我國基于物聯網技術的智慧醫療系統及其發展應用

王之晨，馮靖祎

浙江大學醫學院附屬第一醫院 醫工信息部，浙江 杭州 310003

引言

隨著中國經濟的快速發展、醫療科學技術的進步、人民生活質量的提升以及計劃生育政策等因素的影響，我國人口老齡化趨勢日益加劇[1]。老齡化將給醫療資源的供給和分配帶來嚴峻的挑戰。此外，人民生活節奏的加快、運動的缺乏、飲食習慣的變化等加劇了慢性病的上升趨勢，導致了長期用藥及疾病管理成本的產生，造成了國家醫療開始的增加。與此同時，“看病難、看病貴、看病繁”問題日益突出，已成為我國醫療衛生系統急需解決的難題[2]。

2017年1月，國務院頒布《“十三五”深化醫藥衛生制度改革規劃》，明確提出發展智慧健康產業，促進云計算、大數據、移動互聯網、物聯網等信息技術與健康服務深度融合，為健康產業植入“智慧之芯”[3-4]。物聯網作為智慧健康產業的核心驅動和關鍵基礎，是一種由計算設備、機械、數字機器組成并且相互關聯的系統，每一個物聯網設備都會具備通用唯一識別碼，并具有傳輸數據至網絡的能力，無需人與人或是人與設備的交互。物聯網將現實世界數字化，并通過標準化的方式傳輸和處理數據，為云計算、大數據和人工智能等技術提供了強有力的支持，從而為解決“看病難、看病貴、看病繁”提供了新的手段，對全面推進健康中國建設的目標具有重要的意義[5-6]。

本文介紹了以物聯網技術為基礎的智慧醫療系統[7]，其充分運用物聯網技術的優勢，能夠實現醫療資源的科學合理分配以及優質醫療資源的下沉，為分級診療的實現提供強有力的工具，并且實現醫療數據的互聯互通，從而更有效地利用區域內的資源。

1 智慧醫療系統概述

1.1 智慧醫療概述

2009年，IBM公司提出了通過運用物聯網、互聯網和云計算將現實世界和信息世界相連接，從而達到互聯化、物聯化、智能化的“智慧地球”戰略，希望通過物聯網的運用，使人類擁有更科學的日常生活和生產的管理模式，并且可以實現更動態的精細化管理方式，提高資源的分配利用效率和生產力水平[8]。

作為“智慧地球”的重要組成部分之一，智慧醫療是指通過對物聯網相關技術的應用，實現醫療信息的共享、連通，建立統一、高效、實時、互通的疾病研究、預防、診斷、治療體系，從而讓患者或者健康人群在不受空間與時間限制的情況下，實時地得到及時的、便捷的、公平的醫療及健康服務[8]。智慧醫療系統是基于現有的公共衛生信息平臺，利用物聯網的相關技術，通過將各級公共衛生系統的信息進行整合，形成集指揮、應急、管理監督為一體的信息網絡。實現患者與醫療設備、醫院、公共衛生組織之間的高度協同，逐步實現醫療產業整體的信息化[9]。

1.2 智慧醫療系統國外發展現況

作為世界范圍內的先行者，早于20世紀70年代，美國就開始了醫療信息化的建設，并采取了如頒布《健康保險流通與責任法案》（Health Insurance Portability and Accountability，HIPPA）、發布總統行政令成立醫療信息技術國家協調員辦公室以及頒布《經濟和臨床健康信息技術法案》（Health Information Technology for Economic and Clinical Health，HITECH）等方式，通過“胡蘿卜”+“大棒”的方法推動醫療信息化的發展。同期，歐盟、日本與韓國也相繼提出了促進信息技術發展，推動醫療信息化建設的發展方針。美國智慧醫療系統的建設，經歷了從自發建設到政策推廣的轉變，以2009年為分水嶺，美國國會通過HITECH法案，提出了有效使用（Meaningful Use，MU）概念，并設置明確的獎罰措施，以推廣智慧醫療系統[10]。MU被分為三個階段，分別為：著重于醫療數據獲取和存儲的第一階段、強調數據在醫院部門間共享和交互的第二階段、以及大力發展區域信息互聯互通的第三階段[11]。并且，通過美國醫療信息與管理系統學會（Healthcare Information and Management Systems Society，HIMSS）建立的針對醫療信息化在不同應用場景下的建設和應用水平評價模型，來評估醫療機構在每個階段的發展程度，其中HIMSS的4級對應第一階段的要求，5～6級對應第二階段的要求，7級對應第三階段的要求。在2015年，美國大型醫院HIMSS等級5的普及率已達到67%，而至2018年，基礎智慧醫療系統在美國大型醫院的普及率已超過95%。隨著智慧醫療系統的普及，美國醫療衛生支出總額占GDP比重增長趨勢得到了有效的控制。

