信息物理融合系統(tǒng)及其在醫(yī)療中的應(yīng)用

姬曉波，曾 凡，黃 昊

0 引言

隨著嵌入式系統(tǒng)的日新月異，對物理世界實(shí)現(xiàn)高效的“感、執(zhí)、傳、控”成為其未來發(fā)展的必然要求，信息物理融合系統(tǒng)（cyber physical system，CPS）應(yīng)運(yùn)而生。與傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)不同，CPS重點(diǎn)研究物理環(huán)境與計(jì)算部件的有機(jī)融合，將現(xiàn)有的獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行智能化連接，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的組網(wǎng)與交互，達(dá)到系統(tǒng)之間的相互感知、有效協(xié)同。

在CPS中，通過對物理環(huán)境和資源的動(dòng)態(tài)感知、信息的實(shí)時(shí)可靠傳輸、數(shù)據(jù)的綜合計(jì)算處理，利用反饋循環(huán)實(shí)現(xiàn)對物理過程的有效控制。CPS的產(chǎn)生與壯大是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)不斷滲入到自動(dòng)控制、電力、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域的必然結(jié)果，是各領(lǐng)域自身發(fā)展、自動(dòng)化程度提高的必然趨勢。CPS的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)信息世界和物理世界的完全融合，構(gòu)建一個(gè)可控、可信、可擴(kuò)展并且安全高效的CPS網(wǎng)絡(luò)，并最終從根本上改變?nèi)祟悩?gòu)建工程物理系統(tǒng)的方式[1]。目前，CPS已在移動(dòng)醫(yī)療、遠(yuǎn)程健康監(jiān)測、區(qū)域醫(yī)療、醫(yī)療設(shè)備自動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)等醫(yī)療信息化發(fā)展中得到良好的應(yīng)用。

1 CPS的發(fā)展

自2005年提出至今[2]，CPS引起了國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，所涉及的科學(xué)與技術(shù)問題非常廣泛，包含了理論建模和計(jì)算抽象、物理接口和新型人機(jī)交互、環(huán)境感知、數(shù)據(jù)管理與挖掘、安全隱私等方面的內(nèi)容，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器件和系統(tǒng)、交通控制、先進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)、環(huán)境保護(hù)、航空設(shè)備、國防系統(tǒng)、制造系統(tǒng)等領(lǐng)域。近幾年，美國國家科學(xué)基金委員會(huì)、軍方等國家科研管理機(jī)構(gòu)聯(lián)合推出CPS研究計(jì)劃，從基礎(chǔ)理論、方法工具和應(yīng)用平臺(tái)等方面展開全面研究；歐盟的第七框架計(jì)劃啟動(dòng)了智能嵌入式系統(tǒng)的先進(jìn)研究和技術(shù)項(xiàng)目，計(jì)劃在2008—2017年投入27億歐元開展嵌入式計(jì)算與CPS相關(guān)技術(shù)的研發(fā)；日本、韓國也在開展類似的研究。在工業(yè)界，CPS已經(jīng)在汽車電子、電網(wǎng)、醫(yī)療設(shè)備、智能建筑等領(lǐng)域初步取得應(yīng)用成果[3-4]。

我國對推動(dòng)CPS的技術(shù)研究和應(yīng)用發(fā)展起到了積極作用。2010年1月，科技部和863計(jì)劃相關(guān)機(jī)構(gòu)在上海舉辦了“信息—物理融合系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略論壇”，重點(diǎn)討論國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的CPS應(yīng)用系統(tǒng)示范及國家急需的CPS應(yīng)用戰(zhàn)略布局。2012年，“面向信息—物理融合的系統(tǒng)平臺(tái)”主題項(xiàng)目被列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃之中，由清華大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位聯(lián)合承擔(dān)；該項(xiàng)目針對CPS的可預(yù)測性和高可靠性等關(guān)鍵特征，以多種類、多層次、多尺度信息—物理融合為切入點(diǎn)，突破和掌握CPS建模、開發(fā)、運(yùn)行等核心共性關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)相應(yīng)的支撐工具與平臺(tái)[5]。

