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)也隨之不斷地發(fā)展壯大。

當(dāng)前，全世界面臨著一系列醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)性的社會問題。如：人口老齡化、醫(yī)患矛盾突出等。考慮到我國人口基數(shù)大，醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)信息化所涉及的對象多，勢必產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。即使一個微小的漲幅都能讓其數(shù)據(jù)呈爆炸式的增長。在這些爆炸式增長的海量醫(yī)療數(shù)據(jù)中尋找有醫(yī)學(xué)價值的信息是一項更為艱巨復(fù)雜的工程。為了解決此類問題，推動現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)模式的應(yīng)用，提供優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)，須借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建區(qū)域信息網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全程監(jiān)督管理醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)。

醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)是指將患者、各級醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)、藥品以及各種醫(yī)療衛(wèi)生器械和設(shè)施用物聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)連接起來，支持醫(yī)療衛(wèi)生數(shù)據(jù)和設(shè)備的自動識別、采集分析、跟蹤定位、數(shù)據(jù)共享等功能，讓人民群眾享受智能化醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)。它的應(yīng)用能為全民在自我健康管理的同時提供了有針對性、連續(xù)性、綜合性醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)。

2體系結(jié)構(gòu)

2.1結(jié)點類型

為了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，首先需要劃分網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的類型。物聯(lián)網(wǎng)中的結(jié)點分為無源CPS（cyber-physicalsystems，物理設(shè)備聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)）、有源CPS和互聯(lián)網(wǎng)CPS三種。根據(jù)不同CPS結(jié)點的特點和用戶的需求，選擇相應(yīng)的類型。如：在家享受全科服務(wù)病人網(wǎng)上刷卡掛號，因其只需發(fā)送信息，故適宜采用無源CPS結(jié)點類型;以解放軍總醫(yī)院的病區(qū)智能監(jiān)控系統(tǒng)為例，移動護(hù)士站可實時查詢醫(yī)囑、檢查，錄入患者的生命體征，故適宜采用有源CPS結(jié)點類型;而每個病房監(jiān)控中心因其位置固定且需要監(jiān)控和定位，故適宜采用互聯(lián)網(wǎng)CPS結(jié)點類型。

2.2醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)

在上述基礎(chǔ)上，依據(jù)醫(yī)療衛(wèi)生的特點，按照物聯(lián)網(wǎng)通用的三層體系架構(gòu)進(jìn)行劃分（具見圖1）。

2.2.1感知層

感知層劃分為兩個子層：數(shù)據(jù)采集子層、接入子層。

數(shù)據(jù)采集子層利用各種技術(shù)手段和設(shè)備將網(wǎng)內(nèi)涉及的對象改造成CPS結(jié)點。例如，無源CPS結(jié)點：通過掃描醫(yī)護(hù)人員的RFID（RadioFrequencyIdentification，射頻識別技術(shù)）職工卡識別其的身份信息;有源CPS結(jié)點：讀取普外科病房患者身上的傳感器獲取其生理信息;互聯(lián)網(wǎng)CPS結(jié)點：查看控制中心的監(jiān)控了解其運行狀況。

接入子層是將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并接入到網(wǎng)絡(luò)層。雖然接入子層的接入方式多種多樣，但須依據(jù)不同對象不同的需求選擇適宜的主接入方式。例如：醫(yī)技科室經(jīng)常要傳輸患者的影像視頻，這類數(shù)據(jù)傳輸量大、品質(zhì)要求高、響應(yīng)速度快適宜以同軸電纜或光纜接入為主;移動護(hù)士站通常在不同病房護(hù)理，醫(yī)療地點不固定，加之日常傳遞的數(shù)據(jù)量較少適宜以無線網(wǎng)絡(luò)接入為主。社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心通常處理常見疾病，傳遞的數(shù)據(jù)量較少但使用地點固定，適宜以固定寬帶接入為主。

2.2.2網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層分為三個子層：有源CPS網(wǎng)絡(luò)、中間件、云數(shù)據(jù)中心。

有源CPS網(wǎng)絡(luò)即在通信網(wǎng)絡(luò)、信息中心、網(wǎng)絡(luò)中心基礎(chǔ)上實現(xiàn)有源CPS結(jié)點與其他CPS結(jié)點互連互通，同時，保證信號的可靠性、準(zhǔn)確性。