1.3 智慧醫療系統國內發展現況

我國智慧醫療系統起步于2004年，相較于發達國家，起步較晚，其發展歷程如圖1所示?，F階段，中國智慧醫療系統的建設正在逐步從收支管理為主的醫院信息化初級階段過渡到以臨床信息為主的高級階段[12]。智慧醫療系統的研究與運用逐漸往深層次發展，開始從早先側重于經濟方面的運行管理，延伸至臨床應用和管理決策的方面[12]，穩步實現了從“以費用為中心”向“以患者為中心”的轉變[13]。目前，大部分醫院已經開展了智慧醫療系統建設，大多數以醫院信息系統（Hospital Information System，HIS）為主。HIS的應用基本成熟并逐步拓展應用。臨床信息系統（Clinical Information System，CIS）、醫療影像儲傳系統、放射科信息系統等系統應用逐漸成熟并得到推廣，但是整合難度較大，目前發展緩慢。相較于國外，國內智慧醫療系統尚有較大的差距，根據2020中華醫院信息網絡大會上披露的數據，2019年，我國三級醫院電子病歷平均應用水平為3.11級，二級醫院平均應用水平為1.59級，且截至2019年，國內通過五級及以上的醫療機構只有85家，并且，全國醫院智慧服務評級平均分僅為0.33級，而美國通過HMISS等級5級及以上的醫院，在2017年的占比就已高達70%。并且，由于國內智慧醫療投資總體規模較低，地區經濟發展水平的差異和醫院的級別不同，導致信息化發展不均衡，中小型醫院以及農村醫療衛生機構的智慧醫療建設尚處于起步階段。此外，國內智慧醫療領域起步較晚，智慧醫療供應商呈小、多、散和低水平競爭的現象還沒有得到根本性的轉變，這導致了不同提供商的系統之間對接難，信息化整合程度和使用效率低、數據的錄入耗時長、平臺重復建設等問題。

圖1 中國智慧醫療系統發展歷程

1.4 智慧醫療系統國內發展趨勢

隨著智慧醫療在國內的逐步推廣，醫院產出的數據呈幾何級數增長，對醫療數據的存儲提出了更高的要求。通過云端對醫療數據進行管理具有按需分配的特點，云技術已可以將存儲資源、服務器等虛擬化，為不斷增長的醫療數據存儲和管理需求提供了解決方案。同時，由于國內醫療行業區域發展不平衡不充分，并且相較于發達國家醫院的信息化建設投入在年度總預算中的比例，國內大部分醫院都有不小的差距，并且投入增長緩慢[14]，見圖2。因此，智慧醫療系統會逐漸向區域性發展，以區域內的一個或多個三甲醫院為中心，以輻射的方式連接區域內所有醫院及公共衛生機構，從而實現優質醫療資源下沉。此外，智慧醫療系統的發展將為未來抗擊、預防突發公共衛生事件提供重要的方式和手段，同時對提升落后地區醫療服務水平和質量有著重大的幫助。

圖2 2009—2020年中國公立醫院信息化投入占總預算比例

2 智慧醫療系統特點

基于物聯網技術的智慧醫療系統，相較于傳統醫療模式，有互聯互通、協作性、預防性、普及性、激發創新性以及可靠性等特點。

2.1 互聯互通

智慧醫療系統通過通信網絡技術和云計算技術，將醫院電子病歷、各類醫療器械及傳感器等收集的數據進行整合和儲存，實現患者數據持續性的記錄。患者可以自主選擇更換醫生或者醫院，并且經過授權的醫生能夠隨時查閱患者的病歷、病史、治療措施和保險細則[15]。

2.2 協作性

智慧醫療系統通過對數據標準化和規范化的數據采集和通信，保證了系統的兼容性和拓展性[16]，以實現醫療機構之間對醫療信息與醫療資源的共享，解決了信息孤島的問題[17]。