2 CPS的體系結(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式

2.1 CPS的體系結(jié)構(gòu)

典型的CPS體系結(jié)構(gòu)主要包括傳感器、執(zhí)行器、計(jì)算系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)[6]，如圖1所示。傳感器主要用于感知物理世界中的物理信息，并通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將各種模擬的、連續(xù)的物理信息轉(zhuǎn)化成能被計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所處理的數(shù)字的、離散的信息；執(zhí)行器接收控制系統(tǒng)的執(zhí)行信息，對物理對象的狀態(tài)和行為進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)物理世界的動(dòng)態(tài)變化；計(jì)算系統(tǒng)完成CPS要求的計(jì)算任務(wù)，提供信息服務(wù)等各種服務(wù)；控制系統(tǒng)使用來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知信息和計(jì)算系統(tǒng)提供的信息與服務(wù)，確定控制策略，以系統(tǒng)輸出的形式反饋至執(zhí)行器執(zhí)行正確操作，實(shí)施對物理世界的協(xié)調(diào)控制。

圖1 CPS體系結(jié)構(gòu)示意圖

從體系結(jié)構(gòu)可以看出，CPS一是強(qiáng)調(diào)物理設(shè)備和信息系統(tǒng)的深度整合，二是對海量數(shù)據(jù)的處理不可避免，三是具有高度的復(fù)雜性，是一種多維度而非單維度的開放式系統(tǒng)，可支持建造國家級(jí)甚至全球級(jí)的大型或特大型聯(lián)網(wǎng)物理設(shè)備系統(tǒng)，包括國家電網(wǎng)控制系統(tǒng)、國家海洋搜救系統(tǒng)、國家高速公路監(jiān)控系統(tǒng)等。

2.2 CPS的運(yùn)行方式

CPS運(yùn)行方式的抽象結(jié)構(gòu)如圖2所示[7]。物理世界的實(shí)體通過感知環(huán)境對信息進(jìn)行處理，將信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息世界；信息世界組件針對物理環(huán)境和用戶需求的改變，自動(dòng)調(diào)整內(nèi)部關(guān)聯(lián)與模型，將指令通過人機(jī)界面或執(zhí)行器與驅(qū)動(dòng)設(shè)備傳送給物理世界各組件；物理實(shí)體間通過自主協(xié)調(diào)，接受指令執(zhí)行系統(tǒng)要求的相應(yīng)操作。

圖2 信息世界與物理世界交互圖

CPS的運(yùn)行通常需要各種技術(shù)與設(shè)備的支撐，例如網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及中間件等軟硬件平臺(tái)。（1）網(wǎng)絡(luò)：在CPS領(lǐng)域，網(wǎng)絡(luò)作為通信的基本手段被廣泛研究。除了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于CPS的感知外，由于無線控制網(wǎng)絡(luò)具有易調(diào)度、計(jì)算成本低等特性，在CPS領(lǐng)域廣受關(guān)注[8]。（2）中間件：部件的異構(gòu)性使得CPS在運(yùn)行時(shí)變得極其復(fù)雜，中間件技術(shù)能夠有效地隱藏底層的細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)無縫的鏈接。美國弗吉尼亞大學(xué)的科研人員開發(fā)了一個(gè)面向服務(wù)的中間件Physicalnet，支持基于捆綁式[9]的開發(fā)，該機(jī)制可以有效地集成多種異構(gòu)設(shè)備，同時(shí)支持動(dòng)態(tài)的成員更新與需求重構(gòu)。（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：CPS的運(yùn)行牽涉時(shí)間攸關(guān)的計(jì)算任務(wù)、安全攸關(guān)的控制任務(wù)。時(shí)間攸關(guān)的任務(wù)需要在指定時(shí)間內(nèi)完成，而控制任務(wù)對控制的質(zhì)量要求非常高。如何在保證實(shí)時(shí)約束下實(shí)現(xiàn)控制性能最優(yōu)，成為目前研究的熱點(diǎn)[10]。