在有源CPS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之上，設(shè)計和實現(xiàn)有源CPS結(jié)點的用戶管理、結(jié)點監(jiān)控、信息處理等功能，進(jìn)而建立一個面向某個具體應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)中間件。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中間件主要實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一、信息的集成，并以此基礎(chǔ)構(gòu)建服務(wù)支撐平臺，為應(yīng)用層各類服務(wù)提供開放的接口，供第三方開發(fā)應(yīng)用，方便相關(guān)人員的使用。

2.2.3應(yīng)用層

應(yīng)用層分為兩層，云數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用系統(tǒng)。云數(shù)據(jù)中心將中間件傳遞過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并提供各種服務(wù)。在此基礎(chǔ)上形成了各種應(yīng)用，進(jìn)而構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)如圖2所示，它分為基本和特定應(yīng)用。基本應(yīng)用包括掃描、監(jiān)控和查詢型;特定應(yīng)用系統(tǒng)包括管理、決策和分析型。如醫(yī)用耗材監(jiān)控、醫(yī)院門禁控制屬于基本應(yīng)用;門診管理、智能藥物使用提示屬于特定應(yīng)用。

特定應(yīng)用是核心，它利用云數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，為用戶提供智能管理和決策。以智能藥物使用提示為例：一方面，智能醫(yī)療儀器時刻關(guān)注患者用藥情況;另一方面，智能終端隨時跟蹤患者的行蹤，并根據(jù)患者的歷史行動特征數(shù)據(jù)預(yù)測他未來的行為。一旦預(yù)測到患者要違反某些禁忌則立即發(fā)出警告。

應(yīng)用系統(tǒng)的采用客戶機(jī)/服務(wù)器與P2P（PeertoPeer，對等網(wǎng)）的混和網(wǎng)絡(luò)模型。客戶機(jī)/服務(wù)器模型：掛號時，服務(wù)器核實患者身份無誤后，方能進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng);P2P模型：掛號成功后，與在線的醫(yī)生建立聯(lián)結(jié)，患者將自己的生理信息通過傳感器傳送過去;醫(yī)生據(jù)此進(jìn)行診治。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)

正如前述的跨區(qū)域、跨平臺、跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)等特點，須建立完備的標(biāo)準(zhǔn)體系，從而為其產(chǎn)業(yè)化推廣和應(yīng)用示范提供依據(jù)。

標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，首要的應(yīng)根據(jù)《全國專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會管理規(guī)定》成立醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，統(tǒng)一全面負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。

主要內(nèi)容如下：

（1）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)特別是信息化標(biāo)準(zhǔn)，如醫(yī)

療衛(wèi)生信息術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、醫(yī)療衛(wèi)生信息分類編碼標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交換信息標(biāo)準(zhǔn)等;

（2）服務(wù)管理標(biāo)準(zhǔn)，如醫(yī)療協(xié)作服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、社區(qū)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)等。

3.2PML服務(wù)器

電子標(biāo)簽只存儲EPC（ElectronicProductCode，電子產(chǎn)品碼），用戶通過EPC在PML（PhysicalMarkupLanguage，實體標(biāo)識語言）服務(wù)器查詢到與之對應(yīng)的信息。采用此法可有效減少存放的信息，減小所需的內(nèi)存，降低標(biāo)簽的成本。同樣的，使用PML來記錄和存儲信息可提高嵌入式電子病歷輸入和檢索效率。

Soap（simpleobjectaccessprotocol，簡單對象訪問協(xié)議）是PML重要組成部分。它被設(shè)計在Web上用于交換結(jié)構(gòu)化信息，能兼容不同軟件接口。這樣使得數(shù)據(jù)在傳遞過程中不需要轉(zhuǎn)換和確認(rèn)，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)中各個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互操作性，信息資源的共享，能有效解決“數(shù)據(jù)孤島”問題。

PML服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖（圖3），功能如下：

（1）實時數(shù)據(jù)更新：當(dāng)CPS結(jié)點被標(biāo)識、

采集時，此時狀態(tài)將存放在PML服務(wù)器中，以便隨時查詢。如通過掃描病人的手環(huán)，其生理信息將存放在PML服務(wù)器。

（2）結(jié)點狀態(tài)信息查詢：實現(xiàn)CPS結(jié)點運動變化狀態(tài)的監(jiān)控，以便跟蹤定位。如通過輸入病人的電子標(biāo)簽可以定位他的位置，了解其生理狀態(tài)。