2.3 預防性

基于物聯網技術對數據的捕獲、感知、測量和傳遞，智慧醫療可以通過邊緣計算、云計算、大數據分析和人工智能等方式快速地對海量數據進行分析，從而更快地發現重大病癥或者公共衛生事件的征兆，并及時響應和處理。

2.4 普及性

導致國內“看病難、看病貴、看病繁”問題的主要原因是醫療資源不平衡，患者由于對基層醫療水平的不信任[18]，偏好去大城市尋求優質醫療資源，這種行為普遍化加劇了優質醫療資源的短缺，反過來又消耗和制約了大城市的優質醫療資源下沉。智慧醫療系統通過將一個區域內的醫療資源進行整合，讓鄉鎮醫院和社區醫院無縫地連接到中心醫院[19]，以便可以實時地獲取專家建議、安排轉診和接受訓練，讓患者在基層醫療機構就能獲得權威診斷，更好地讓優質醫療資源下沉，幫助推動建立科學、合理、有序的分級診療機制[20]。

2.5 激發創新性

智慧醫療系統采用了大量高新技術，在降低醫療工作者的壓力的同時，也給予了創新的工具。新科技的應用可以進一步推動臨床創新和研究，提升知識和過程處理能力。

2.6 可靠性

智慧醫療系統以物聯網為基礎，獲取海量醫療數據，通過云計算、大數據、區塊鏈等技術的支持，不僅可以讓醫生能夠搜索、分析和應用大量數據來支持診斷，也可以確保患者的數據安全。

3 基于物聯網技術的智慧醫療系統框架

基于物聯網技術的智慧醫療系統可以分為感知層、網絡層、平臺層和應用層4層架構[2,21-22]，見圖3。

圖3 基于物聯網技術的智慧醫療系統總體框架

3.1 感知層

感知層實現對物理世界的識別感知、信息采集，是物理世界和信息世界的重要橋梁。感知層包括負責感知、識別的感知終端以及負責傳輸數據的終端傳輸模塊。作為物聯網的基礎，感知終端對環境、人和物的監測及數據采集，為精細化管理提供了重要支撐。

3.2 網絡層

網絡層，實現數據傳輸，把數據從感知層傳輸至平臺層。網絡層根據數據傳輸的路徑和協議又分為數據鏈路協議和網絡傳輸協議。主流的數據鏈路協議可以分為四類：近距離通信、遠距離蜂窩通信、遠距離非蜂窩通信和有線通信，每種主流數據鏈路協議的優劣勢，見表1。通過對各協議優勢與劣勢的理解，可更好地選擇適用特定協議的環境，如NFC協議可用于門禁管理系統等。

表1 物聯網中使用的主流數據鏈路協議

3.3 平臺層

平臺層，實現對終端設備和資產的“管、控、營”一體化服務[23]，主要滿足設備、數據和運營三個方面。平臺層的運用能真正體現物聯網的解決方案，既向下連接和管理感知層，又向上提供開發能力和統一接口[23]。智慧醫療系統的平臺層自下而上分別為預處理平臺和數據平臺，感知層獲取的數據通過網絡層傳輸之后到達各區域的邊緣網關，邊緣網關具有對數據進行篩選以及預處理的能力，即邊緣計算。邊緣計算指利用靠近數據源的邊緣地帶來完成的運算程序[24]。通過感知層設備獲取信息之后，邊緣網關對實時、短周期數據進行分析以及優化，并且對數據進行篩選和脫敏，減少上傳至霧計算和云計算平臺的無用數據[25]。霧計算指將感知層的數據傳輸至區域性分散布置，具有存儲器的運算節點進行分析和處理。邊緣計算適合對實時的數據進行分析和智能化處理，能夠更好地支持本地業務及時處理執行[26]。平臺層的合理運用可以很好地解決大量數據上傳導致的網絡塞車現象，并且在本地對數據進行篩選與儲存，也可以保證醫療數據的安全性以及對云計算平臺的有效利用[27]。

3.4 應用層

通過對平臺層數據分析的結果進行應用的平臺即為應用層，應用層的對象為終端用戶，即醫療機構、個人、家庭、政府、企業和銀行等。智慧醫療的應用層根據對象和范圍分為三個環境，即家庭健康管理、區域健康管理和智慧醫院管理。家庭健康管理可以通過使用可穿戴設備以及家用醫療設備等方式實現對老年人的實時健康管理；區域健康管理可以通過將區域內的各級醫療機構、健康服務機構和其他公共衛生機構的數據進行對接和醫療資源的共享，來實現對公共衛生信息的管理和智能遠程醫療；智慧醫院管理通過對醫療設備、患者病房、院內資源、財務系統等進行統一化的管理來實現對醫療工作者的負擔減輕以及對患者服務的提升。