3 CPS在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用及挑戰(zhàn)

3.1 CPS在醫(yī)療系統(tǒng)中的應(yīng)用

醫(yī)療CPS是以保障生命安全為重要前提的網(wǎng)絡(luò)化、智能化的醫(yī)療設(shè)備系統(tǒng)，涵蓋了計(jì)算機(jī)、臨床醫(yī)學(xué)、控制等多學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)[11]。在傳統(tǒng)的臨床醫(yī)學(xué)場景中，醫(yī)務(wù)人員扮演著控制中心的角色，醫(yī)療設(shè)備則充當(dāng)傳感器和執(zhí)行單元，如圖3所示。CPS實(shí)現(xiàn)了各部件之間的網(wǎng)絡(luò)化通信與協(xié)同操作，并加入了額外的決策與控制部件來輔助醫(yī)務(wù)人員實(shí)施控制行為，是臨床控制的一種全新設(shè)計(jì)理念。

圖3 基于CPS技術(shù)的健康醫(yī)療關(guān)系圖

安全性分析是醫(yī)療CPS的一個(gè)研究熱點(diǎn)。賓夕法尼亞大學(xué)的Arney等人對閉環(huán)醫(yī)學(xué)設(shè)備系統(tǒng)的安全性提出了一套新的驗(yàn)證方法[12]，通過將包含有患者信息的具體模型（例如可植入心臟的起搏器模型）進(jìn)行仿真分析，并基于時(shí)間自動(dòng)機(jī)的模型檢驗(yàn)方法，來確保安全分析的高度可信。在工業(yè)界，人體傳感器網(wǎng)絡(luò)正成為CPS的一個(gè)熱門方向。有多家公司正在進(jìn)行人體傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，例如Human Recorder和LifeSync公司正在研發(fā)和銷售無線心電圖設(shè)備，F(xiàn)aceLake和NatureSpirit公司正在研發(fā)血氧計(jì)產(chǎn)品，Wellcore和Philips等公司正在研發(fā)能監(jiān)測患者摔倒行為的系統(tǒng)。

Li等人研究了一個(gè)有關(guān)激光氣管切開術(shù)中醫(yī)療設(shè)備即插即用（medicaldevice plug-and-play，MDP-nP）的醫(yī)療CPS案例[13]。在該場景中，患者被施行麻醉后不能自主呼吸，呼吸機(jī)在患者吸氣時(shí)輸送氧氣，患者的血氧量、氣管內(nèi)的氧氣及二氧化碳量分別由血氧計(jì)、二氧化碳計(jì)監(jiān)控；同時(shí)，醫(yī)生用激光刀切開患者的氣管。MDPnP的關(guān)鍵任務(wù)是保證安全。當(dāng)醫(yī)生開啟激光刀切割氣管時(shí)，患者使用的呼吸機(jī)必須停機(jī)。否則，患者氣管內(nèi)充滿的高濃度氧氣將遇激光爆燃。激光刀連續(xù)使用（呼吸機(jī)連續(xù)停機(jī)）一段時(shí)間后，必須強(qiáng)制關(guān)閉，重啟呼吸機(jī)，否則會(huì)造成患者窒息。這個(gè)典型的CPS場景既包含了離散事件（例如醫(yī)生請求開啟激光刀），又包含了連續(xù)行為（例如患者血氧量的變化）。為了保證安全，MDPnP要求呼吸機(jī)、激光刀、血氧計(jì)、二氧化碳計(jì)進(jìn)行智能的互聯(lián)互鎖，所有的醫(yī)療設(shè)備都連接到一臺(tái)中央總控計(jì)算機(jī)，MDPnP的智能互聯(lián)互鎖由中央總控計(jì)算機(jī)決策，如圖4所示。