（3）原始數(shù)據(jù)查詢：查詢每個CPS結(jié)點對應(yīng)產(chǎn)品的出廠信息，以便防偽、溯源追責(zé)。

3.3嵌入式電子病歷

使用RFID和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，運行在無線終端設(shè)備上的嵌入式電子病歷系統(tǒng)是實現(xiàn)醫(yī)療無線移動診療的關(guān)鍵，也是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵。

嵌入式電子病歷不同于傳統(tǒng)醫(yī)院信息系統(tǒng)下的電子病歷，主要包括對外信息（如病人身份信息、病人生理信息）和對內(nèi)信息（如藥品消耗量、儀器設(shè)備的使用率）的存儲。

目前，國內(nèi)外關(guān)于嵌入式電子病歷的相關(guān)研究還是處在初步階段。按基于技術(shù)平臺劃分有XML、RFID技術(shù)和ZigBee協(xié)議、安卓、藍(lán)牙技術(shù)和Petri網(wǎng)。

嵌入式電子病歷在應(yīng)用過程存在著存儲效率問題和“數(shù)據(jù)孤島問題”可使用前述PML服務(wù)器解決。

3.4異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)

首先，完全拋棄已有的各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，重新配置網(wǎng)絡(luò)，形成醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)。這樣做費時費力，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合是較可行的辦法。其次，各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不能有效地互聯(lián)互通，產(chǎn)生了許多信息孤島，從而無法提供高品質(zhì)通信服務(wù)影響用戶的使用，極大地削弱了整個網(wǎng)絡(luò)的功效。故，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)是必備的關(guān)鍵技術(shù)。

現(xiàn)在主流的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)有以下六種：IP核心網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)和移動IP、多無線電協(xié)作、無線自組網(wǎng)、認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合。

一方面考慮到不同機(jī)構(gòu)、不同人員各自不同的需求，另一方面要充分利用各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)不同特性進(jìn)行互補;考慮到網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本、部署方便性等因素。結(jié)合這兩個方面選擇適宜的融合技術(shù)，如住院部的移動護(hù)士站因其工作的特點，傳輸數(shù)據(jù)的需求，主要接入網(wǎng)絡(luò)方式的特性適宜采用多無線電協(xié)作的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)。

3.5信息安全技術(shù)

信息安全的重要性不言而喻，須構(gòu)建多層次、多級別的信息安全技術(shù)體系。下文按數(shù)據(jù)處理過程來逐個論述。

數(shù)據(jù)感知輸入方面：醫(yī)療設(shè)備會受到RFID系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾，影響其安全使用。

據(jù)《美國醫(yī)學(xué)協(xié)會雜志》報道，在無源868MHz和有源125MHzRFID的環(huán)境下，9個輸液/注射器泵中有6個無法工作，兩個腎臟替代裝置也喪失了正常工作能力。

解決方法：

（1）降低外部電磁的干擾。要在諸如監(jiān)護(hù)病房這樣的醫(yī)療環(huán)境下使用RFID，須依照最新的國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電磁干擾的現(xiàn)場測試。這樣可以查找干擾源，采用相應(yīng)的抑制干擾措施。

（2）采用新技術(shù)新材料進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計，最大程度地提高抗干擾能力。

（3）在2.4GHz頻段內(nèi)，RFID與醫(yī)療設(shè)備常用的頻率、信道存在著重疊。故RFID采用其他頻率如超高頻頻段來規(guī)避鄰近頻段信道互相干擾，提高RFID系統(tǒng)的抗多徑干擾能力。

（4）RFID讀寫器盡量使用線性電源供電，而非開關(guān)電源。因為后者對周圍電子儀器所產(chǎn)生的干擾遠(yuǎn)強(qiáng)于前者。

數(shù)據(jù)存儲處理方面：防止黑客竊取、篡改或破壞原始數(shù)據(jù)。

解決方法：

（1）對原數(shù)據(jù)進(jìn)行干擾、匿名化等處理。這樣可以讓包含個人隱私的信息隱藏起來，同時又保持原有的數(shù)據(jù)分布特點，方便研究機(jī)構(gòu)研究分析。

（2）對數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵、敏感數(shù)據(jù)的保護(hù)是重中之重。對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行多重加密技術(shù)。即使出現(xiàn)泄密情況，也只能獲得加密數(shù)據(jù)，不至于影響到現(xiàn)有工作的運轉(zhuǎn)。

（3）對重要、關(guān)鍵性數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。一旦發(fā)生篡改或破壞，可采用災(zāi)難恢復(fù)技術(shù)進(jìn)行恢復(fù)。