4 基于物聯網技術的智慧醫療系統應用

4.1 家庭健康管理系統

以物聯網無線互聯的技術為基礎，智慧醫療系統得以從醫療機構擴展到個人和家庭中。并且，隨著傳感器技術的發展，微型、低功耗、高精度的無線傳感器從而普及，各類可穿戴式、非接觸式健康監測設備在個人和家庭中逐漸得以推廣[28]。

其中各類高度集成的可穿戴設備可以實時地收集個人健康數據，并且通過無線網絡將數據上傳至數據終端，實現數據實時儲存及分析。通過各類可穿戴設備的組合，構成專注于個人健康的智慧醫療系統。通過傳感器獲取的真實世界數據與電子病歷相結合，實現院內與院外的全周期健康管理，同時通過實時監控的方式，能夠及時對個人的健康狀況進行預警、診斷與治療[28]。例如，通過結合監測血壓、血氧、肌電圖等生理參數的智能手環和睡眠監測儀，實時監控個人睡眠問題，一旦睡眠監測儀檢測到睡眠呼吸暫停，且血氧濃度低于警戒值，智能手環便會發出警報，并自動記入個人睡眠檔案中，當睡眠呼吸暫停發生逐漸頻繁時，便會通過手機推送就醫提醒，并在確認就醫之后，賦予所預約的醫生訪問個人睡眠記錄的權限，方便醫生更好地進行診斷[29]。

各類非接觸式傳感器的普及，讓以家庭為單位的健康監測成為可能。通過對以跌倒監控器、家用血壓計、嬰兒呼吸監測儀、非接觸睡眠監測儀等為代表的非接觸式傳感器的設置，并結合可穿戴設備，可以實現對家庭成員的各項健康指標的實時監控。例如，通過跌倒傳感器、聲音傳感器以及邊緣網關相結合的方式，可以很好地監控老人跌倒情況，一旦老人跌倒或呼救，傳感器通過視覺深度、陀螺儀、聲音分析等方式檢測到后立即傳輸至網關，并經由網關連通至老人所在地社區的衛生服務信息系統以及最近的醫院急救系統，以最快的速度為老人提供急救措施。

家庭健康管理通過對可穿戴技術與非接觸式傳感器技術的運用，以及與區域醫療系統的互通互聯，提供了一種不受時間與空間限制，且不影響個人生活質量的實時健康監測方案，對老年人的看護以及慢性病的預防和治療有著十分重要的意義。

4.2 醫療設備管理系統

基于對物聯網技術的運用以及智慧醫療系統互聯互通特點的利用，醫療設備管理系統在智慧醫院管理中占據重要地位。隨著科技的快速發展，現代醫療設備呈現大型化、超小型化、運行高速化、功能高級化、自動化、復雜化等發展趨勢。復雜的高度集成醫療設備在維修和維護方面為醫院帶來了巨大的經濟挑戰[30]。在醫療設備的種類和數量不斷上升的前提下，傳統的醫療設備管理模式已經無法滿足對醫療設備的實時監控、精細化管理和數據實時管理等需求，這些都是現代醫院管理中亟待解決的問題。

智慧醫療系統中的醫療設備管理系統以物聯網技術、唯一器械標識（Unique Device Identification，UDI）以及全球標準1（Globe Standard 1，GS1）等為基礎[31]，根據醫療設備是否依靠能源發揮其功能，對醫療設備進行管理?；贕S1標準的UDI由器械標識靜態信息以及生產標識動態信息（Application Identifier，PI）兩部分組成[32]，主要囊括了醫療設備的名稱、廠家、規格、包裝、生產日期、失效日期、批號和序列號等基本信息。因在醫療器械使用過程中產生的信息，如供應商信息、購置時間、醫院內編碼、購置科室、購置原因及用途、設備負責人、設備位置、使用記錄、維護及維修信息等，可稱為使用信息[33]。醫療設備的基礎信息和使用信息是醫療設備管理系統的數據基礎[34]。