圖4 激光氣管切開術(shù)MDPnP場景圖

CPS在個(gè)人醫(yī)療與救治系統(tǒng)中發(fā)揮著積極作用。Loseu等介紹了一種面向健康監(jiān)測的CPS[14]，該CPS通過在患者身體上布置傳感器網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)患者的健康監(jiān)測，利用健康監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)所收集的數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)對患者進(jìn)行診斷。cyberphysicalspace是伊利諾伊大學(xué)計(jì)算機(jī)科研所研發(fā)的一項(xiàng)為獨(dú)立生活的老年人輔助生活的應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)由授權(quán)管理器AMY和稱為“管家”的家用計(jì)算機(jī)及一系列輔助設(shè)備組成[15]。AMY通過“管家”管理周圍的無線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對人體各項(xiàng)生理參數(shù)和生活環(huán)境的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測與記錄，同時(shí)作為網(wǎng)關(guān)向附近的監(jiān)測中心傳送相關(guān)數(shù)據(jù)信息，便于醫(yī)務(wù)人員及早發(fā)現(xiàn)并預(yù)防潛在病因、對癥下藥，保證醫(yī)治效果，提高老年人的健康水平。

此外，CPS在區(qū)域醫(yī)療建設(shè)中發(fā)揮著積極作用。上?！皡^(qū)域醫(yī)療信息整合平臺(tái)的研究與應(yīng)用”項(xiàng)目通過數(shù)據(jù)整合和交換平臺(tái)、應(yīng)用支撐平臺(tái)及信息資源目錄服務(wù)平臺(tái)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域健康檔案應(yīng)用共享、診療信息應(yīng)用共享、社區(qū)綜合健康衛(wèi)生服務(wù)等多個(gè)子系統(tǒng)，并通過3TNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)16家醫(yī)療機(jī)構(gòu)、42個(gè)衛(wèi)生服務(wù)站互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療機(jī)構(gòu)之間的信息共享[16]。醫(yī)療人員能夠查詢患者在任意服務(wù)點(diǎn)的醫(yī)療記錄，為患者提供及時(shí)有效的治療和保健方案。該項(xiàng)目是智能醫(yī)療領(lǐng)域的有益嘗試，為我國醫(yī)療協(xié)同系統(tǒng)的研發(fā)和實(shí)現(xiàn)提供了借鑒。

3.2 CPS在醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)

健康醫(yī)療是性命攸關(guān)的領(lǐng)域，醫(yī)療CPS必須采取有效手段來論證系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)前醫(yī)療系統(tǒng)的開發(fā)通常將驗(yàn)證工作放在設(shè)計(jì)的末期進(jìn)行，容易導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更過晚、代價(jià)巨大。如何設(shè)計(jì)一套有效的方法來驗(yàn)證CPS各設(shè)計(jì)階段的正確性與可靠性，是目前研究人員面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。另外，醫(yī)療CPS要求醫(yī)療設(shè)備之間能協(xié)同執(zhí)行臨床任務(wù)，這對各部件通信接口提出了極高的技術(shù)要求。同時(shí)，由于人體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、生理參數(shù)實(shí)時(shí)變化，如何保證零延遲、零誤差的信息交換，依然面臨著不小的困難。

網(wǎng)絡(luò)化使醫(yī)療設(shè)備有了更豐富的功能，但由此也產(chǎn)生了一些潛在問題，其中，安全和隱私問題最為突出。由于物理部件處于一個(gè)開放的環(huán)境，信息能夠隱藏的程度有限，容易造成潛在的信息—物理攻擊。不法分子入侵醫(yī)療CPS后，可改變設(shè)備原先的程序與設(shè)定，極有可能對患者的人身安全造成威脅。同時(shí)，醫(yī)療CPS中數(shù)據(jù)收集和管理的問題也十分突出，未經(jīng)授權(quán)的訪問或篡改信息的行為都可能造成患者隱私的泄露，由此產(chǎn)生歧視以及心理傷害等一系列社會(huì)問題。

4 結(jié)語

由于自身的復(fù)雜性，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的收集、安全可靠的管理等在CPS醫(yī)療應(yīng)用中還存在一些尚待解決的問題。隨著CPS研究的不斷深化及應(yīng)用的擴(kuò)展，在可預(yù)見的未來，CPS技術(shù)與產(chǎn)品將被更加廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療信息化領(lǐng)域。在提高效率、降低成本的同時(shí)，更會(huì)提升醫(yī)生的診療水平及患者就診的便捷性與滿意度，助力醫(yī)院品質(zhì)與安全的持續(xù)改進(jìn)。

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