（4）使用量子通訊技術(shù)保證數(shù)據(jù)的安全性。

考慮到數(shù)據(jù)獲取方面的特點：RFID標(biāo)簽中數(shù)據(jù)的讀取，是非接觸式的。這引發(fā)了人們對自身個人隱私泄漏的擔(dān)心。

解決方法：

（1）訪問控制環(huán)節(jié)保護(hù)技術(shù)。讓不同的訪問主體（用戶、服務(wù)等）對不同的訪問客體（電子病歷、健康檔案等）有著各自不同的訪問權(quán)限，防止其越級越權(quán)的訪問。

（2）通過立法來保障患者的隱私權(quán)，與此同時，大力宣傳相關(guān)法律提高民眾的隱私保護(hù)意識。

3.6成本的降低技術(shù)

醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)、推廣的最大瓶頸是電子標(biāo)簽成本過高。雖然每枚標(biāo)簽的成本已跌到1美元以下，但對數(shù)量眾多，像棉簽、注射器這樣價格低廉的醫(yī)療用品來說，仍被視為一個成本障礙。此外，還需要許多與RFID技術(shù)相配置的軟硬件，這些成本也不小。

解決方法：

（1）通過新技術(shù)提高生產(chǎn)效率，減少不必要的投入，形成集約化生產(chǎn)從而降低標(biāo)簽成本。

（2）芯片是標(biāo)簽的核心。國產(chǎn)芯片集中于中低端，高端芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口。據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)在的芯片接近80%都源自國外。我國的集成電路設(shè)計業(yè)處于起步階段，且在芯片制造的先進(jìn)工藝方面，與國外龍頭企業(yè)相比至少差了1到2代。故應(yīng)大力發(fā)展芯片制造業(yè)，提高芯片國產(chǎn)率，降低標(biāo)簽成本。

（3）建立健全“回收與利用”的激勵管理體制鼓勵人們對廢棄電子標(biāo)簽的回收與再利用。

（4）由前述可知，使用PML服務(wù)器可以降低標(biāo)簽的成本。

（5）開發(fā)使用可重寫或反復(fù)粘貼使用電子標(biāo)簽。

3.7擁塞解決技術(shù)

無線通信系統(tǒng)的通信機(jī)制是基于典型的終端密度進(jìn)行設(shè)計，一般在5MHz帶寬下能夠承載200個終端;而物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療終端的規(guī)模可能是現(xiàn)有手機(jī)數(shù)量的兩個數(shù)量級以上。這樣勢必造成無線網(wǎng)絡(luò)的信令和流量的擁塞。

擁塞可分為結(jié)點級、區(qū)域級和無線鏈路級的擁塞三種，產(chǎn)生主要原因：存儲空間不足、帶寬容量不足、處理器間處理能力和速度不一致。

解決方法：

（1）物聯(lián)網(wǎng)中傳輸?shù)男畔㈨毟鶕?jù)不同的需求結(jié)合信源特性采用不同的傳輸介質(zhì)，進(jìn)而采用相應(yīng)的擁塞控制機(jī)制。

（2）應(yīng)用符合傳感器網(wǎng)絡(luò)特點基于中間件的擁塞控制機(jī)制。

（3）不斷優(yōu)化擁塞控制機(jī)制，正確區(qū)分擁塞丟包和誤碼丟包，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。

4總結(jié)

針對我國人口基數(shù)大、醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)信息化所涉及的對象多、醫(yī)療資源分布不均衡、醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量亟待改善等一系列醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)問題，本文結(jié)合了和物聯(lián)網(wǎng)兩者的特點，提出了醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)的概念。同時，對醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及構(gòu)建其過程中所用到關(guān)鍵性技術(shù)進(jìn)行了初步探討。基于這些，今后可以設(shè)計、實現(xiàn)出相應(yīng)的醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，從而為人類提供更安全更有效的“智慧醫(yī)療服務(wù)”。

誠然物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展很快，但是由于研究時間及研究精力的因素限制，本人的學(xué)術(shù)研究論文也存在一定的局限性，因此本次研究論文還缺乏深入的研究，研究中存在著不足之處，例如當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)與人工智能、5G技術(shù)結(jié)合起來了產(chǎn)生了新應(yīng)用，而這些最新應(yīng)用在文中沒有涉及到。希望能夠在未來的醫(yī)療衛(wèi)生物聯(lián)網(wǎng)的研究中更加深入完善。

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