對于無源醫療設備，如手術刀、注射器等醫療耗材，通過將耗材本身的UDI以及醫院管理系統生成的編碼相對應，耗材入庫時直接使用RFID電子標簽承載關鍵信息，對內通過RFID技術識別耗材在院內流轉的全部過程，對外通過UDI對耗材進行物資溯源，從而實現醫用耗材的自動化無人管理[35]。而對于有源醫療設備的管理，利用設備運行時流通的電流，通過將由單片機、電流傳感器與信號傳輸模塊組成的監測模塊安裝在設備電源插頭處的方式，來監測設備的運行情況，并實時將運行情況傳輸至附近邊緣網關中進行數據分析，然后在經由網關傳輸至院內醫療設備管理系統中的設備在線監測平臺中。在線監測平臺通過整合所有同類設備的運行狀況，進行單個設備與所有設備使用狀況的參考比較，并建立科學有效的醫療設備使用狀態評價指標體系，從而預測設備的生命周期[35]；并且，通過對設備運行時間統計，來預測設備易損件剩余的可使用時間，并以進度條的方式來顯示，當設備易損件接近剩余壽命并會觸發預警。

醫療設備管理系統以流程優化為核心，通過物聯網技術手段和智能化設施設備，讓醫用耗材、有源設備等產品在供應、分揀、配送、監測、維修等環節的效率有了長足提升，并且為管理人員提供了科學合理地醫學設備購置、使用和維護方案，從而顯著降低醫院管理的各方面成本，并能有效地提升醫療服務質量。

4.3 區域健康管理系統

通過整合物聯網技術獲取的健康數據，并利用智慧醫療系統互聯互通的特性建立的區域健康管理系統，是連接區域內的醫療衛生機構基本業務信息系統的數據交換和共享平臺，是不同系統間進行信息整合的基礎和載體[36]。

區域健康管理系統作為智慧醫療系統中連接個人與醫療衛生機構的橋梁，以統一標準和共享機制為基礎，以健康檔案為核心，將個人、家庭、醫療衛生服務提供機構、公共衛生專業機構、衛生行政部門等有機聯合在一起，從而更好地解決“信息煙囪”和“信息孤島”的問題[37]，并且大大提高公共衛生相關部門的管理能力和應急反應速度。例如，在面對傳染病或公共衛生事件初期時，疾病預防控制中心可以實時獲取醫院、基層衛生服務機構、社區衛生服務組織中的疾病個案信息[38]，并通過大數據分析所在區域內的傳染病情況，同時，通過完善的實時傳染病上報機制，可以實現傳染病的實時監控和預警預報。而當處于傳染病或疫情爆發階段時，疾病控制中心以及突發公共衛生事件處置機構可以與運營商合作，利用RFID、GPS、Wi-Fi等物聯網技術，快速定位傳染源、確定傳播途徑、找到密切接觸者，并且統一調度區域內的醫療資源，通過全流程的統一管理，將傳染病帶來的傷害降到最低。

區域健康管理系統將各層級、各領域之間的組織機構相連接，提供了一個規范化、標準化的管理平臺，實現公共衛生信息的實時共享，從而為提高醫療服務效率、服務質量、醫療服務的可及性[38]，降低醫療成本及降低醫療風險提供有力的手段。

5 總結與展望

基于物聯網技術的智慧醫療系統通過對醫療數據有效的收集，通過邊緣計算、霧計算完成數據的預處理及篩選，再經由云計算、人工智能、大數據完成對醫療數據的深度學習及研究，最后以網絡為載體，實時傳輸和共享處理結果。智慧醫療系統的普及可以有效提高優質醫療資源利用率、降低人民就醫時間和成本、改變受時間和空間限制的傳統就醫模式、減輕人口老齡化對醫療系統帶來的壓力，并且有利于促進傳統診療模式從治療到預防的轉變?；谖锫摼W技術的智慧醫療系統將為人民帶來了優質的就醫體驗、為醫療工作者了減輕工作負擔、為公共衛生組織提升了管理效率，是減輕人口老齡化壓力、推動健康中國建設的重要手段。

隨著物聯網技術的發展，在不遠的將來，基于物聯網技術的智慧醫療系統將會成為人民日常生活中不可或缺的一部分。然而，健康數據一致性標準的缺失、數據傳輸協議標準的不一致等問題人仍是智慧醫療系統發展過程中亟需解決的難題，只有通過政府和社會各界人士的共同協作，才會為智慧醫療系統鋪平發展的道路。